RU2020484C1 - Pendulous flexible compensation accelerometer - Google Patents
Pendulous flexible compensation accelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2020484C1 RU2020484C1 SU4915543A RU2020484C1 RU 2020484 C1 RU2020484 C1 RU 2020484C1 SU 4915543 A SU4915543 A SU 4915543A RU 2020484 C1 RU2020484 C1 RU 2020484C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stops
- elastic
- elastic element
- suspension
- pendulum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к приборостроению, в частности к приборам для измерения ускорения, и может быть использовано в системах навигации и ориентации. The invention relates to instrumentation, in particular to instruments for measuring acceleration, and can be used in navigation and orientation systems.
Известны маятниковые компенсационные акселерометры с упругим подвесом, предназначенные для определения ускорения объекта (патент Франции N 2562254, кл. G 01 P 15/08, 1986). Такие акселерометры имеют чувствительный элемент (ЧЭ) в виде маятника на упругом подвесе, устройство для измерения перемещения ЧЭ, выход которого через усилитель соединен с входом датчика уравновешивания. Known pendulum compensation accelerometers with an elastic suspension, designed to determine the acceleration of an object (French patent N 2562254, CL G 01 P 15/08, 1986). Such accelerometers have a sensitive element (SE) in the form of a pendulum on an elastic suspension, a device for measuring the movement of the SE, the output of which through an amplifier is connected to the input of the balancing sensor.
Недостатком таких акселерометров является возможность линейного перемещения ЧЭ из-за податливости упругого подвеса при действии пиковых ускорений, например ударных, приводящая к пластическим деформациям упругого подвеса, либо к его разрушению. The disadvantage of such accelerometers is the possibility of linear displacement of the SE due to the flexibility of the elastic suspension under the action of peak accelerations, for example, shock, leading to plastic deformation of the elastic suspension, or to its destruction.
Из известных акселерометров наиболее близким по технической сущности является маятниковый компенсационный акселерометр с упругим подвесом (см. патент Франции N 2562254, кл. G 01 P 15/08, 1986), принятый за прототип и содержащий корпус, ЧЭ, соединенный с корпусом при помощи упругого подвеса, устройство для измерения перемещения ЧЭ, датчик уравновешивания и по одному упору с каждой стороны ЧЭ, ограничивающему перемещение ЧЭ и расположенному в центре удара ЧЭ, благодаря чему нагрузка в упругом подвесе равна нулю (см. Николаи Е.А. Теоретическая механика. Ч. II. М., 1958, с.317). Of the known accelerometers, the closest in technical essence is a pendulum compensation accelerometer with an elastic suspension (see French patent N 2562254, CL G 01 P 15/08, 1986), adopted as a prototype and comprising a housing, CE connected to the housing by means of an elastic suspension, a device for measuring the movement of CE, a balancing sensor and one stop on each side of the CE, limiting the movement of the CE and located in the center of the impact of the CE, due to which the load in the elastic suspension is zero (see Nikolai EA Theoretical mechanics. CH . II. M., 1958, p. 317).
Недостатком акселерометра является необходимость размещения упоров с большой точностью в строго определенном месте, что не всегда достижимо, исходя из заданных конструктивных требований и особенностей конструкции узлов и сборок, а также за счет неизбежных технологических допусков. В реальной конструкции точка соприкосновения ЧЭ с упором может не совпадать с центром удара, что приведет к возникновению недопустимых напряжений в упругом элементе при действии внешних сил, к появлению пластической деформации упругого подвеса, либо к его разрушению, что практически является отказом акселерометра и навигационной системы. The disadvantage of the accelerometer is the need to place the stops with great accuracy in a strictly defined place, which is not always achievable, based on the given design requirements and structural features of the nodes and assemblies, as well as due to inevitable technological tolerances. In a real design, the contact point of the CE with the stop may not coincide with the center of impact, which will lead to unacceptable stresses in the elastic element under the action of external forces, to the appearance of plastic deformation of the elastic suspension, or to its destruction, which is practically a failure of the accelerometer and navigation system.
Целью изобретения является повышение надежности маятникового компенсационного акселерометра с упругим подвесом. The aim of the invention is to increase the reliability of the pendulum compensation accelerometer with an elastic suspension.
