SU560181A1

SU560181A1 - Accelerometer

Info

Publication number: SU560181A1
Application number: SU2180728A
Authority: SU
Inventors: Павел Васильевич Яковлев; Юрий Владимирович Пашкин; Юрий Алексеевич Абрамов; Рудольф Владимирович Александров
Original assignee: Харьковское Высшее Военное Командное Училище Им.Маршала Советского Союза Н.И.Крылова
Priority date: 1975-10-14
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1977-05-30

Description

непрозрачна, менее плотна - прозрачна и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломлени .opaque, less dense - transparent and has the same refractive index with the material of the vessel.

На чертеже схематично показан акселерометр , общий вид.The drawing schematically shows an accelerometer, a general view.

Акселерометр содержит полый сосуд 1 из прозрачного материала (сосуд можно изготовить из половин, которые затем склеить между собой). Внутренн полость сосуда 2 выполнена в виде эллипсоида вращени . Система координат жестко св зана с сосудом, ее начало совпадает с центром эллипсоида вращени .The accelerometer contains a hollow vessel 1 of transparent material (the vessel can be made from the halves, which are then glued together). The internal cavity of the vessel 2 is made in the form of an ellipsoid of rotation. The coordinate system is rigidly connected with the vessel, its origin coincides with the center of the ellipsoid of rotation.

Верхн и нижн части эллипсоида вращени могут быть срезаны (поверхность 3 в этом случае плоска ). В нижней части сосуда укреплен упругий компенсационный элемент 4, который отдел ет верхнюю (рабочую) часть внутренней полости сосуда от полости 5, заполненной газом. Наружна поверхность сосуда может быть выполнена цилиндрической . На ней в районе рабочей зоны нанос т модул ционный рисунок 6 в виде чередующихс между собой прозрачных и непрозрачных темных полос. Сосуд укрепл ют в оправах 7 и 8, имеющих полуоси 9 и 10, установленные в подшипниковых узлах 1 и 12, укрепленных в корпусе прибора.The upper and lower parts of the rotation ellipsoid can be cut off (surface 3 in this case is flat). In the lower part of the vessel, an elastic compensating element 4 is fixed, which separates the upper (working) part of the internal cavity of the vessel from the cavity 5 filled with gas. The outer surface of the vessel may be cylindrical. A modulation pattern 6 in the form of alternating transparent and opaque dark stripes is applied on it in the area of the working zone. The vessel is fixed in frames 7 and 8, having half-axes 9 and 10, mounted in bearing assemblies 1 and 12, fixed in the instrument case.

Внутреннюю рабочую полость сосуда полностью заполн ют двум несмещивающимис и не вступающими в химическое взаимодействие между собой и материалом сосуда жидкост ми различной плотности. Более плотную жидкость (рабочую) выбирают непрозрачной (например, ртуть), менее плотную жидкость (вспомогательную) - прозрачной (например, вода). Показатели преломлени материала сосуда и прозрачной жидкости выбирают равными .The internal working cavity of the vessel is completely filled with two non-displacing and non-reacting chemicals between themselves and the vessel material with fluids of different densities. A more dense liquid (working) is chosen opaque (for example, mercury), a less dense liquid (auxiliary) is transparent (for example, water). The refractive indices of the vessel material and the transparent liquid are chosen equal.

В исходном положении прибора рабоча жидкость занимает нижнюю часть сосуда, а вспомогательна - верхнюю (в услови х певесомости жидкости могут располагатьс произвольно ). Упругий элемент 4 служит дл компенсации изменени объема л идкостей при изменении температуры. Сосуд приводитс вокруг оси X, совпадающей с полуос ми оправ, электродвигателем (на чертеже не по-In the initial position of the instrument, the working fluid occupies the lower part of the vessel, and the auxiliary - the upper part (in conditions of a poor hairiness, the liquid can be arranged arbitrarily). The elastic element 4 serves to compensate for the change in volume of liquids with temperature. The vessel is driven around the X axis, which coincides with the semi-axes of the frames, by an electric motor (in the drawing is not

казан) с угловой скоростью со (ось X - ось чувствительности акселерометра).cauldron) with angular velocity ω (axis X is the axis of sensitivity of the accelerometer).

Коллиматор 13, укрепленный в корпусе прибора , создает световой поток Ф параллельных лучей. Высота пучка равна высоте модул ционного рисунка.The collimator 13, mounted in the instrument case, creates a luminous flux Φ of parallel rays. The height of the beam is equal to the height of the modulation pattern.

