RU2528103C1

RU2528103C1 - String accelerometer

Info

Publication number: RU2528103C1
Application number: RU2013110880/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Трегубов; Валерий Николаевич Горбунов; Олег Геннадьевич Ваганов; Александр Георгиевич Четчуев; Леонид Ефимович Шахмейстер
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "СПЛАВ"
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.SUBSTANCE: string accelerometer comprises on its base sensitive elements, which include a string fixed by one end on the body and the other one - on a weight placed on an elastic plate bracket, and magnetoelectric drives to maintain self-oscillations of strings. To achieve the technical result, the sensitive element is made in the form of a closed rectangular tuning fork with an internal fixture installed on one of sides of the body on a geometric axis stretching perpendicularly to the string via its middle, besides, each pair of parallel sides of the sensitive element comprises several rigidly fixed sections of materials with different temperature coefficients of linear expansion. At the same time sums of products of their lengths by the temperature coefficient of linear expansion are equal accordingly for the sides along and across the string, and the temperature coefficient of the bracket elasticity modulus is equal to the difference of temperature coefficients of linear expansion of the bracket and the string.EFFECT: invention makes it possible to increase accuracy of measurement of acceleration due to higher quality of a string resonator and reduced temperature error and sensitivity to external and internal mechanical effects at stresses in a string, and also to simplify the structure and requirements to selection of physical and mechanical properties for materials and shape of parts of a power circuit of string tension.4 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для автономного измерения ускорения летательных аппаратов.The invention relates to the field of instrumentation and is intended for autonomous measurement of the acceleration of aircraft.

Известен дифференциальный струнный акселерометр по патенту РФ №2258230, G01P 15/10, опубл. 10.08.2005 г., в котором для повышения точности в силовую цепь струны между корпусом и подвесом введен набор прокладок из разнородных материалов, компенсирующих линейное расширение струны. Но полной компенсации температурного изменения параметров в цепи натяжения струны достичь не удается, что сказывается на точности измерения.The known differential string accelerometer according to the patent of the Russian Federation No. 22528230, G01P 15/10, publ. 08/10/2005, in which, to increase accuracy, a set of gaskets made of dissimilar materials, compensating for the linear expansion of the string, was introduced into the string power circuit between the body and the suspension. But complete compensation for the temperature change in the parameters in the string tension chain cannot be achieved, which affects the measurement accuracy.

Известен струнный акселерометр, выбранный в качестве прототипа, по авт.св. SU №1840379, G01P 15/10, содержащий два чувствительных элемента (ЧЭ), включающих корпус, инерционную массу на упругом консольном закрепленном подвесе и струну, вырезанную из проволоки и закрепленную утолщенными концами на инерционной массе и корпусе через регулировочное устройство. Для уменьшения температурной погрешности подвес, корпус и основные крепящие детали рабочего контура натяжения выполняются из одного материала с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), близким ТКЛР струны. Сложная конфигурация корпуса ЧЭ с пазом, выбранная для уменьшения влияния усилий в месте крепления к основанию на напряжения в струне, а следовательно, на точность измерения ускорения, ухудшает технологичность конструкции. ЧЭ, включенные по дифференциальной схеме, снабжены устройством поддержания автоколебаний струны и выделения разностной частоты. Недостатком прототипа является сложность конструкции акселерометра, а также влияние на точность измерения окружающей температуры и внешних механических воздействий, передающих напряжения струне через места крепления.Known string accelerometer, selected as a prototype, according to ed. SU No. 1840379, G01P 15/10, containing two sensing elements (SE), including a housing, an inertial mass on an elastic cantilever fixed suspension and a string cut from a wire and fixed with thickened ends on an inertial mass and the housing through an adjusting device. To reduce the temperature error, the suspension, the housing and the main fastening parts of the working tension loop are made of the same material with a temperature coefficient of linear expansion (TEC) close to the TEC string. The complicated configuration of the SE housing with a groove, chosen to reduce the influence of efforts at the attachment point to the base on the stresses in the string, and therefore on the accuracy of acceleration measurement, worsens the manufacturability of the structure. The SEs included in the differential circuit are equipped with a device for maintaining self-oscillations of the string and the allocation of the differential frequency. The disadvantage of the prototype is the complexity of the design of the accelerometer, as well as the effect on the accuracy of the measurement of ambient temperature and external mechanical stresses that transmit voltage to the string through the attachment points.

Задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения за счет увеличения добротности струнного резонатора и снижения температурной погрешности и чувствительности к внешним и внутренним механическим воздействиям на напряжения в струне, а также упрощение конструкции и требований к выбору физико-механических свойств к материалам и форме деталей силовой цепи натяжения струны.The objective of the invention is to increase the accuracy of measuring acceleration by increasing the quality factor of the string resonator and reducing temperature error and sensitivity to external and internal mechanical stresses on the voltage in the string, as well as simplifying the design and requirements for the selection of physical and mechanical properties for materials and the shape of parts of the tension power circuit strings.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном струнном акселерометре, содержащем на основании чувствительные элементы, включающие струну, закрепленную одним концом на корпусе, другим на грузе, размещенном на упругом пластинчатом подвесе, и магнитоэлектрические приводы для поддержания автоколебаний струн, особенность заключается в том, что чувствительный элемент выполнен в виде замкнутого прямоугольного камертона с внутренним креплением, расположенным на одной из сторон корпуса на геометрической оси, проходящей перпендикулярно струне через ее середину, причем каждая пара параллельных сторон чувствительного элемента состоит из нескольких жестко скрепленных участков из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения, при этом суммы произведений их длин на температурный коэффициент линейного расширения равны соответственно для сторон вдоль и поперек струны, а температурный коэффициент модуля упругости подвеса равен разности температурных коэффициентов линейного расширения подвеса и струны.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known string accelerometer, containing on the basis of sensitive elements, including a string fixed at one end to the body, the other on a load placed on an elastic plate suspension, and magnetoelectric drives to maintain self-oscillations of the strings, the feature is in that the sensing element is made in the form of a closed rectangular tuning fork with an internal mount located on one side of the housing on a metric axis extending perpendicular to the string through its middle, each pair of parallel sides of the sensing element consisting of several rigidly bonded sections of materials with different temperature coefficients of linear expansion, while the sums of the products of their lengths and the temperature coefficient of linear expansion are equal respectively for the sides along and across strings, and the temperature coefficient of the elastic modulus of the suspension is equal to the difference of the temperature coefficients of the linear expansion of the suspension and us.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид струнного акселерометра (штрихпунктирной линией изображена геометрическая ось), на фиг.2 - вариант расположения внутреннего крепления ЧЭ к основанию, на фиг.3 представлена схематично силовая цепь крепления струны (пунктиром - направление колебания струны), а на фиг.4 - схематично температурный контур натяжения струны.The essence of the invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a general view of a string accelerometer (a dotted line shows a geometrical axis), Fig. 2 shows an arrangement of the internal mounting of the CE to the base, Fig. 3 shows a schematic diagram of the power circuit of the string mounting (dashed - the direction of oscillation of the string), and in Fig.4 - schematically the temperature profile of the tension of the string.

