RU2046345C1

RU2046345C1 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2046345C1
Authority: RU
Inventors: Г.М. Очеретнер; А.Б. Полинский; В.М. Прокофьев; О.И. Садовский; В.И. Курносов
Original assignee: Научно-исследовательский институт прикладной механики Научно-производственного объединения "Ротор"
Priority date: 1983-01-10
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: inertial navigation. SUBSTANCE: sensitive element is mounted on housing at spaced relation and is provided with three flexible beam members rigidly connected with housing on one side and with board of sensitive element on other side. Flexible beam members are located in one plane which is perpendicular to axis of sensitivity at angle of 120 deg relative to one another; their radial rigidity is lesser than their axial rigidity by about one order of magnitude and is lesser than rigidity of board of sensitive element by about two orders of magnitude. EFFECT: enhanced accuracy. 3 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения ускорения движения объектов. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the acceleration of the movement of objects.

Известен компенсационный акселерометр [1] состоящий из корпуса, выполняющего функцию экрана и изготовленного из магнитомягкого материала. В расточку корпуса на клее установлен чувствительный элемент (ЧЭ), состоящий из инерционной массы (маятника), выполненной из кварцевого стекла на упругом подвесе. На маятнике крепятся катушки силового преобразователя (датчика силы), а сама пластина является элементом дифференциального емкостного датчика, неподвижные пластины которого изготовлены из материала с коэффициентом линейного расширения (КЛР), близким к коэффициенту линейного расширения (КЛР) материала кварцевой пластины, и являются одновременно магнитопроводом магнитной системы датчика силы. Known compensation accelerometer [1] consisting of a housing that acts as a screen and made of soft magnetic material. A sensitive element (SE) consisting of an inertial mass (pendulum) made of quartz glass on an elastic suspension is installed in the bore of the body on the glue. Coils of the power transducer (force sensor) are mounted on the pendulum, and the plate itself is an element of a differential capacitive sensor, the fixed plates of which are made of a material with a linear expansion coefficient (CLC) close to the linear expansion coefficient (CLC) of the quartz plate material, and are simultaneously a magnetic circuit magnetic force sensor system.

Известен также акселерометр [2] содержащий корпус и установленный в нем маятниковый чувствительный элемент, состоящий из кварцевой пластины в виде диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычки между диском и кольцевой опорой являются упругими элементами системы подвеса. На поверхности диска (на маятнике) напылением в вакууме нанесены пленочные металлические покрытия обкладки поверхностей дифференциального емкостного датчика угла и установлены катушки магнитоэлектрического датчика силы, взаимодействующие с полями постоянных магнитов двух магнитных систем. В этом акселерометре маятниковый элемент расположен внутри базового кольца, которое в трех точках (трех опорных площадках) зажимается между двумя неподвижными пластинами, которые выполнены из кварцевого стекла и приклеены на металлические пластины, выполненные из материала, КЛР которого согласуется с КЛР кварцевых пластин. При сборке чувствительного элемента центральная (подвижная) и неподвижная пластины устанавливаются и фиксируются в кольце, которое также выполнено из материала,КЛР которого согласуется с КЛР кварцевых пластин. Таким материалом является сплав 36Н (α0,9-1,1˙10^-6 1/^oC). Чувствительный элемент установлен на клее в расточку корпуса, который является экраном прибора от магнитных полей и изготавливается поэтому из магнитомягкого материала (сплав 50Н α8,9˙10^-6 1/^oC). Вследствие того, что корпус и кольцо ЧЭ выполнены из материалов с различным КЛР, а также вследствие нестабильности клеевого соединения из-за различных технологических факторов, при изменении температуры возможен разворот ЧЭ относительно выставленного (нулевого) положения. Кроме того, кольцо будет подвергаться деформациям в радиальном направлении, которые будут передаваться на базовое кольцо центральной кварцевой пластины. Напряжения, возникающие при деформации кольца, передаются на упругие элементы (подвес). Все это приводит к изменению параметров прибора в зависимости от изменения температуры, что является существенным недостатком конструкции. Поэтому для обеспечения требуемых от прибора точностных параметров должны быть предъявлены жесткие требования к температуре окружающей среды (создание прецизионной системы термостатирования). Это затрудняет эксплуатацию прибора, делает его нетехнологичным и дорогостоящим.Also known is an accelerometer [2] comprising a housing and a pendulum sensing element installed therein, consisting of a quartz plate in the form of a disk with an open circular slot. Jumpers between the disk and the ring support are elastic elements of the suspension system. On the surface of the disk (on the pendulum), vacuum-film-deposited metal coatings are applied on the surfaces of the differential capacitive angle sensor and coils of the magnetoelectric force sensor are installed, which interact with the fields of permanent magnets of two magnetic systems. In this accelerometer, the pendulum element is located inside the base ring, which is clamped between two fixed plates made of quartz glass and glued to metal plates made of a material whose CLR is consistent with the CRC of quartz plates at three points (three supporting platforms). When assembling the sensitive element, the central (movable) and fixed plates are installed and fixed in a ring, which is also made of a material whose CRC is consistent with the CRC of quartz plates. Such a material is alloy 36H (α0.9-1.1˙10 ^-6 1 / ^o C). The sensitive element is mounted on glue in the bore of the body, which is the screen of the device from magnetic fields and is therefore made of soft magnetic material (alloy 50Н α8.9˙10 ^-6 1 / ^o C). Due to the fact that the housing and the CE ring are made of materials with different CRC, as well as due to the instability of the adhesive joint due to various technological factors, when the temperature changes, a reversal of the SE relative to the set (zero) position is possible. In addition, the ring will undergo radial deformations, which will be transmitted to the base ring of the central quartz plate. Stresses arising from the deformation of the ring are transmitted to the elastic elements (suspension). All this leads to a change in the parameters of the device depending on changes in temperature, which is a significant design flaw. Therefore, in order to ensure the accuracy parameters required from the device, stringent requirements for the ambient temperature (creation of a precision temperature control system) must be presented. This complicates the operation of the device, making it low-tech and expensive.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение точности и стабильности параметров прибора за счет уменьшения влияния температурных напряжений, возникающих из-за разницы КЛР материалов соединяемых деталей. The aim of the invention is to eliminate these disadvantages, namely improving the accuracy and stability of the parameters of the device by reducing the influence of temperature stresses arising from the difference in the CRR of the materials of the parts to be joined.

