RU2559154C2 - Compensation-type pendulum accelerometer - Google Patents
Compensation-type pendulum accelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2559154C2 RU2559154C2 RU2013143417/28A RU2013143417A RU2559154C2 RU 2559154 C2 RU2559154 C2 RU 2559154C2 RU 2013143417/28 A RU2013143417/28 A RU 2013143417/28A RU 2013143417 A RU2013143417 A RU 2013143417A RU 2559154 C2 RU2559154 C2 RU 2559154C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- housing
- mce
- suspension
- coils
- torque sensor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Level Indicators Using A Float (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения линейных ускорений - к компенсационным маятниковым акселерометрам (КМА), в которых реагирующий на ускорение маятниковый чувствительный элемент удерживается в нейтральном положении системой отрицательной обратной связи.The invention relates to measuring equipment, and in particular to linear acceleration measuring instruments, to compensating pendulum accelerometers (KMA), in which a pendulum sensing element responsive to acceleration is held in a neutral position by a negative feedback system.
Из уровня техники широко известны различные типы акселерометров, которые различаются как по принципу действия, так и по точностным и массогабаритным характеристикам. Наиболее высокими характеристиками обладают гироскопические и маятниковые акселерометры.Various types of accelerometers are widely known from the prior art, which differ both in the principle of operation and in the accuracy and weight and size characteristics. Gyroscopic and pendulum accelerometers have the highest characteristics.
Например, в патентах "Honeywell", "Litton" описаны гироскопические акселерометры, высокая точность которых объясняется использованием гироскопического эффекта при выбранной величине кинетического момента. В патенте RU 2097701 описан один из вариантов реализации такого акселерометра. Вышеперечисленные акселерометры помимо достоинств, связанных с высокой точностью, имеют и ряд недостатков, связанных со сложностью конструктивного решения, большим весом, габаритами и потребляемой энергией.For example, in the patents "Honeywell", "Litton" gyroscopic accelerometers are described, the high accuracy of which is explained by the use of the gyroscopic effect at the selected value of the kinetic moment. Patent RU 2097701 describes one embodiment of such an accelerometer. The above-mentioned accelerometers, in addition to the advantages associated with high accuracy, also have a number of disadvantages associated with the complexity of the design solution, the large weight, dimensions and energy consumption.
Среди маятниковых акселерометров, обладающих высокими точностными характеристиками, можно отметить акселерометры, использующие в качестве подвеса подвижной части магнитный и упругий подвесы, которые обладают, по сравнению с другими типами подвесов, существенным преимуществом, а именно отсутствием сухого трения, ограничивающего порог чувствительности акселерометра.Among the pendulum accelerometers with high accuracy characteristics, it is possible to note accelerometers that use magnetic and elastic suspensions as a suspension of the moving part, which have, in comparison with other types of suspensions, a significant advantage, namely the absence of dry friction that limits the sensitivity threshold of the accelerometer.
Однако акселерометры с магнитным подвесом обладают значительными габаритами и весом, поэтому создание малогабаритного, точного и технологически простого акселерометра невозможно с применением такого подвеса.However, accelerometers with a magnetic suspension have significant dimensions and weight, so the creation of a compact, accurate and technologically simple accelerometer is impossible with such a suspension.
Создание малогабаритного акселерометра возможно только на упругом подвесе, поскольку такой подвес не потребляет энергии, имеет малые вес и габариты. Кроме того, он не имеет сухого трения, но обладает значительной величиной упругого момента, который является основной причиной нестабильности аддитивной составляющей погрешности акселерометра.The creation of a small accelerometer is possible only on an elastic suspension, since such a suspension does not consume energy, has a small weight and dimensions. In addition, it does not have dry friction, but it has a significant elastic moment, which is the main cause of the instability of the additive component of the error of the accelerometer.
Одним из близких зарубежных аналогов является маятниковый компенсационный акселерометр типа "Q-flex" [патент US 3702073 (1972 г. )], где используется кварцевый подвес подвижной части. За отечественный аналог устройства такого типа может быть взят акселерометр, описанный в одном из патентов [RU 2307359 (2006 г. )]. Чувствительный элемент прибора включает в себя упругий подвес, на котором закреплен маятник с катушками датчика момента. Постоянные магниты с полюсными наконечниками крепятся к магнитопроводу. Внутренняя поверхность неподвижных пластин и наружные поверхности подвижной пластины служат емкостным датчиком положения. Маятник представляет собой кварцевую пластину в форме диска с незамкнутой кольцевой прорезью. Перемычка между диском и кольцевой опорой является упругим элементом системы подвеса. На поверхности диска напылением в вакууме наносятся пленочные поверхности дифференциального емкостного датчика угла и установлены катушки магнитоэлектрического датчика момента (МДМ). Недостатком является сложность изготовления подвеса из плавленого кварца, требующего специального производства. Кроме того, использование емкостного датчика угла обуславливает высокие требования к технологии изготовления акселерометра (сложность сборки, регулировки, высокая чистота помещений и т.д.). Это вызвано тем, что для обеспечения достаточной крутизны характеристики емкостного датчика угла необходимо обеспечить малые зазоры между его подвижной и неподвижной пластинами (порядка 20 мкм).One of the close foreign analogues is the pendulum compensation accelerometer of the Q-flex type [patent US 3702073 (1972)], where a quartz suspension of the moving part is used. An accelerometer described in one of the patents [RU 2307359 (2006)] can be taken as a domestic analogue of a device of this type. The sensitive element of the device includes an elastic suspension, on which a pendulum is fixed with the coils of the torque sensor. Permanent magnets with pole tips are attached to the magnetic circuit. The inner surface of the fixed plates and the outer surfaces of the movable plate serve as a capacitive position sensor. The pendulum is a quartz plate in the form of a disk with an open annular slot. The jumper between the disk and the ring support is an elastic element of the suspension system. On the surface of the disk by vacuum deposition, the film surfaces of the differential capacitive angle sensor are applied and the coils of the magnetoelectric moment sensor (MDM) are installed. The disadvantage is the difficulty of manufacturing a suspension of fused quartz, which requires special production. In addition, the use of a capacitive angle sensor determines the high requirements for the manufacturing technology of the accelerometer (complexity of assembly, adjustment, high cleanliness of the premises, etc.). This is because in order to ensure sufficient steepness of the capacitive angle sensor, it is necessary to provide small gaps between its movable and fixed plates (of the order of 20 μm).