Цель достигается тем, что в маятниковом компенсационном акселерометре с упругим подвесом, содержащем корпус, ЧЭ, соединенный с корпусом при помощи упру- гого подвеса, устройство для измерения перемещения ЧЭ, датчик уравновешивания и по одному упору с каждой стороны, ограничивающему угловое перемещение ЧЭ, устанавливают дополнительно вторые упоры, по одному с каждой стороны таким образом, чтобы центр масс ЧЭ находился между первым и вторым упорами, расположенными по одну сторону маятника, а расстояния h и h1 от конца упругого элемента подвеса (УП) до первого и второго упоров и расстояния Н и Н1 от плоскости ЧЭ до первого и второго упоров удовлетворяли условию
+ - σ
(1) где Су - угловая жесткость упругого элемента подвеса;
Сл - линейная жесткость упругого элемента подвеса;
W - момент сопротивления сечения упругого элемента;
S - площадь сечения упругого элемента подвеса;
h - расстояние от конца упругого элемента до первых упоров;
h1 - расстояние от конца упругого элемента до вторых упоров;
Н - расстояние от плоскости ЧЭ до первых упоров;
Н1 - расстояние от плоскости ЧЭ до вторых упоров;
σдоп - допустимое напряжение в упругом элементе подвеса;
l - длина упругого элемента подвеса.The goal is achieved by the fact that in a pendulum compensation accelerometer with an elastic suspension containing a housing, a CE connected to the housing by means of an elastic suspension, a device for measuring the movement of the CE, a balancing sensor and one stop on each side restricting the angular movement of the CE are set additionally, the second stops, one on each side so that the center of mass of the SE is between the first and second stops located on one side of the pendulum, and the distances h and h 1 from the end of the elastic suspension element CA (UP) to the first and second stops and the distance H and H 1 from the plane of the CE to the first and second stops satisfied the condition
+ - σ
(1) where C y is the angular stiffness of the elastic element of the suspension;
With l - linear stiffness of the elastic element of the suspension;
W is the moment of resistance of the cross section of the elastic element;
S is the cross-sectional area of the elastic element of the suspension;
h is the distance from the end of the elastic element to the first stops;
h 1 is the distance from the end of the elastic element to the second stops;
H is the distance from the plane of the SE to the first stops;
H 1 - the distance from the plane of the SE to the second stops;
σ add - allowable stress in the elastic element of the suspension;
l is the length of the elastic element of the suspension.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что предложенное техническое решение отвечает критерию "новизна". From the foregoing, we can conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."
На фиг.1-4 показан предлагаемый акселерометр. Figure 1-4 shows the proposed accelerometer.
На ЧЭ действует возмущающая сила
Рв=m ˙ax, где ax - ускорение, приложенное к центру масс ЧЭ;
m - масса ЧЭ.Disturbing force acts on the SE
P in = m ˙a x , where a x is the acceleration applied to the center of mass of the SE;
m is the mass of the SE.
Пользуясь леммой о параллельном переносе линии действия силы, можно заменить эту силу силой, приложенной к концу УП и некоторой присоединенной парой сил с моментом, равным моменту данной силы относительно новой точки ее приложения (фиг. 1). Таким образом, УП нагружен поперечной силой, приложенной к его концу
Р=Pв и изгибающим моментом
М=Рв ˙ L, где L - расстояние от центра масс ЧЭ до его УП.Using the lemma on parallel transfer of the line of action of a force, it is possible to replace this force with a force applied to the end of a unitary force and some coupled forces with a moment equal to the moment of a given force relative to a new point of its application (Fig. 1). Thus, the UP is loaded with a transverse force applied to its end
P = P in and bending moment
M = P in ˙ L, where L is the distance from the center of mass of the SE to its UP.
Изобразим УП отдельно фиг.2. Для описания перемещения УП воспользуемся универсальным уравнением упругой линии (см. Писаренко Г.С. и др. Сопротивление материалов/ Киев.: Вища школа, 1979, с.285)
X′(Z′) = Xo+θoZ′+(EJ-1· - ,
(2) где хо и θo - соответственно прогиб и угол поворота в начале координат;
Мо и Ро - изгибающий момент и поперечная сила, действующие в сечении, совпадающем с началом координат;
Е - модуль Юнга материала;
J - центральный момент инерции поперечного сечения УП.We depict the unit separately figure 2. To describe the movement of the UE, we use the universal equation of the elastic line (see G. Pisarenko and others. Resistance of materials / Kiev .: Vishcha school, 1979, p. 285)
X ′ (Z ′) = X o + θ o Z ′ + (EJ -1 - ,
(2) where x o and θ o are the deflection and angle of rotation at the origin, respectively;
M o and P o - bending moment and shear force acting in the section coinciding with the origin;
E - Young's modulus of the material;
J is the central moment of inertia of the cross section of the unitary enterprise.
