RU2485524C2

RU2485524C2 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2485524C2
Application number: RU2010127850/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Курносов; Марина Валерьевна Курносова; Наталья Валерьевна Смирнова
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2013-06-20
Also published as: RU2010127850A

Abstract

FIELD: instrument making industry.

SUBSTANCE: accelerometer comprises a central quartz plate 1 (pendulum) on the elastic suspension 2. On the pendulum the coils 3 of magnetoelectric torque sensor are mounted, and on the fixed part there are magnets 4. The differential capacitive displacement pickup is formed by the inner metal surfaces 5 of the fixed plates and the outer metallised surfaces 6 of the movable quartz plate. The bearing surface of the magnetic circuit 9 coupled with the quartz plate is made of a material with a coefficient of linear expansion (c.l.e.) close to c.l.e. of quartz, for example, from alloy 32NKD (36N), and the inner magnetic circuit 10 is made of a material with a significantly higher saturation induction than the magnetic circuit 9, for example from alloy 50N (27KH).

EFFECT: this arrangement of the magnetic system of the accelerometer enables to extend the limits of the measured linear acceleration while maintaining reliability of the metallised layer sprayed on the fused quartz.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к приборам измерения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при изготовлении маятниковых компенсационных акселерометров, предназначенных для измерения значительных линейных ускорений. Известен маятниковый акселерометр на упругом кварцевом подвесе (1), который состоит из двух металлических пластин и одной, находящейся между ними кварцевой пластины в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычки между диском и кольцевой опорой выполнены также из кварца и являются упругими элементами пружинного подвеса. Акселерометр имеет магнитоэлектрический датчик момента катушки которого расположены на подвижной части (маятнике), а магниты с магнитопроводами расположены на неподвижной части. Дифференциальный емкостной датчик образуется металлизированным напылением на поверхности центральной кварцевой пластины на той плоскости, где закреплены катушки датчика момента. Ответными частями емкостного датчика являются поверхности боковых металлических пластин чувствительного элемента, обращенные к поверхности емкостного датчика на центральной пластине. При этом центр тяжести маятника не совпадает с центром приложения силы датчика момента. При наличии ускорения вдоль измерительной оси акселерометра при работе датчика момента при упомянутом несовпадении появляется изгибающей момент, который передается на упругие перемычки подвеса, в результате чего наступает упругая деформация подвеса, приводящая к изменению величин нулевого сигнала. При больших ускорениях деформация (изгиб) упругого подвеса может привести к тому, что упругий подвес коснется одной из боковых пластин, акселерометр потеряет одну из степеней свободы и погрешность акселерометра резко возрастет.The invention relates to the field of precision instrumentation, in particular to instruments for measuring the parameters of movement of aircraft, and can be used in the manufacture of pendulum compensation accelerometers designed to measure significant linear accelerations. Known pendulum accelerometer on an elastic quartz suspension (1), which consists of two metal plates and one located between them a quartz plate in the form of a disk with an open ring slot. The jumpers between the disk and the ring support are also made of quartz and are elastic elements of the spring suspension. The accelerometer has a magnetoelectric momentum sensor whose coils are located on the moving part (pendulum), and magnets with magnetic circuits are located on the fixed part. The differential capacitive sensor is formed by metallization on the surface of the central quartz plate on the plane where the torque sensor coils are fixed. The response parts of the capacitive sensor are the surfaces of the side metal plates of the sensing element facing the surface of the capacitive sensor on the central plate. In this case, the center of gravity of the pendulum does not coincide with the center of application of the force of the torque sensor. In the presence of acceleration along the measuring axis of the accelerometer during operation of the torque sensor with the mentioned mismatch, a bending moment appears, which is transmitted to the elastic jumpers of the suspension, resulting in elastic deformation of the suspension, leading to a change in the values of the zero signal. At high accelerations, deformation (bending) of the elastic suspension can cause the elastic suspension to touch one of the side plates, the accelerometer will lose one of the degrees of freedom, and the error of the accelerometer will increase sharply.