Струнный акселерометр состоит из основания 1 (фиг.1) с закрепленными на нем двумя ЧЭ (фиг.2) с помощью крепежного винта 2. Один струнный ЧЭ располагается на основании 1 таким образом, что при действии ускорения струна 3 растягивается грузом 4, а другой (на фиг.1 не показан) повернут на 180° и груз 4 уменьшает растяжение струны 3. При этом частота первого ЧЭ увеличивается, а второго уменьшается. Разностная частота изменяется линейно с действующим на акселерометр ускорением. Струна 3, выполненная из высокопрочной проволоки прямоугольного сечения, располагается в поле постоянного магнита (на фиг.1 не показана), и колебания возбуждаются с помощью магнитоэлектрического привода 5. ЧЭ содержит упругий подвес 6 с грузом 4, струну 3 и Г-образный корпус 7, выполненный наборным из разнородных материалов с изоляционными прокладками 8 и 9 на концах. Струна 3 закрепляется одним концом на Г-образном корпусе 7, другим с грузом 4 с помощью винтов 10 и 11 и сварки. Упругий подвес 6 в виде предварительно изогнутой консоли также жестко скреплен с Г-образным корпусом 7 клеем и винтами 12, а с грузом 4 -сваркой. Чувствительный элемент выполнен в форме замкнутого прямоугольного камертона, каждая сторона которого состоит из участков, жестко скрепленных между собой с разными длинами и ТКЛР. При начальном натяжении силой F₀ струны 3 подвесом 6 он распрямляется и становится параллельным стороне Г-образного корпуса 7, а струна 3 параллельна другой стороне. Крепление ЧЭ к основанию 1 осуществляется за выступ, расположенный на Г-образном корпусе 7 внутри силовой цепи натяжения струны 3 (фиг.3), что эквивалентно внутреннему креплению О-образного камертона. Причем точка О крепления расположена на геометрической оси, проходящей через середину струны 3 перпендикулярно ей. Такое крепление в точке О исключает передачу на основание 1 реакций в заделке струны 3 - точки А и В, от изгибающего момента, так как M_a=М_в, и вертикальных сил, R_a=R_в. Не скомпенсированными остаются реакции N_a=N_в, а в заделке N₀=N_a+N_в, которая передается основанию 1. Струна 3 колеблется с амплитудой (на фиг.3 показано пунктиром), определяемой добротностью системы и вносимой энергией от привода 5. Благодаря взаимной компенсации сил R_a и R_в и моментов М_а и М_в в точке О крепления ЧЭ удается повысить добротность колеблющейся струны 3 до 4000. Также частично компенсируется в точке О напряжение от крепления струны 3 в заделках и уменьшается влияние внешних механических нагрузок в месте крепления ЧЭ на напряжения в струне 3. Для исключения влияния температуры на натяжение струны 3 необходимо, чтобы каждая сторона аb и bc прямоугольного контура натяжения струны 3 (фиг.4) перемещалась параллельно двум другим сторонам, соответственно cd и da, тогда начальный прогиб подвеса 6 длиной l₄ не изменится, а струна 3 длиной l₁ не изменится по длине. Необходимо подобрать, таким образом, длину l_i участков и их материалов с ТКЛР α_i, чтобы у каждой пары сторон ЧЭ вдоль и поперек струны 3 суммы произведений длин участков на их ТКЛР были равны, т.е.The string accelerometer consists of a base 1 (FIG. 1) with two CEs fixed on it (FIG. 2) using a fixing screw 2. One string CE is located on the base 1 so that, under the action of acceleration, the string 3 is stretched by the weight 4, and the other (not shown in FIG. 1) is rotated 180 ° and the load 4 reduces the stretching of the string 3. In this case, the frequency of the first SE increases and the second decreases. The difference frequency varies linearly with the acceleration acting on the accelerometer. The string 3, made of high-strength rectangular wire, is located in the field of a permanent magnet (not shown in Fig. 1), and the vibrations are excited using a magnetoelectric drive 5. The SE contains an elastic suspension 6 with a load of 4, a string of 3 and an L-shaped body 7 made by typesetting from dissimilar materials with insulating gaskets 8 and 9 at the ends. The string 3 is fixed at one end to the L-shaped body 7, the other with the load 4 using screws 10 and 11 and welding. The elastic suspension 6 in the form of a pre-curved console is also rigidly fastened to the L-shaped body 7 with glue and screws 12, and with a load 4 - welding. The sensitive element is made in the form of a closed rectangular tuning fork, each side of which consists of sections that are rigidly fastened together with different lengths and TECL. When the initial tension by force F _{0 of the} string 3 by the suspension 6, it straightens and becomes parallel to the side of the L-shaped housing 7, and the string 3 is parallel to the other side. The CE is fixed to the base 1 by the protrusion located on the L-shaped housing 7 inside the power chain of the tension of the string 3 (Fig. 3), which is equivalent to the internal fastening of the O-shaped tuning fork. Moreover, the attachment point O is located on the geometric axis passing through the middle of the string 3 perpendicular to it. Such a fastening at point O eliminates the transfer to the base 1 of reactions in the termination of string 3 — points A and B, from the bending moment, since M _a = M _in , and vertical forces, R _a = R _in . Not compensated remain reaction N _a = N _a, and sealing of N = ₀ N _a + N _in which is transmitted the base 1. The string 3 fluctuates with the amplitude (shown in phantom in Figure 3) defined by the Q of the system and the energy introduced from the actuator 5 Due to the mutual compensation of the forces R _a and R _in and the moments M _a and M _at the point O of the CE fastening, it is possible to increase the quality factor of the vibrating string 3 to 4000. The voltage from the fastening of the string 3 in the terminations is also partially compensated and the influence of external mechanical loads is reduced in the place of attachment of the voltage element to the voltage Troon 3. To eliminate the influence of temperature on the tension of the string 3 is necessary that each side ab and bc of the rectangular contour of the tension string 3 (Figure 4) is moved parallel to the other two sides, respectively, cd and da, then the initial deflection of the suspension 6, the length l ₄ is not changed and string 3 of length l ₁ does not change in length. Thus, it is necessary to choose the length l _{i of the} sections and their materials with TECL α _i so that for each pair of sides of the CE along and across the string 3, the sums of the products of the lengths of the sections on their TEC are equal, i.e.