Известен способ вывешивания подвижной части приборов различного назначения на металлических растяжках [Б.А. Асс, Н.М. Жукова, Детали и узлы авиационных приборов и их расчет, ОБОРОНГИЗ, Москва 1960, с. 285-288)]. Растяжка представляет собой тонкую пружину круглого или плоского сечения, растянутую в корпусе прибора. На растяжке закреплена подвижная часть, которая имеет степень свободы по углу поворота вокруг оси растяжки. Осевая и радиальная жесткость подвеса обеспечиваются усилием натяга растяжки. Акселерометры с таким подвесом обладают несомненными преимуществами по сравнению с акселерометром типа "Q-flex". Одним из преимуществ является возможность обеспечить достаточную прочность и жесткость подвеса при меньших упругих моментах. Соответственно, обеспечивается высокая точность и малый порог чувствительности (K-7 g) - на 2 порядка меньше, чем у акселерометров на кварцевом подвесе. К недостаткам такого подвеса стоит отнести сложность конструирования подвижной части с малой массой с целью обеспечить радиальную жесткость и прочность подвеса в условиях линейных, ударных и вибрационных перегрузок. Именно поэтому упругий подвес на растяжках нашел успешное применение в жидкостных приборах, где необходимый диапазон измеряемых ускорений, ударовиброустойчивость и надежность обеспечиваются заполнением объема прибора кремнийорганической жидкостью. Жидкость обеспечивает компенсацию веса подвижной части и необходимое демпфирование угловых и линейных перемещений. Это приводит к усложнению технологии изготовления, увеличению габаритов за счет сильфона и взвешивающих поплавков и к температурному ограничению использования в области низких температур.A known method of hanging the movable part of devices for various purposes on metal extensions [B.A. Ass, N.M. Zhukova, Details and components of aircraft devices and their calculation, OBORONGIZ, Moscow 1960, p. 285-288)]. Stretching is a thin spring of round or flat section, stretched in the device body. A movable part is fixed to the extension, which has a degree of freedom in the angle of rotation around the axis of the extension. The axial and radial stiffness of the suspension are provided by the tensile interference force. Accelerometers with such a suspension have undoubted advantages in comparison with the accelerometer of the Q-flex type. One of the advantages is the ability to provide sufficient strength and stiffness of the suspension at lower elastic moments. Accordingly, it provides high accuracy and a small sensitivity threshold (K -7 g) - 2 orders of magnitude less than that of accelerometers on a quartz suspension. The disadvantages of such a suspension include the difficulty of designing a moving part with a small mass in order to ensure radial rigidity and strength of the suspension in conditions of linear, shock and vibration overloads. That is why the elastic suspension on stretch marks has been successfully used in liquid devices, where the necessary range of measured accelerations, shock and vibration resistance and reliability are ensured by filling the volume of the device with organosilicon liquid. The liquid provides compensation for the weight of the moving part and the necessary damping of angular and linear movements. This leads to a complication of manufacturing technology, an increase in size due to the bellows and weighing floats and to a temperature limit of use in the low-temperature region.
Известно также, что в конструкции некоторых акселерометров источником дополнительных погрешностей являются токоподводы, а их наличие увеличивает вес и габариты, ухудшает технологичность прибора. У малогабаритных акселерометров, имеющих малый неуравновешенный момент, относительный вес погрешностей за счет уводящих моментов токоподводов возрастает. В ряде акселерометров на кварцевом подвесе подвод питания к катушкам датчика момента и к подвижной пластине емкостного датчика положения осуществляется с помощью напыления на упругие перемычки тонкого слоя золота. Такое конструктивное решение позволяет отказаться от токоподводов, но требует весьма высокой культуры производства и искажает свойства упругого элемента, не исключая появления уводящих моментов. Применение металлических растяжек с малым удельным электрическим сопротивлением позволяет использовать их в качестве токоподводов к обмоткам датчика момента без ухудшения упругих характеристик подвеса и, таким образом, уменьшить погрешности прибора.It is also known that in the design of some accelerometers, current leads are a source of additional errors, and their presence increases the weight and dimensions, worsens the manufacturability of the device. In small-sized accelerometers having a small unbalanced moment, the relative weight of errors due to the leading moments of current leads increases. In a number of accelerometers on a quartz suspension, power is supplied to the coils of the torque sensor and to the movable plate of the capacitive position sensor by spraying a thin layer of gold onto the elastic jumpers. Such a constructive solution allows us to abandon current leads, but it requires a very high production culture and distorts the properties of the elastic element, not excluding the appearance of leading moments. The use of metal stretch marks with a low electrical resistivity allows them to be used as current leads to the windings of the torque sensor without impairing the elastic characteristics of the suspension and, thus, reduce the errors of the device.