Известен маятниковый компенсационный акселерометр на упругом подвесе (2), устройство которого аналогично устройству (1). При этом в устройстве (2) маятник выполнен таким образом, что его центр тяжести практически совпадает с центром приложения силы датчика момента (маятник выполнен симметрично относительно горизонтальной оси, параллельной оси упругого подвеса и проходящей через геометрический центр маятника). Такое решение практически исключает (во всяком случае в значительной степени уменьшает) появление изгибающего момента и уменьшает величину нулевого сигнала и его нестабильность. Однако в устройстве (1) и (2) в качестве магнитопровода используется инвар (сплав 36Н) или сплав 32 НКД, коэффициенты линейного расширения (к.л.р.) которых близки к к.л.р. плавленого кварца, из которого изготовлена центральная пластина рассмотренных акселерометров.Known pendulum compensation accelerometer on an elastic suspension (2), the device of which is similar to the device (1). Moreover, in the device (2), the pendulum is made in such a way that its center of gravity practically coincides with the center of application of the force of the moment sensor (the pendulum is symmetrical about the horizontal axis parallel to the axis of the elastic suspension and passing through the geometric center of the pendulum). Such a solution virtually eliminates (in any case, significantly reduces) the appearance of a bending moment and reduces the value of the zero signal and its instability. However, in device (1) and (2), Invar (36N alloy) or NKD alloy 32 is used as the magnetic circuit, the linear expansion coefficients (c.p.) of which are close to c.p. fused quartz, from which the central plate of the considered accelerometers is made.

Из справочников известно, что с точки зрения магнитных свойств сплавы 36Н и 32НКД не являются оптимальными. Так, например, индукция насыщения данных материалов составляет величину (0,47÷0,57) Тл, а поскольку магнитная цепь имеет воздушный зазор, где помещается катушка датчика момента (и, кроме того, для стабилизации свойств магнитной цепи во времени магнит размагничивается на величину 5÷7%), то реальная величина индукции в рабочем зазоре составляет примерно половину от величин индукции насыщения. С другой стороны известно, что магнитное поле постоянного магнита вызывает появление силы F, действующей на катушку с током I, которая равна F=I·l·B, где I - величина тока в катушке датчика момента, l - длина провода катушки, а В - индукция в рабочем зазоре.From reference books it is known that from the point of view of magnetic properties, 36H and 32NKD alloys are not optimal. So, for example, the saturation induction of these materials is (0.47 ÷ 0.57) T, and since the magnetic circuit has an air gap where the torque sensor coil is placed (and, in addition, to stabilize the properties of the magnetic circuit in time, the magnet is demagnetized by 5 ÷ 7%), then the real value of the induction in the working gap is approximately half the value of the saturation induction. On the other hand, it is known that the magnetic field of a permanent magnet causes the appearance of a force F acting on a coil with current I, which is F = I · l · B, where I is the current value in the coil of the torque sensor, l is the length of the coil wire, and B - induction in the working gap.

При использовании акселерометра для измерения больших линейных ускорений требуется создать значительную силу F для парирования инерционной силы маятника, возникающей из-за наличия ускорения, для удержания маятника в среднем положении относительно боковых пластин.When using an accelerometer to measure large linear accelerations, it is necessary to create a significant force F to counter the inertial force of the pendulum, which is due to the presence of acceleration, to keep the pendulum in the middle position relative to the side plates.