Дифференцируя (2), получим уравнение углов поворота сечений УП
θ′(Z′) = θo+(EJ)MoZ′-
(3)
Из условий статического равновесия
-
(4)
Поскольку для УП, имеющего заделку, прогиб и угол поворота сечения равны нулю, то
хо= θo = 0 (5) (см. Писаренко Г.С. и др. Сопротивление материалов. Киев: Вища школа, 1979, с.273). Следовательно, (2) и (3) с учетом (4) и (5) для z=l можно записать в виде:
(6) где l - длина УП.Differentiating (2), we obtain the equation of angles of rotation of the UE sections
θ ′ (Z ′) = θ o + (EJ) M o Z′-
(3)
From the conditions of static equilibrium
-
(4)
Since for a unitary enterprise with a seal, the deflection and the angle of rotation of the cross section are zero, then
x o = θ o = 0 (5) (see Pisarenko G.S. et al. Resistance of materials. Kiev: Vishka school, 1979, p.273). Therefore, (2) and (3) taking into account (4) and (5) for z = l can be written in the form:
(6) where l is the length of the unitary enterprise.
По определению, жесткость УП есть отношение нагрузки, действующей на УП, к перемещению, вызванному этой нагрузкой. Следовательно, коэффициенты cij, i, j=1,2) в выражениях для Р и М, полученных из (6), представляют собой жесткости рассматриваемого упругого элемента
(7)
Для упругого элемента известно понятие центра жесткости. Особенность этой точки заключается в том, что для системы координат, начало которой совпадает с центром жесткости упругого элемента, диагональные элементы cij (i≠j) матрицы жесткостей с=ll cij ll обращаются в нуль (см. Вибрация в технике. Под ред. Болотина В.В. Т.1, М.: Машиностроение, 1978 с.74). Переходя в (7) к новой системе координат ОХZ с началом в центре жесткости (фиг.3), имеем
-l
(8) где l - расстояние между центром жесткости и заделкой УП.By definition, UE stiffness is the ratio of the load acting on the UE to the displacement caused by this load. Therefore, the coefficients c ij , i, j = 1,2) in the expressions for P and M obtained from (6) are the stiffnesses of the elastic element under consideration
(7)
For an elastic element, the concept of a center of stiffness is known. The peculiarity of this point is that for a coordinate system whose origin coincides with the center of stiffness of the elastic element, the diagonal elements c ij (i ≠ j) of the stiffness matrix c = ll c ij ll vanish (see Vibration in Engineering. Ed. Bolotina V.V.T.1, M .: Mechanical Engineering, 1978 p.74). Passing in (7) to a new coordinate system OXZ with a beginning at the center of stiffness (Fig. 3), we have
-l
(8) where l is the distance between the center of stiffness and the termination of the unitary enterprise.
Из уравнений (7) и (8) имеем
(9) где Р и М - поперечная сила и изгибающий момент, действующие на УП в системе координат ОХZ.From equations (7) and (8) we have
(9) where P and M are the transverse force and bending moment acting on the UP in the coordinate system OXZ.
Так как точка О - центр жесткости УП, то из условия равенства нулю диагональных членов матрицы жесткостей найдем ее положение
l1= - = , а уравнения (9) примут вид
(10) где Сл=С11 - линейная жесткость УП;
Су=С22+С21l1 - угловая жесткость УП.Since the point O is the center of rigidity of the UP, from the condition that the diagonal terms of the stiffness matrix vanish, we find its position
l 1 = - = , and equations (9) take the form
(10) where C l = C 11 - linear stiffness UP;
C y = C 22 + C 21 l 1 - angular stiffness UP.
При положении 3 ЧЭ на первом 1 и втором 2 упорах, размещенных таким образом, что центр 5 масс ЧЭ находится между ними, конец 4 УП повернут на угол θ и смещен на х (фиг.4). При этом
(11)
где h1, h - расстояние от конца УП до вторых и первых упоров соответственно;
Н1, Н - расстояния от плоскости, определяемой осями подвеса Y и Z ЧЭ, до вторых и первых упоров соответственно.When position 3 of the SE on the first 1 and second 2 stops, placed in such a way that the center of
(eleven)
where h 1 , h is the distance from the end of the UP to the second and first stops, respectively;
H 1 , N - the distance from the plane defined by the suspension axes Y and Z SE, to the second and first stops, respectively.