В качестве элемента, регистрирующего перемещения подвижной части, в акселерометрах находят применение фотоэлектрические датчики угла. Аналог рассматриваемого акселерометра на упругом подвесе с применением фотоэлектрического датчика угла описывается в одном из отечественных изобретений [а.с. СССР №901915 (1980 г. )].As an element that registers the movements of the moving part, photoelectric angle sensors are used in accelerometers. An analogue of the accelerometer under consideration on an elastic suspension using a photoelectric angle sensor is described in one of the domestic inventions [a.s. USSR No. 901915 (1980)].
Применение фотоэлектрического датчика угла позволяет снять жесткие ограничения по зазорам, необходимые для емкостного датчика. Вместо требуемых в емкостном датчике зазоров в 20 мкм в фотоэлектрическом датчике зазоры могут достигать 1000 мкм, что резко повышает технологичность акселерометра и не требует специальных помещений для его производства. Зазоры в датчике момента составляют 400-500 мкм.The use of a photoelectric angle sensor makes it possible to remove the tight gaps necessary for a capacitive sensor. Instead of the gaps required in the capacitive sensor of 20 μm in the photoelectric sensor, the gaps can reach 1000 μm, which sharply increases the adaptability of the accelerometer and does not require special facilities for its production. The gaps in the torque sensor are 400-500 microns.
За прототип предлагаемого малогабаритного акселерометра был принят прибор [патент RU 2291450 (2005 г. )], где раскрыто устройство акселерометра на упругом кремниевом подвесе. Данный акселерометр содержит корпус, в котором размещены: маятниковый пластинчатый чувствительный элемент (МЧЭ); упругий подвес МЧЭ из монокристаллического кремния, упругие элементы которого работают на кручение; дифференциальный МДМ плунжерного типа в составе двух магнитных систем, каждая из которых закреплена в корпусе и содержит магнитопровод, постоянный магнит, полюсный наконечник, и двух катушек, закрепленных на МЧЭ, каждая из которых расположена в зазоре соответствующей магнитной системы; датчик угла перемещения МЧЭ емкостного типа; гибкие токоподводы, соединяющие выход усилителя обратной связи с катушками датчика момента; компенсационный усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, а выход - с катушками датчика момента.The device [patent RU 2291450 (2005)] was adopted for the prototype of the proposed small-sized accelerometer, where the device of the accelerometer on an elastic silicon suspension is disclosed. This accelerometer contains a housing in which are placed: a pendulum plate sensing element (MEC); elastic suspension of MCE from single-crystal silicon, the elastic elements of which work on torsion; differential MDM of the plunger type consisting of two magnetic systems, each of which is fixed in the housing and contains a magnetic circuit, a permanent magnet, a pole tip, and two coils mounted on the MCE, each of which is located in the gap of the corresponding magnetic system; MCHE sensor for capacitive type; flexible current leads connecting the output of the feedback amplifier with the coils of the torque sensor; compensation amplifier, the input of which is connected to the output of the angle sensor, and the output to the coils of the torque sensor.
МЧЭ и упругий подвес выполнены из одной заготовки монокристаллического кремния. На внутренней поверхности неподвижных пластин и на наружных поверхностях подвижной пластины нанесены металлизированные пленки, которые служат обкладками емкостного датчика положения. Преимуществом этого акселерометра, по сравнению с кварцевым, является большая технологичность производства в силу отсутствия специального производства подвеса, так как заготовки из кремния широко используются в электронной промышленности.The MCE and the elastic suspension are made of a single billet of single-crystal silicon. Metallized films are applied on the inner surface of the fixed plates and on the outer surfaces of the movable plate, which serve as plates of a capacitive position sensor. The advantage of this accelerometer, compared with quartz, is its high technological effectiveness due to the lack of special suspension production, since silicon blanks are widely used in the electronic industry.
Однако недостаток, связанный с малыми зазорами емкостного датчика угла, остается. Кроме того, кремниевый подвес является достаточно хрупким элементом и для надежной работы он должен обладать значительной толщиной, что обуславливает уменьшение точности с увеличением порога чувствительности до 10-5g, а следовательно, уменьшается динамический диапазон измеряемых ускорений. Также сложно обеспечить стабильность толщины подвеса и соответственно его жесткости, что приводит к нестабильности смещения нуля и существенно снижает точность прибора в целом.However, the disadvantage associated with the small gaps of the capacitive angle sensor remains. In addition, the silicon suspension is a fairly fragile element and for reliable operation it must have a significant thickness, which leads to a decrease in accuracy with an increase in the sensitivity threshold to 10 -5 g, and therefore, the dynamic range of the measured accelerations decreases. It is also difficult to ensure the stability of the thickness of the suspension and, accordingly, its rigidity, which leads to instability of the zero offset and significantly reduces the accuracy of the device as a whole.