Как видно из вышеприведенной формулы, необходимо увеличивать либо l, либо I, либо В. Увеличение длины провода катушек приводит к увеличению массы маятника и увеличению инерционной силы маятника. Расчеты показывают, что выигрыш в величине F оказывается незначительным. Увеличение тока I ограничено из-за возможного перегрева токопроводящего покрытия (его толщина составляет 0,15÷0,3 мкм для обеспечения малой величиной нулевого сигнала) и выхода из строя акселерометра из-за нарушения гальванический связи между выходом усилителя обратной связи (УОС) и катушками датчика момента. Кроме того увеличение тока приводит к увеличению габаритно-массовых характеристик УОС, т.к. на его выход приходится использовать более мощные выходные транзисторы.As can be seen from the above formula, it is necessary to increase either l, or I, or B. An increase in the length of the wire of the coils leads to an increase in the mass of the pendulum and an increase in the inertial force of the pendulum. Calculations show that the gain in the value of F is negligible. The increase in current I is limited due to the possible overheating of the conductive coating (its thickness is 0.15 ÷ 0.3 μm to ensure a small value of the zero signal) and the failure of the accelerometer due to a violation of the galvanic connection between the output of the feedback amplifier (SLA) and torque sensor coils. In addition, an increase in current leads to an increase in the overall mass characteristics of the SLD, since its output has to use more powerful output transistors.

Увеличение В возможно при использовании других сплавов, обладающих большей величиной индукции насыщения магнитопровода, например, 50Н или 27 КХ (индукция насыщения этих материалов составляет величину 1,5 Тл или (1,75÷2,05) Тл - соответственно). Однако прямая замена материала магнитопровода невозможна из-за, того что эти материалы обладают значительными величинами к.л.р. (8,9·10^-6 и (10,7÷13,9)·10^-6), и при сопряжении этих материалов с плавленым кварцем возможно растрескивание последнего (разрушение) при воздействии термоперепадов.An increase in B is possible when using other alloys with a larger magnitude of saturation induction of the magnetic circuit, for example, 50N or 27 KX (the saturation induction of these materials is 1.5 T or (1.75 ÷ 2.05) T, respectively). However, a direct replacement of the material of the magnetic circuit is impossible due to the fact that these materials have significant values of (8.9 · 10 ^-6 and (10.7 ÷ 13.9) · 10 ^-6 ), and when these materials are combined with fused silica, the latter may crack (break) under the influence of thermal drops.

Целью настоящего изобретения является повышение диапазона измеряемых ускорений акселерометром при сохранении его надежностных и габаритно-массовых характеристик. Указанная цель достигается тем, что магнитопровод выполняется по комбинированной конструктивной схеме таким образом, что обеспечивается сопряжение плавленого кварца с материалами, обладающими низким к.л.р., 32 НКД или 36Н, а магнитная цепь состоит из параллельно соединенных материалов 32 НКД (36Н) и 50Н(27КХ).The aim of the present invention is to increase the range of measured accelerations by the accelerometer while maintaining its reliability and overall mass characteristics. This goal is achieved by the fact that the magnetic circuit is carried out according to a combined structural scheme in such a way that fused silica is conjugated with materials having a low CLR, 32 NKD or 36N, and the magnetic circuit consists of 32 NKD (36N) materials connected in parallel and 50H (27KX).

На фиг.1 изображен общий вид акселерометра.Figure 1 shows a General view of the accelerometer.

Акселерометр содержит подвижную пластину (маятник) 1 на упругом подвесе 2. На маятнике закреплены катушки 3, а на неподвижной части магниты 4, образующие датчик момента. Внутренние поверхности 5 неподвижных пластин и наружные поверхности 6 подвижной пластины образуют дифференциальный емкостной датчик положения. Зазор между подвижной и неподвижной боковой пластинами образуется с помощью платиков 7. На одной из внешних боковых пластин закреплен усилитель обратной связи (на фиг.1 не показан). Упругий подвес 2 соединяет маятник с опорными кольцом 8. Магнитопровод выполнен составным. При этом опорная поверхность магнитопровода 9 выполнена из сплава 32 НКД (36Н), а внутренний магнитопровод 10 выполнен из материала 50Щ27КХ). Рабочий зазор магнитной системы 11 расположен между магнитом 4 и внутренним магнитопроводом 10.The accelerometer contains a movable plate (pendulum) 1 on an elastic suspension 2. Coils 3 are fixed on the pendulum, and magnets 4 are mounted on the fixed part, forming a torque sensor. The inner surfaces 5 of the fixed plates and the outer surfaces 6 of the movable plate form a differential capacitive position sensor. The gap between the movable and fixed side plates is formed using platikov 7. A feedback amplifier is mounted on one of the outer side plates (not shown in FIG. 1). An elastic suspension 2 connects the pendulum with the support ring 8. The magnetic circuit is made integral. In this case, the supporting surface of the magnetic circuit 9 is made of alloy 32 NKD (36N), and the inner magnetic circuit 10 is made of material 50 Щ27КХ). The working gap of the magnetic system 11 is located between the magnet 4 and the inner magnetic circuit 10.