l₁α₁+l₂α₂=l₅α₅+1₆α₆ и l₃α₃+l₄α₄=l₇α₇+l₈α₈.l ₁ α ₁ + l ₂ α ₂ = l ₅ α ₅ +1 ₆ α ₆ and l ₃ α ₃ + l ₄ α ₄ = l ₇ α ₇ + l ₈ α ₈ .

Возможно для обеспечения одинаковых температурных изменений менять не только l_i и α_i участков, но и их количество и местоположение, например, исключить l₈ или добавить к l₅ дополнительный участок с определенной длиной и ТКЛР, сохраняя длину сторон ЧЭ.It is possible to ensure the same temperature changes not only to change the l _i and α _i sections, but also their number and location, for example, to exclude l ₈ or add an additional section with a certain length and LTEC to l ₅ , preserving the length of the sides of the SE.

Такой подбор материалов прямоугольного контура ЧЭ уменьшает температурную чувствительность от изменения прогиба подвеса 6 и длины струны 3. Для полного исключения температурного изменения частоты струны 3 необходимо обеспечить компенсацию изменения упругих свойств подвеса 6 (модуля упругости) соответствующим изменением геометрических размеров подвеса 6 и струны 3. Известно, что частота f колебаний струны 3, натянутой подвесом 6 начальной силой F₀ (см., например, книгу под ред. Осадчего Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин, М., Машиностроение, 1979, стр.286.), определяется выражением:This selection of materials of the rectangular contour of the CE reduces the temperature sensitivity from changes in the deflection of the suspension 6 and the length of the string 3. To completely eliminate the temperature change in the frequency of the string 3, it is necessary to compensate for changes in the elastic properties of the suspension 6 (elastic modulus) by a corresponding change in the geometric dimensions of the suspension 6 and string 3. It is known that the oscillation frequency f of the string 3, tensioned by the suspension 6 with the initial force F ₀ (see, for example, the book under the editorship of Osadchy EP, Design of sensors for measuring mechanical quantities, M., Mechanical Engineering, 1979, p. 286.), is determined by the expression:

где m₁ и l₁ - масса и длина струны.where m ₁ and l ₁ - mass and length of the string.

Для плоского консольно-закрепленного подвеса 6 с шириной D₄, толщиной h₄ и длиной l₄ с начальным прогибом y₄ выражение (1) может быть преобразованоFor a flat cantilever-mounted suspension 6 with a width of D ₄ , a thickness of h ₄ and a length of l ₄ with an initial deflection of y _4, expression (1) can be transformed

где E₄ - модуль упругости подвеса.where E ₄ is the elastic modulus of the suspension.

Масса m₁ струны 3 не зависит от температуры, а прогиб y₄ подвеса 6 не изменяется, если подобраны длины и ТКЛР участков в сторонах прямоугольного контура ЧЭ (фиг.4). Изменения от температуры толщины h₄ подвеса 6 и его длины l₄ взаимно компенсируют друг друга. Относительное изменение частоты Δf/f от температуры будет равно нулю, если разность ТКЛР материалов подвеса 6 и струны 3 будет равна ТКМУ Y₄ подвеса 6, т.е. α₄-α₁=Y₄. Таким требованиям может удовлетворить подвес 6 из дисперсионно-твердеющих сплавов, у которых Y лежит в пределах (0…15)·10^-6 ¹/град., и за счет выбора термообработки возможно получить в этом диапазоне требуемый ТКМУ. Так, для сплава 42НХТЮ, имеющего высокие упругие свойства, α=9,5·10^-6 ¹/град., a Y=3·40^-6 1/град. Если струну 3 изготавливать из высокопрочного молибденового сплава, у которого α=6,5-10^-6 ¹/град., то условие полной компенсации струнного ЧЭ будет выполнено. Именно благодаря простоте конструкции и широкому выбору материалов с заданными физико-механическими свойствами удается обеспечить минимальную погрешность акселерометра от температуры.The mass m _{1 of the} string 3 does not depend on temperature, and the deflection y _{4 of the} suspension 6 does not change if the lengths and LTEC of the sections on the sides of the rectangular contour of the SE are selected (Fig. 4). Changes in temperature of the thickness h _{4 of the} suspension 6 and its length l ₄ cancel each other out. The relative change in the frequency Δf / f from the temperature will be zero if the TEC difference of the materials of the suspension 6 and the string 3 is equal to the TCMU Y _{4 of the} suspension 6, i.e. α ₄ -α ₁ = Y ₄ . Suspension 6 from dispersion hardening alloys, in which Y lies in the range (0 ... 15) · 10 ^-6 ¹ / deg., Can satisfy such requirements, and due to the choice of heat treatment it is possible to obtain the required TCMU in this range. So, for alloy 42NHTU having high elastic properties, α = 9.5 · 10 ^-6 ¹ / deg., And Y = 3 · 40 ^-6 1 / deg. If string 3 is made of a high-strength molybdenum alloy with α = 6.5-10 ^-6 ¹ / deg., Then the condition for complete compensation of the string SE will be fulfilled. It is thanks to the simplicity of design and a wide selection of materials with specified physical and mechanical properties that the minimum accelerometer error in temperature can be ensured.