Цель достигается тем, что ЧЭ установлен с зазором на корпусе, снабженном тремя упругими балочными элементами, с одной стороны жестко соединенными с корпусом прибора, а с другой с платой чувствительного элемента, причем упругие балочные элементы расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси чувствительности, под углом 120^о друг к другу, а их радиальная жесткость примерно на порядок меньше их осевой жесткости и примерно на два порядка меньше жесткости платы чувствительного элемента.The goal is achieved in that the SE is installed with a gap on the housing, equipped with three elastic beam elements, on the one hand rigidly connected to the housing of the device, and on the other with the board of the sensitive element, and the elastic beam elements are located in one plane perpendicular to the axis of sensitivity, at an angle 120 ^about each other, and their radial stiffness is about an order of magnitude less than their axial stiffness and about two orders of magnitude less than the stiffness of the sensor board.

На фиг.1 показана конструкция акселерометра; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1. Figure 1 shows the design of the accelerometer; in Fig.2 a section aa in Fig. 1; figure 3 section BB in figure 1.

Акселерометр состоит из ЧЭ 1, установленного с зазором на корпусе 2. ЧЭ состоит из подвижной кварцевой пластины-маятника 3, установленного внутри базового кольца 4 на упругом подвесе 5. Упругий подвес образован двумя симметричными перемычками 6, соединяющими маятник 3 с базовым кольцом 4. По обе стороны маятника 3 установлены две неподвижные пластины-платы 7 и 8, которые являются одновременно магнитопроводом магнитной системы датчика силы. Внутренние поверхности 9 и 10 неподвижных пластин и наружные металлизированные поверхности 11 и 12 маятника 3 являются обкладками дифференциального емкостного датчика положения. Между подвижной и неподвижной пластинами имеются зазоры 13 и 14, которые образованы с помощью трех опор-платиков 15, расположенных с двух сторон пластины. Неподвижные пластины-платы 7 и 8 с установленной между ними подвижной пластиной 3 устанавливаются в кольце 16, а сам ЧЭ 1 устанавливается с зазором на корпус 2 и крепится с помощью винтов 17 на три упругих балочных элемента 18, выполненных в корпусе 2 и расположенных в одной плоскости, перпендикулярной оси чувствительности. Жесткостные параметры балочных элементов определяются требованиями, предъявляемыми к динамическим характеристикам прибора, и в предлагаемой конструкции выбраны таким образом, что их радиальная жесткость примерно на порядок меньше их осевой жесткости и примерно на два порядка меньше жесткости платы 8 чувствительного элемента. Кроме того, упругие балочные элементы 18 расположены под углом 120^о относительно друг друга. Следовательно, в предлагаемой конструкции силовые воздействия из-за разности КЛР материалов платы 8 и корпуса 2 с упругими развязками 18 будут приложены к плате 8 через упругие балочные элементы 18 симметрично. Таким образом обеспечивается стабильность углового положения.The accelerometer consists of a FE 1 mounted with a gap on the housing 2. A FE consists of a movable quartz plate-pendulum 3 mounted inside the base ring 4 on an elastic suspension 5. An elastic suspension is formed by two symmetrical jumpers 6 connecting the pendulum 3 with the base ring 4. By on both sides of the pendulum 3 there are two fixed plate-boards 7 and 8, which are simultaneously the magnetic circuit of the magnetic system of the force sensor. The inner surfaces 9 and 10 of the fixed plates and the outer metallized surfaces 11 and 12 of the pendulum 3 are plates of a differential capacitive position sensor. Between the movable and fixed plates there are gaps 13 and 14, which are formed using three support plates 15 located on both sides of the plate. The fixed plate-boards 7 and 8 with the movable plate 3 installed between them are installed in the ring 16, and the CE 1 itself is installed with a gap on the body 2 and is attached with screws 17 to three elastic beam elements 18 made in the body 2 and located in one a plane perpendicular to the axis of sensitivity. The stiffness parameters of the beam elements are determined by the requirements for the dynamic characteristics of the device, and in the proposed design are chosen in such a way that their radial stiffness is about an order of magnitude less than their axial stiffness and about two orders of magnitude less than the rigidity of the sensor board 8. In addition, the elastic beam elements 18 are located at an angle of 120 ^about relative to each other. Therefore, in the proposed design, the force effects due to the difference in the CRR of the materials of the board 8 and the housing 2 with elastic junctions 18 will be applied to the board 8 through the elastic beam elements 18 symmetrically. This ensures the stability of the angular position.