Задачей настоящего изобретения является создание малогабаритного КМА, конструктивное выполнение которого позволит повысить технологичность изготовления, увеличить динамический диапазон измерения, а также обеспечить малую величину и высокую стабильность смещения нуля прибора, малый порог чувствительности и, при этом, обеспечить надежность в условиях механических воздействий.The objective of the present invention is the creation of a small-sized KMA, the constructive implementation of which will improve the manufacturability, increase the dynamic range of measurement, as well as provide a small value and high stability of the zero offset of the device, a small threshold of sensitivity and, at the same time, ensure reliability under mechanical stress.
Технический результат достигается тем, что в КМА на упругом подвесе, содержащем корпус, в котором размещены: подвижная часть - МЧЭ, содержащий узлы крепления упругого подвеса; модулятор светового потока светодиода датчика угла и изоляторы для монтажа выводных концов катушек датчика момента и концов растяжек упругого подвеса; упругий подвес, посредством которого МЧЭ связан с корпусом; датчик угла; дифференциальный МДМ плунжерного типа, содержащий две магнитные системы, соосно размещенные по обе стороны от МЧЭ, каждая из которых закреплена в корпусе и содержит магнитопровод, постоянный магнит, полюсный наконечник и две катушки, закрепленные на МЧЭ, каждая из которых расположена в зазоре соответствующей магнитной системы; компенсационный усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, а выход через растяжки-токоподводы соединен с катушками датчика момента, согласно изобретению применены: фотоэлектрический датчик угла перемещения МЧЭ, применение которого позволяет снять жесткие ограничения по зазорам между подвижной частью и неподвижными элементами конструкции и, таким образом, значительно повысить технологичность акселерометра; упругий подвес, состоящий из двух соосно расположенных растяжек с прямоугольным сечением, закрепленных в МЧЭ и в корпусе, и устройства для выставки и крепления растяжек, причем растяжки установлены так, чтобы их большая сторона сечения была параллельна продольной оси катушек датчика момента. Растяжки одновременно являются токоподводами к выводам катушек датчика момента и не вносят дополнительных упругих связей МЧЭ и корпуса, не ухудшая механических свойств подвеса.The technical result is achieved by the fact that in the KMA on an elastic suspension containing a housing in which are located: the movable part - MCE containing the attachment points of the elastic suspension; an angle sensor LED light modulator and insulators for mounting the lead ends of the moment sensor coils and the ends of elastic suspension extensions; elastic suspension, through which the MCE is connected with the housing; angle sensor; differential MDM of the plunger type, containing two magnetic systems coaxially placed on both sides of the MCE, each of which is fixed in the housing and contains a magnetic circuit, a permanent magnet, a pole tip and two coils mounted on the MEC, each of which is located in the gap of the corresponding magnetic system ; a compensation amplifier, the input of which is connected to the output of the angle sensor, and the output through braces-current leads connected to the coils of the torque sensor, according to the invention are applied: photoelectric sensor of the angle of movement of the MCE, the use of which allows you to remove severe restrictions on the gaps between the moving part and the stationary structural elements and, Thus, significantly increase the adaptability of the accelerometer; an elastic suspension consisting of two coaxially arranged extensions with a rectangular cross section, fixed in the MCE and in the housing, and a device for exhibiting and attaching extensions, the extensions being installed so that their large side of the section is parallel to the longitudinal axis of the torque sensor coils. Stretch marks are simultaneously current leads to the terminals of the torque sensor coils and do not introduce additional elastic connections between the MCE and the housing without compromising the mechanical properties of the suspension.
Предпочтительно, чтобы использовалось устройство крепления растяжек (УК), в котором растяжки зажимаются одной или двумя прижимными планками, после чего устройство устанавливается вместе с растяжками в конструкцию МЧЭ или в корпус через электроизоляционную прокладку, или на устройство наносится электроизоляционное покрытие и для обеспечения жесткости крепления в состав узла входит жесткое кольцо, ограничивающее деформацию элементов конструкции.It is preferable that a device for attaching stretch marks (CC) is used, in which the stretch marks are clamped with one or two clamping strips, after which the device is installed together with the stretch marks in the MChE structure or in the housing through an electrical insulating strip, or an electrical insulating coating is applied to the device to ensure rigidity of fastening in the assembly consists of a rigid ring that limits the deformation of structural elements.
Полезно, чтобы УК в корпусе было выполнено в виде упругого элемента, стабилизирующего натяг растяжек и выполняющего роль амортизатора при механических воздействиях.It is useful that the Criminal Code in the housing was made in the form of an elastic element that stabilizes the tension of the stretch marks and acts as a shock absorber under mechanical stresses.
Целесообразно, чтобы была возможность поворота УК в корпусе вокруг оси подвеса для регулировки угла закрутки растяжек и, соответственно, для уменьшения величины и нестабильности смещения нуля прибора.It is advisable that the CC could be rotated in the housing around the suspension axis to adjust the twist angle of the stretch marks and, accordingly, to reduce the magnitude and instability of the zero offset of the device.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
Фиг. 1 изображает КМА (продольный и поперечный разрезы),FIG. 1 depicts a KMA (longitudinal and transverse sections),
Фиг. 2 изображает вариант УК (частичный вырыв),FIG. 2 depicts a variant of the Criminal Code (partial breakout),
Фиг. 3 - вариант УК (частичный вырыв),FIG. 3 - variant of the Criminal Code (partial breakout),
Фиг. 4 - вариант УК (частичный вырыв),FIG. 4 - variant of the Criminal Code (partial breakout),
Фиг. 5 - вариант УК (частичный вырыв),FIG. 5 - variant of the Criminal Code (partial breakout),
Фиг. 6 - устройство внешнего поворота УК (частичный вырыв).FIG. 6 - the device of the external rotation of the Criminal Code (partial breakout).