Так как ввиду малости угла θ tg θ≈θ , то уравнения (10) примут вид
(12)
Очевидно, что независимо от величины нагрузки, приложенной к ЧЭ 3 (фиг. 4), момент и поперечная сила, приложенные к концу УП, будут определяться уравнениями (12), т.е. будут определяться только конструкцией прибора.Since, in view of the smallness of the angle θ tan θ≈θ, equations (10) take the form
(12)
Obviously, regardless of the magnitude of the load applied to the SE 3 (Fig. 4), the moment and shear force applied to the end of the UE will be determined by equations (12), i.e. will be determined only by the design of the device.
Поскольку УП представляет собой балку, один конец которой заделан, а второй нагружен поперечной силой Р и моментом М, то нормальные, касательные и эквивалентные напряжения определяются по формулам (см. В.И.Феодосьев. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1967, с.135-139, 267)
(13) где σ,τ,σэкв - нормальные, касательные и эквивалентные напряжения соответственно.Since the UE is a beam, one end of which is sealed up, and the other is loaded with a transverse force P and moment M, the normal, tangential, and equivalent stresses are determined by the formulas (see V.I. Feodosiev. Resistance of materials. M .: Nauka, 1967, p. 135-139, 267)
(13) where σ, τ, σ equiv are normal, tangent, and equivalent stresses, respectively.
Условие отсутствия деформации УП
σэкв ≅ σдоп, (14) где σдоп - допустимые напряжения в УП.The condition for the absence of deformation UP
σ equiv ≅ σ add , (14) where σ add - permissible stresses in unitary enterprise.
Подставив в (14) выражения (12) и (13), получаем
+ - σ
(15)
Таким образом, расположение в акселерометре двух пар упоров, ограничивающих перемещение ЧЭ, на расстояниях h и h1 от конца УП и Н и Н1 от плоскости ЧЭ прибора, связанных между собой соотношением (15), ограничивает напряжения в УП заранее заданной величиной σдоп, обеспечивающей отсутствие остаточных деформаций УП, что повышает надежность.Substituting expressions (12) and (13) in (14), we obtain
+ - σ
(fifteen)
Thus, the location in the accelerometer of two pairs of stops restricting the movement of the SE at distances h and h 1 from the end of the UE and N and N 1 from the plane of the SE of the device, interconnected by relation (15), limits the stresses in the UE to a predetermined value σ add , ensuring the absence of residual deformation of UP, which increases reliability.
Из изложенного можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию "Существенное отличие". From the foregoing, we can conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "Significant difference".
На фиг.1 представлена схема нагружения ЧЭ; на фиг.2 - схема нагружения УП; на фиг.3 - схема нагружения УП в системе координат с началом в центре жесткости УЭ; на фиг.4 - маятниковый компенсационный акселерометр, состоящий из корпуса 8, с которым при помощи упругого подвеса 4 соединен чувствительный элемент 3, центр 5 масс которого расположен между упорами 1 и 2, устройства 7 измерения перемещения, датчика 6 уравновешивания и усилителя 9. Figure 1 presents the loading diagram of the SE; figure 2 - loading diagram UP; figure 3 is a diagram of loading UE in the coordinate system with the beginning in the center of stiffness of RE; figure 4 - pendulum compensation accelerometer, consisting of a
Рассмотрим акселерометр, УП которого имеет следующие характеристики:
Сл=2,94 ˙104 н/м;
Су=4˙10-4 н ˙м/рад;
l=1,5˙10-4 м;
W=5,4˙10-14 м3;
S=1,8˙18-8 м2; σдоп=1˙108 н/м2
Пусть первые упоры расположены таким образом, что h=8,8˙10-5 м, а Н= 5,1˙10-5 м, а для вторых - h1=1,1˙10-3 м, тогда из уравнения (15) имеем Н11= 7,0˙10-6 м и Н12=4,8˙10-6 м, т.е. при 4,8˙10-6 ≅ Н1 ≅7,0˙10-6 м напряжения в УП будут ≅σдоп. Случай Н1=7,0˙10-6 м показан на фиг.4, а при Н1= 4,8˙10-6 м конец УП будет находиться правее оси Z (фиг.4).Consider an accelerometer, which has the following characteristics:
C l = 2.94 ˙10 4 n / m;
With y = 4˙10 -4 n ˙m / rad;
l = 1.5˙10 -4 m;
W = 5.4 · 10 −14 m 3 ;
S = 1.8˙18 -8 m 2 ; σ add = 1˙10 8 n / m 2
Let the first stops be arranged in such a way that h = 8.8˙10 -5 m, and Н = 5.1˙10 -5 m, and for the second, h 1 = 1.1˙10 -3 m, then from the equation (15) we have H 11 = 7.0˙10 -6 m and H 12 = 4.8˙10 -6 m, i.e. at 4.8˙10 -6 ≅ Н 1 ≅7.0˙10 -6 m the voltage in the unitary enterprise will be ≅σ add . The case of H 1 = 7.0 × 10 −6 m is shown in FIG. 4, and with H 1 = 4.8 × 10 −6 m, the end of the UE will be to the right of the Z axis (FIG. 4).