Струнный акселерометр работает следующим образом.String accelerometer works as follows.

При подаче напряжения на магнитоэлектрический привод 5 по струне 3 протекает электрический ток, от взаимодействия с полем постоянного магнита возникает сила, толкающая струну 3. Начинаются автоколебания на собственной частоте струны 3. Чем выше добротность системы, тем больше амплитуда колебаний струны 3 и стабильней частота в условиях помех, а следовательно, и точность акселерометра. При действии ускорения а=ng (n - перегрузка, a g - ускорение свободного падения) вдоль оси чувствительности акселерометра груз 4 на одном ЧЭ растягивает струну 3 и ее частота f₁ увеличивается. На втором ЧЭ частота f₂ уменьшается, так как растягивающая сила подвеса 6 уменьшается на величину m_Гng (m_Г - масса груза). Разность частот f₁-f₂ пропорциональна величине ускорения. Интегрируя частоту, можно определить скорость летательного аппарата за определенный промежуток времени и провести коррекцию траектории.When voltage is applied to the magnetoelectric drive 5, an electric current flows through the string 3, a force pushing the string 3 arises from the interaction with the permanent magnet field. Self-oscillations begin at the natural frequency of the string 3. The higher the quality factor of the system, the greater the amplitude of the vibrations of string 3 and the more stable the frequency in interference conditions, and therefore the accuracy of the accelerometer. Under the action of acceleration a = ng (n is the overload, ag is the acceleration of gravity) along the sensitivity axis of the accelerometer, the load 4 on one SE stretches the string 3 and its frequency f ₁ increases. At the second SE, the frequency f ₂ decreases, since the tensile force of the suspension 6 decreases by the value of m _G ng (m _G is the mass of the load). The frequency difference f ₁ -f _{2 is} proportional to the magnitude of the acceleration. By integrating the frequency, you can determine the speed of the aircraft for a certain period of time and carry out the correction of the trajectory.

Благодаря предложенной конструкции струнного ЧЭ удалось повысить помехоустойчивость струнного акселерометра, обеспечив его работоспособность при температуре ±50°C и в широком диапазоне механических воздействий, а также упростить конструкцию струнного акселерометра и повысить его технологичность.Thanks to the proposed design of the string CE, it was possible to increase the noise immunity of the string accelerometer, ensuring its operability at a temperature of ± 50 ° C and in a wide range of mechanical influences, as well as simplify the design of the string accelerometer and increase its manufacturability.

Claims

A string accelerometer, containing on the basis of sensitive elements, including a string fixed at one end to the housing, the other on a load placed on an elastic plate suspension, and magnetoelectric drives for supporting self-oscillations of strings, characterized in that the sensitive element is made in the form of a closed rectangular tuning fork with an internal a fastener located on one side of the body on a geometric axis passing perpendicular to the string through its middle, each pair of parallel sides a sensitive element consists of several rigidly bonded sections of materials with different temperature coefficients of linear expansion, while the sum of the products of their lengths and the temperature coefficient of linear expansion are equal for the sides along and across the string, respectively, and the temperature coefficient of the elastic modulus of the suspension is equal to the difference in temperature coefficients of linear expansion of the suspension and strings.