КМА состоит из корпуса 1 (Фиг. 1), маятникового пластинчатого чувствительного элемента 2, магнитопровода 3 МДМ, постоянных магнитов 4 МДМ, двух катушек 5 МДМ, датчика угла перемещения 6, растяжек 7, устройства крепления растяжек 8, упорных винтов 9, компенсационного усилителя 10. При действии измеряемого ускорения МЧЭ отклоняется на некоторый угол, модулятор, являющийся частью МЧЭ, изменяет засветку фотодиода датчика угла светодиодом и соответствующий разностный ток после преобразования компенсационным усилителем в постоянный ток обратной связи поступает в две катушки МДМ, установленные на МЧЭ и находящиеся в рабочем зазоре магнитопровода в поле постоянных магнитов. При этом ток обратной связи, протекающий в обмотках МДМ, прямо пропорционален действующему ускорению. Перемещение МЧЭ ограничено упорными винтами магнитопровода МДМ, расположенными в его центральной части и выполненными из магнитомягкого материала для увеличения магнитной проводимости магнитопровода МДМ. Положение ограничителей относительно подвижной части может регулироваться и фиксироваться контргайкой. Применение магнитов из сплава ЮНДК позволяет обеспечить высокую долговременную стабильность масштабного коэффициента и малую величину температурной зависимости акселерометра. Применение магнитов с высокой магнитной энергией из редкоземельных материалов NiFeB, CoSm позволяет значительно уменьшить габариты, получить меньший коэффициент преобразования акселерометра с целью увеличения диапазона измерения и повысить коэффициент демпфирования.KMA consists of a housing 1 (Fig. 1), a pendulum plate
Согласно изобретению, в корпусе акселерометра установлен фотоэлектрический датчик угла перемещения МЧЭ, представляющий собой установленные в один жесткий корпус излучающий инфракрасный светодиод и бифотодиод, между которыми расположен модулятор светового потока.According to the invention, in the housing of the accelerometer is installed a photoelectric sensor for the angle of movement of the MCE, which is an infrared LED and a biphotodiode installed in one rigid case, between which a light flux modulator is located.
Упругий подвес состоит из двух соосно расположенных металлических растяжек с прямоугольным сечением, закрепленных в МЧЭ и в корпусе. Растяжки выполнены из платино-серебряного сплава, который имеет стабильные физико-механические свойства, малый удельный противодействующий момент, малое удельное электрическое сопротивление и хорошо поддается пайке, что позволяет использовать их в качестве токоподводов к выводам катушек датчика момента.An elastic suspension consists of two coaxially arranged metal extensions with a rectangular cross section, fixed in the MCE and in the housing. Stretch marks are made of a platinum-silver alloy, which has stable physicomechanical properties, low specific opposing moment, low electrical resistivity and can be easily soldered, which allows them to be used as current leads to the terminals of the torque sensor coils.
Малая величина поперечного сечения растяжки при наличии дополнительных напряжений в сечении от усилия натяга ставит вопрос об ударовибропрочности акселерометра.The small value of the cross section of the stretch in the presence of additional stresses in the cross section from the interference force raises the question of the impact and impact strength of the accelerometer.
Для компенсации этого недостатка растяжки с прямоугольным неравножестким поперечным сечением расположены так, чтобы их большая сторона поперечного сечения была параллельна продольной оси катушек датчика момента. При таком расположении растяжка имеет максимальную прочность к действию перекрестных ударных ускорений в направлении оси маятника и оси подвеса, т.к. имеет максимальную податливость в направлении оси маятника. Принцип функционирования маятникового акселерометра предполагает смещение центра масс МЧЭ относительно подвеса с целью задания определенной величины маятниковости mg1. Поэтому при механических воздействиях вдоль измерительной оси значительная часть инерциальных воздействий на подвес может быть скомпенсирована силовым действием подвижных катушек магнитоэлектрического датчика момента. Эффективность такой компенсации определяется центромассовыми характеристиками МЧЭ (компенсация максимальна при условии совмещения центра масс МЧЭ с осью действия силы МДМ) и коэффициентом усиления системы обратной связи (статическим и динамическим). В связи с этим выгодно, чтобы МЧЭ был сконструирован с учетом максимального приближения ее центра тяжести к оси приложения силы, развиваемой подвижными катушками МДМ.To compensate for this drawback, stretch marks with a rectangular, unequal rigid cross section are arranged so that their large side of the cross section is parallel to the longitudinal axis of the torque sensor coils. With this arrangement, the stretch has the maximum strength to the action of cross shock accelerations in the direction of the axis of the pendulum and the axis of the suspension, because has maximum compliance in the direction of the axis of the pendulum. The principle of operation of the pendulum accelerometer involves the displacement of the center of mass of the MCE relative to the suspension in order to set a certain value of the pendulum mg1. Therefore, during mechanical actions along the measuring axis, a significant part of the inertial effects on the suspension can be compensated by the force action of the moving coils of the magnetoelectric torque sensor. The effectiveness of such compensation is determined by the center-mass characteristics of the MCE (maximum compensation provided that the center of mass of the MEC is combined with the axis of action of the MDM force) and the gain of the feedback system (static and dynamic). In this regard, it is beneficial that the MCE be designed taking into account the maximum approximation of its center of gravity to the axis of application of the force developed by the moving coils of the MDM.