Акселерометр работает следующим образом.The accelerometer works as follows.

При действии ускорения вдоль оси Х-Х маятник 1 отклоняется от своего среднего положения. Это отклонение фиксируется дифференциальным емкостным датчиком положения, образованным поверхностями 6 с металлическим напылением с двух сторон, расположенными на маятнике 1, и ответными поверхностями 5, обращенными к маятнику 1 и расположенными на магнитопроводах 9. Сигнал с датчика положения подается на усилитель обратной связи (на фиг.1 не показан), который усиливает и преобразует данный сигнал и подает его в катушки 3. Ток, протекая по катушкам 3, образует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов 4. Возникающая при этом сила компенсирует инерционную силу маятника 1 и последний возвращается в среднее положение. По величине тока, протекающего по катушкам 4, судят о величине ускорения, действующего на акселерометр. Предлагаемое выполнение магнитной системы позволяет существенно увеличить величину индукции магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в рабочем зазоре, где помещается катушка датчика момента. Реализация такого решения позволит существенно расширить пределы измеряемого ускорения при сохранении надежности акселерометра.Under the action of acceleration along the axis XX, the pendulum 1 deviates from its middle position. This deviation is detected by a differential capacitive position sensor formed by metal-coated surfaces 6 on two sides located on the pendulum 1 and response surfaces 5 facing the pendulum 1 and located on the magnetic cores 9. The signal from the position sensor is fed to the feedback amplifier (in FIG. .1 not shown), which amplifies and converts the given signal and delivers it to the coils 3. The current flowing through the coils 3 forms a magnetic field that interacts with the magnetic field of the permanent magnets 4. In Nick at the same time force compensates inertial force pendulum 1 and the latter is returned to the center position. The magnitude of the current flowing through the coils 4, judge the magnitude of the acceleration acting on the accelerometer. The proposed implementation of the magnetic system can significantly increase the magnitude of the induction of the magnetic field created by the permanent magnet in the working gap, where the coil of the torque sensor is placed. The implementation of such a solution will significantly expand the limits of measured acceleration while maintaining the reliability of the accelerometer.

Источник информацииThe source of information

1. Патент США 3702073, кл.73-512, 1972 г. - аналог.1. US patent 3702073, CL 73-512, 1972 - analogue.

2. Патент RU 2046345 С1, 20.10.1995.2. Patent RU 2046345 C1, 10.20.1995.

Claims

An accelerometer comprising a movable part made of fused silica, on which are located coils of a torque sensor, a suspension of the movable part, magnets and magnetic conductors located on the fixed part, and a differential position sensor formed by metal-coated surfaces on both sides located on the movable part and response surfaces facing the movable part and located on the magnetic cores, characterized in that the magnetic cores are made integral, while the part of the magnetic cores that it is filled with fused silica, made of a material with a linear expansion coefficient close to the linear expansion coefficient of fused silica, for example, from 36H or 32NKD alloy, and the part of the magnetic cores that forms together with the permanent magnets the working gap in which the torque sensor coils are placed is made from a material, for example 50N or 27KX, which has a significantly larger saturation induction than 36N or 32NKD alloys.