Использование двух пар упоров, расположенных в соответствии с уравнением (15), выгодно отличает предлагаемый акселерометр от прототипа, так как обеспечивает надежность работы УП и при этом не требует расположения упоров в строго определенном месте, определяемом конструкцией. The use of two pairs of stops located in accordance with equation (15) distinguishes the proposed accelerometer from the prototype, as it ensures the reliability of the UE and does not require the location of the stops in a strictly defined place determined by the design.
Claims (2)
+ - σд
где Cу, Cл - угловая и линейная жесткости упругого элемента;
W - момент сопротивления сечения упругого элемента;
S - площадь сечения упругого элемента;
l - длина упругого элемента;
σдоп - допустимое напряжение в упругом элементе;
h, h1 - расстояние от конца упругого элемента до первых и вторых упоров соответственно;
H, H1 - расстояние от плоскости чувствительного элемента до первых и вторых упоров соответственно.1. PENDULAR COMPENSATION ACCELEROMETER WITH AN ELASTIC SUSPENSION, comprising a housing, a sensing element connected to the housing by means of an elastic suspension, a device for measuring the movement of the sensitive element, a balancing sensor and two stops restricting the movement of the sensitive element, characterized in that, in order to increase reliability , the second two stops are set so that the center of mass of the sensor is between the first and second stops located on one side of the sensor ment, and the distance from the end of the elastic element to the first and second stops and from the plane of the sensing element to the first and second stops satisfied the condition:
+ - σ d
where C y , C l - angular and linear stiffness of the elastic element;
W is the moment of resistance of the cross section of the elastic element;
S is the cross-sectional area of the elastic element;
l is the length of the elastic element;
σ add - allowable stress in the elastic element;
h, h 1 - the distance from the end of the elastic element to the first and second stops, respectively;
H, H 1 - the distance from the plane of the sensing element to the first and second stops, respectively.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4915543 RU2020484C1 (en) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Pendulous flexible compensation accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4915543 RU2020484C1 (en) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Pendulous flexible compensation accelerometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020484C1 true RU2020484C1 (en) | 1994-09-30 |
Family
ID=21562911
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4915543 RU2020484C1 (en) | 1991-03-01 | 1991-03-01 | Pendulous flexible compensation accelerometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2020484C1 (en) |
-
1991
- 1991-03-01 RU SU4915543 patent/RU2020484C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Патент Франции N 2562254, кл. G 01P 15/08, 1986. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6912902B2 (en) | Bending beam accelerometer with differential capacitive pickoff | |
US4611491A (en) | Accelerometer system | |
US7178401B2 (en) | Three axis accelerometer with variable axis sensitivity | |
US3304773A (en) | Force transducer | |
US3465597A (en) | Vibrating-column accelerometer | |
EP0634003B1 (en) | Load cell | |
EP4134622A1 (en) | Drive and sense balanced, fully-coupled 3-axis gyroscope | |
CN110865205A (en) | Vibrating beam accelerometer | |
RU2020484C1 (en) | Pendulous flexible compensation accelerometer | |
Allen et al. | Self-testable accelerometer systems | |
US5275048A (en) | Acceleration overload protection mechanism for sensor devices | |
US3367194A (en) | Rate gyroscope | |
US5058430A (en) | Sensor capsule mounting | |
EP0620441A1 (en) | Rotational accelerometer | |
US5092173A (en) | Secondary accelerometer pickoff | |
US3036469A (en) | Beam flexure | |
US3363471A (en) | Accelerometer | |
RU2251702C1 (en) | Micromechanical accelerometer | |
SU1012143A2 (en) | Flow speed pressure and direction pickup | |
US20230138452A1 (en) | Physical Quantity Sensor and Inertial Measurement Unit | |
SU1027627A1 (en) | Compensating pendulum-type acceleration meter | |
US20230266359A1 (en) | Physical Quantity Sensor And Inertial Measurement Unit | |
CN116068223A (en) | Physical quantity sensor and inertial measurement device | |
JPH0668501B2 (en) | Accelerometer | |
SU715938A1 (en) | Three-component vibration-measuring transducer |