Возможен вариант (Фиг. 2), когда УК в МЧЭ 2 (корпусе 1) представляет собой зажим, где растяжка 7 прижимается к МЧЭ (корпусу) планкой 11 с помощью двух винтов 12. Эта конструкция содержит минимальное количество деталей, позволяет обеспечить минимальную массу МЧЭ, исключить влияние операции пайки концов подвеса на надежность заделки и исключить выскальзывание растяжки из УК при действии механических нагрузок, что обеспечивает стабильность положения измерительной оси, а следовательно, высокую точность акселерометра. УК изолировано от МЧЭ нанесением электроизоляционного покрытия на прижимные поверхности деталей крепления, что делает возможным использование растяжки в качестве токоподводов.A variant is possible (Fig. 2) when the CC in the MCE 2 (housing 1) is a clamp, where the
Может быть предложен вариант крепления растяжки (Фиг. 3), предусматривающий наличие в МЧЭ 2 (корпусе 1) паза, в котором растяжка 7 прижимается планкой 11 с помощью винта 12.An option for attaching the extension (Fig. 3) may be proposed, providing for the presence in the MCE 2 (housing 1) of the groove in which the
Возможен еще один вариант выполнения УК (Фиг. 4), когда в пазу МЧЭ 2 (корпуса 1) растяжка 7 зажимается прижимной планкой 11 с помощью винта 12 и для увеличения жесткости крепления на УК надевается кольцо 13, препятствующее расхождению паза.Another embodiment of the Criminal Code is possible (Fig. 4), when in the groove of the MCE 2 (housing 1), the
Может быть предложен еще один вариант (Фиг. 5), при котором для обеспечения большего сопротивления изоляции растяжки от конструкции МЧЭ 2 (корпуса 1) растяжка 7 с помощью винта 12 зажимается в пазу МЧЭ (корпуса) между двумя прижимными планками 11. На планки наносится электроизоляционное покрытие, на УК надевается кольцо 13, препятствующее расхождению паза.Another option can be proposed (Fig. 5), in which to provide greater insulation resistance of the stretch marks from the design of the MCE 2 (housing 1), the
Возможно такое исполнение УК в корпусе, при котором оно для обеспечения стабильности усилия натяга растяжек выполнено в виде упругих элементов (мембран) 14 (Фиг. 6). Для обеспечения минимальной величины аддитивной составляющей погрешности акселерометра и ее стабильности, определяемой упругим моментом растяжки, и для выставки больших сторон поперечного сечения растяжек параллельно продольной оси катушек датчика момента, в конструкции предусмотрена регулировка угла закрутки растяжек поворотом устройства крепления. Для этого во втулках 15, 16 (Фиг. 6) винтами 12 зажата упругая мембрана 14, в которой заделана растяжка 7. Эта сборка, в свою очередь, установлена в корпус прибора. Посадка мембраны во втулках 15, 16 или втулки 15 в корпусе обеспечивает стабильность положения оси подвеса относительно базовых элементов акселерометра и обеспечивает возможность поворота УК вокруг оси подвеса. Упругая мембрана УК электрически изолирована от корпуса прокладками из электроизоляционного материала 17 или нанесением на детали электроизоляционного покрытия, что позволяет использовать растяжки в качестве токоподводов.Perhaps such a design of the Criminal Code in the housing, in which it is to ensure the stability of the tension of the stretch marks made in the form of elastic elements (membranes) 14 (Fig. 6). To ensure the minimum value of the additive component of the error of the accelerometer and its stability, determined by the elastic moment of the stretch, and to exhibit large sides of the cross section of the stretch marks parallel to the longitudinal axis of the coils of the torque sensor, the design provides for the adjustment of the twist angle of the stretch marks by rotation of the mounting device. For this, in the
Еще один вариант исполнения акселерометра предусматривает возможность перемещения фотоэлектрического датчика угла в направлении измерительной оси для выставки положения измерительной оси относительно базовых поверхностей и положения катушек датчика момента относительно магнитных систем с целью уменьшения погрешностей прибора. Для этого отверстия в корпусе датчика угла для винтов крепления имеют вытянутую форму.Another embodiment of the accelerometer provides for the possibility of moving the photoelectric angle sensor in the direction of the measuring axis to expose the position of the measuring axis relative to the base surfaces and the position of the torque sensor coils relative to magnetic systems in order to reduce instrument errors. For this, the holes in the housing of the angle sensor for the mounting screws are elongated.