Устройство работает следующим образом. При действии ускорения вдоль оси чувствительности акселерометра подвижная пластина-маятник 3 отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение определяется с помощью дифференциального емкостного датчика и в виде электрического сигнала подается после усиления на обмотку катушки 19 датчика силы. Датчик силы возвращает маятник в первоначальное положение. Величина тока, протекающего через катушки 19, является мерой действующего на прибор ускорения. Так как в предлагаемой конструкции КЛР материала кольца 16 и остальных деталей ЧЭ 3, 7, 8 согласованы, и силовое воздействие со стороны корпуса 2 на кольцо 16 ЧЭ отсутствует благодаря наличию зазора между кольцом 16 и корпусом 2, то температурные изменения не приводят к возникновению напряжений в упругом подвесе маятника. В то же время температурные деформации, возникающие в процессе работы прибора, из-за разницы КЛР материалов сопрягаемых деталей корпуса прибора 2 и платы 8 ЧЭ 1 воспринимаются не чувствительным элементом, а тремя упругими балочными элементами 18 корпуса 2. Все это значительно снижает уровень деформаций плат ЧЭ, которые определяют угловой разворот ЧЭ относительно нулевого положения, а также возникающие напряжения в перемычках упругого подвеса маятника, которые приводят к появлению дополнительных погрешностей прибора типа тяжения. The device operates as follows. Under the action of acceleration along the axis of sensitivity of the accelerometer, the movable plate-pendulum 3 deviates from its middle position. This deviation is determined using a differential capacitive sensor and, in the form of an electrical signal, is supplied after amplification to the winding of the coil 19 of the force sensor. The force sensor returns the pendulum to its original position. The magnitude of the current flowing through the coils 19 is a measure of the acceleration acting on the device. Since in the proposed design of the CRC the material of the ring 16 and the other parts of the CE 3, 7, 8 are coordinated, and there is no force action from the side of the housing 2 on the CE ring 16 due to the presence of a gap between the ring 16 and the body 2, temperature changes do not lead to stresses in the elastic suspension of the pendulum. At the same time, the temperature deformations that occur during operation of the device, due to the difference in the CRR of the materials of the mating parts of the device body 2 and the board 8 of the SE 1, are perceived not by a sensitive element, but by three elastic beam elements 18 of the housing 2. All this significantly reduces the level of deformation of the boards SE, which determine the angular reversal of the SE relative to the zero position, as well as emerging stresses in the jumpers of the elastic suspension of the pendulum, which lead to the appearance of additional errors of the device such as traction.

Использование изобретения позволит повысить стабильность параметров и точностные характеристики на 30-40% по сравнению с акселерометрами, используемыми на предприятии, практически без усложнения конструкции прибора, повышения требований к изготовлению деталей и узлов и увеличения габаритов прибора. Using the invention will improve the stability of parameters and accuracy characteristics by 30-40% compared with the accelerometers used at the enterprise, practically without complicating the design of the device, increasing the requirements for the manufacture of parts and assemblies and increasing the dimensions of the device.

Claims

ACCELEROMETER, comprising a housing, a pendulum sensing element installed in it, consisting of a pendulum plate with a base ring located between the boards of the capacitive angle sensor, magnetoelectric force sensors and an amplifier, characterized in that, in order to increase the accuracy and stability of the device parameters, it is sensitive the element is installed with a gap on the housing and connected with it through three elastic beam elements rigidly connected to the housing, and the elastic beam elements are located in the same plane, perp dicular axis of sensitivity, at an angle of 120 ^{o to} each other, and their radial stiffness is an order of magnitude less than their axial stiffness and two orders of magnitude less than the stiffness of the sensor board.