Подвижная часть, вывешенная на растяжке, представляет собой механическую колебательную систему с несколькими степенями свободы. Поэтому еще одним важным направлением повышения ударовиброустойчивости и ударовибропрочности конструкции с упругим подвесом на растяжке является увеличение коэффициента демпфирования, определяющего степень затухания колебательных процессов, возникающих в такой системе при внешних механических воздействиях. Увеличение коэффициента демпфирования позволяет улучшить и динамические характеристики прибора. В прототипе эта задача решается посредством воздушного демпфера, реализованного в виде подвижной внутренней и неподвижных внешних обкладок емкостного датчика угла, разделенных малым воздушным зазором. Эффективность такого демпфирования определяется именно малым зазором, который определяет недостатки прототипа. Поэтому в предлагаемой конструкции может быть применен электромагнитный демпфер, основанный на принципе торможения электропроводящей подвижной части при ее перемещении в магнитном поле постоянного магнита датчика момента. Эффективность демпфирования определяется сечением пронизываемого магнитным полем подвижного проводника, удельным электрическим сопротивлением материала проводника и величиной магнитной индукции постоянного магнитного поля. Возможен вариант исполнения конструкции катушек датчика момента, в котором для увеличения демпфирования обмотка катушек наматывается на каркас из материала с высокой электропроводностью, при этом каркас является дополнительным подвижным проводником. Постоянные магниты из сплава с высокой магнитной энергией позволяют получить приемлемый уровень демпфирования.The movable part, posted on a stretch, is a mechanical oscillatory system with several degrees of freedom. Therefore, another important area of increasing the impact and vibration resistance and impact and impact strength of a structure with an elastic suspension on a stretch is to increase the damping coefficient, which determines the degree of attenuation of vibrational processes that occur in such a system under external mechanical influences. The increase in damping coefficient allows to improve the dynamic characteristics of the device. In the prototype, this problem is solved by means of an air damper, implemented in the form of a movable inner and fixed outer plates of a capacitive angle sensor, separated by a small air gap. The effectiveness of such damping is determined precisely by the small gap, which determines the disadvantages of the prototype. Therefore, the proposed design can be applied electromagnetic damper, based on the principle of braking of the electrically conductive moving part when it moves in the magnetic field of the permanent magnet of the torque sensor. The damping efficiency is determined by the cross section of the movable conductor penetrated by the magnetic field, the specific electrical resistance of the conductor material and the magnitude of the magnetic induction of a constant magnetic field. An embodiment of the design of the moment sensor coils is possible, in which, to increase damping, the coil winding is wound on a frame of material with high electrical conductivity, while the frame is an additional movable conductor. Permanent magnets made of high magnetic energy alloys provide an acceptable level of damping.
Может быть реализован вариант исполнения упругого подвеса повышенной прочности с увеличенной степенью неравножесткости, который представляет собой две или несколько пар соосных растяжек, установленных параллельно в одной плоскости, совпадающей с большей стороной сечения, с зазором относительно друг друга и закрепленных одновременно в узлах крепления МЧЭ с корпусом.An embodiment of an elastic suspension of increased strength with an increased degree of unequal rigidity can be implemented, which is two or more pairs of coaxial stretch marks installed in parallel in the same plane, coinciding with the larger side of the section, with a gap relative to each other and fixed simultaneously in the attachment points of the MChE with the housing .
Может быть реализован вариант исполнения упругого подвеса, имеющий повышенную прочность и радиальную жесткость, при котором подвес составлен из двух или более пар соосных растяжек, уложенных параллельно большими сторонами поперечного сечения друг на друга и зажатых таким пакетом в узлах крепления МЧЭ с корпусом.An embodiment of an elastic suspension having increased strength and radial stiffness can be implemented, in which the suspension is composed of two or more pairs of coaxial stretch marks laid parallel to each other by large sides of the cross section and clamped by such a package in the attachment points of the MChE with the housing.
Предложенный акселерометр обладает повышенной технологичностью в производстве, высокой точностью, ударовибропрочностью, ударовиброустойчивостью, малым весом, габаритами и потребляемой энергией.The proposed accelerometer has high manufacturability in production, high accuracy, impact and shock resistance, shock and vibration resistance, low weight, dimensions and energy consumption.
Таким образом, предложен КМА, содержащий корпус, в котором размещены: МЧЭ и упругий подвес, посредством которого МЧЭ связан с корпусом; магнитоэлектрический датчик момента; фотоэлектрический датчик угла перемещения МЧЭ; компенсационный усилитель.Thus, the proposed KMA, comprising a housing in which are placed: MCE and an elastic suspension, through which the MEC is connected with the housing; magnetoelectric torque sensor; photoelectric sensor of the angle of movement of MCE; compensation amplifier.
В конструкции КМА применены: фотоэлектрический датчик угла; упругий подвес, состоящий из двух соосно расположенных металлических растяжек с прямоугольным поперечным сечением, закрепленных в МЧЭ и в корпусе, являющихся токоподводами к выводам катушек МДМ, при этом обе растяжки установлены так, чтобы их большая сторона сечения была параллельна продольной оси катушек МДМ.In the design of KMA applied: photoelectric angle sensor; an elastic suspension consisting of two coaxially arranged metal braces with a rectangular cross section, fixed in the MCE and in the housing, which are current leads to the leads of the MDM coils, with both braces installed so that their large section side is parallel to the longitudinal axis of the MDM coils.
При этом возможно исполнение КМА с УК в виде одной или двух прижимных планок, в состав УК входит жесткое кольцо, ограничивающее деформацию элементов конструкции при зажиме растяжек, при этом УК установлено в корпус и в МЧЭ либо через электроизоляционную прокладку, либо через электроизоляционное покрытие, нанесенное на УК.At the same time, it is possible to design KMA with a CC in the form of one or two clamping strips, the CC includes a rigid ring that limits the deformation of structural elements when clamping stretch marks, while the CC is installed in the housing and in the MCE either through an electrical insulating strip or through an electrical insulation coating applied on the Criminal Code.
Также УК может быть выполнено в виде упругого элемента, задающего усилие натяга растяжек в направлении оси подвеса, либо с возможностью регулировки своего положения поворотом вокруг оси подвеса относительно корпуса и МЧЭ.Also, the criminal code can be made in the form of an elastic element that sets the tension of the stretch marks in the direction of the suspension axis, or with the possibility of adjusting its position by turning around the suspension axis relative to the housing and the MCE.
Техническим результатом является создание малогабаритного КМА, конструктивное выполнение которого позволит повысить технологичность изготовления, увеличить динамический диапазон измерения, а также обеспечить малую величину и высокую стабильность смещения нуля прибора, малый порог чувствительности и, при этом, обеспечить надежность в условиях механических воздействий.The technical result is the creation of a small-sized KMA, the constructive implementation of which will increase the manufacturability of manufacture, increase the dynamic range of measurement, as well as provide a small value and high stability of the zero offset of the device, a small threshold of sensitivity and, at the same time, ensure reliability under mechanical stress.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013143417/28A RU2559154C2 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Compensation-type pendulum accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013143417/28A RU2559154C2 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Compensation-type pendulum accelerometer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013143417A RU2013143417A (en) | 2015-03-27 |
| RU2559154C2 true RU2559154C2 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53286580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013143417/28A RU2559154C2 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Compensation-type pendulum accelerometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2559154C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2690708C2 (en) * | 2017-11-10 | 2019-06-05 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" | Compensation accelerometer |
| RU2710100C1 (en) * | 2018-12-21 | 2019-12-24 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" | Angular accelerometer sensitive element |
| RU2787648C1 (en) * | 2021-12-30 | 2023-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Accelerograph transport |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113687104B (en) * | 2020-05-18 | 2024-05-10 | 航天科工惯性技术有限公司 | Moment instrument stabilization treatment method suitable for extremely low temperature environment |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3702073A (en) * | 1969-02-28 | 1972-11-07 | Sundstrand Data Control | Accelerometer |
| SU901915A1 (en) * | 1980-06-02 | 1982-01-30 | Московский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Accelerometer |
| RU2291450C1 (en) * | 2005-05-26 | 2007-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. Академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Compensation pendulum type accelerometer |
-
2013
- 2013-09-25 RU RU2013143417/28A patent/RU2559154C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3702073A (en) * | 1969-02-28 | 1972-11-07 | Sundstrand Data Control | Accelerometer |
| SU901915A1 (en) * | 1980-06-02 | 1982-01-30 | Московский Ордена Ленина Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Accelerometer |
| RU2291450C1 (en) * | 2005-05-26 | 2007-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. Академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") | Compensation pendulum type accelerometer |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2690708C2 (en) * | 2017-11-10 | 2019-06-05 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" | Compensation accelerometer |
| RU2710100C1 (en) * | 2018-12-21 | 2019-12-24 | Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" | Angular accelerometer sensitive element |
| RU2787648C1 (en) * | 2021-12-30 | 2023-01-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Accelerograph transport |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013143417A (en) | 2015-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1830193B1 (en) | Servo accelerometer | |
| US7406868B2 (en) | Compensating accelerometer with optical angle sensing | |
| TW200302350A (en) | Micro-machined accelerometer | |
| Ravi Sankar et al. | Cross-axis sensitivity reduction of a silicon MEMS piezoresistive accelerometer | |
| RU2559154C2 (en) | Compensation-type pendulum accelerometer | |
| JPS63503090A (en) | Accelerometer guaranteed mass interface | |
| JP6553112B2 (en) | Accelerometer sensor system | |
| CN102981131A (en) | Low-noise micro plane fluxgate sensor based on main and auxiliary coil double incentive | |
| CN109541257A (en) | A kind of pendulous accelerometer | |
| JP2018533740A (en) | Thermally Insensitive Open Loop Hang Mass Accelerometer Using Differential Eddy Current Sensing | |
| Shi et al. | Design and experiment of a hybrid-integrated ultrahigh-G accelerometer with variable-section beam | |
| WO2012098901A1 (en) | Acceleration sensor | |
| RU2291450C1 (en) | Compensation pendulum type accelerometer | |
| RU2313100C1 (en) | Accelerometer | |
| CN114167082A (en) | Monocrystalline silicon flexible accelerometer | |
| RU2758892C1 (en) | Compensation pendulum accelerometer | |
| RU120235U1 (en) | COMPENSATION ACCELEROMETER WITH AN OPTICAL ANGLE SENSOR | |
| RU2485524C2 (en) | Accelerometer | |
| KR101264771B1 (en) | Accelerometer with silicon pendulum assembly which improves scale factor linearity under high-g acceleration | |
| CN111879988A (en) | Device and method for detecting passive current in low-frequency mechanical vibration environment | |
| RU2441247C1 (en) | Accelerometer | |
| RU2543708C1 (en) | Compensation pendulous accelerometer | |
| US3611809A (en) | Vibrating string gravimeters | |
| RU154135U1 (en) | GYROSCOPIC ANGULAR SPEED METER | |
| RU2514150C1 (en) | Accelerometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20220325 |