Поток Ф направлен на сосуд сбоку таким образом, что он проходит через сосуд, когда падает на прозрачную полосу модул ционного рисунка, и задерживаетс сосудом, когда падает на темную полосу, т. е. каждой прозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует прозрачна полоса с противоположной стороны сосуда, и каждой непрозрачной полосе с одной стороны сосуда соответствует непрозрачна полоса с другой стороныFlow F is directed to the vessel from the side in such a way that it passes through the vessel when it falls on the transparent strip of the modulation pattern, and is retained by the vessel when it falls on the dark strip, i.e. each transparent strip on one side of the vessel corresponds to a transparent strip on the opposite side. side of the vessel, and each opaque strip on the one side of the vessel corresponds to an opaque strip on the other side

сосуда. С противоположной по отношению к коллиматору стороны сосуда в корпусе прибора укреплен фотоприемник 14, который может содержать или один площадной светочувствительный слой, или два светочувствительных элемента 15 и 16, соединенных между собой электрически по дифференциальной схеме . В первом случае верхн половина модул ционного рисунка смещаетс относительноvessel. On the opposite side of the vessel with respect to the collimator in the instrument case, a photodetector 14 is fixed, which can contain either one areal photosensitive layer or two photosensitive elements 15 and 16 interconnected electrically according to a differential circuit. In the first case, the upper half of the modulation pattern is shifted relative to

нижней на щирину одной полосы.lower to the width of one lane.

Прибор работает следующим образом. При вращении ротора двигател вращаетс сосуд и наход щиес в нем жидкости, увлекаемые во вращательное движение силамиThe device works as follows. When the rotor rotates, the vessel rotates the vessel and the fluids contained in it, which are carried into rotational motion by the forces

в зкого трени .viscous friction.

В результате возникшего пол центробежных сил рабоча жидкость (более плотна ) отбрасываетс к периферийной части внутренней полости сосуда, вытесн вспомогательную жидкость к центральной зоне (известный эффект центрифугировани ). В установившемс режиме (при равномерном вращении сосуда) жидкости вращаютс с той же скоростью, что и сосуд, при этом рабоча жидкость принимает форму кольца, внутри которого и в остальной части сосуда находитс вспомогательна жидкость. Если ускорениеAs a result of the centrifugal forces arising from the floor, the working fluid (more dense) is thrown to the peripheral part of the internal cavity of the vessel, displacing the auxiliary liquid to the central zone (the known effect of centrifugation). In the steady state (with a uniform rotation of the vessel), the liquid rotates at the same speed as the vessel, while the working fluid takes the form of a ring, inside which the auxiliary liquid is located in the rest of the vessel. If acceleration

движени прибора / О (в дальнейщем под / понимаетс кажущеес ускорение, которое измер ют все акселерометры, в земных услови х при совпадении оси X с вертикалью местаinstrument movement / O (hereinafter, the apparent acceleration is measured / measured by all accelerometers, in terrestrial conditions, when the X axis coincides with the vertical position

/ -g, где g - ускорение силы т жести; случай / 0 соответствует невесомости), то кра жидкостного кольца располагаютс симметрично относительно оси О У на рассто нии ±Ло от начала координат./ -g, where g is the acceleration of the force of the tin; if / 0 corresponds to weightlessness), then the edges of the liquid ring are located symmetrically relative to the axis O Y at a distance of ± Lo from the origin.

При ускорении движени / О в силу закона инерции жидкостное кольцо смещаетс по отношению к сосуду в сторону, противоположную ускорению, на некоторое рассто ние, вытесн при этом часть вспомогательнойDuring acceleration of motion / O due to the law of inertia, the liquid ring is displaced with respect to the vessel in the direction opposite to the acceleration by some distance, at the same time part of the auxiliary

жидкости в сторону ускорени . Чем больше ускорение, тем па больщее рассто ние перемещаетс кольцо. В случае перемены знака ускорени кольцо по отношению к сосуду смещаетс в противоположном направлении. ТаКИМ образом, измер положение жидкостного кольца относительно сосуда, можно определить величину и знак ускорени .fluid acceleration. The greater the acceleration, the more distance the ring will move. In the event of a change in the sign of acceleration, the ring is displaced in relation to the vessel in the opposite direction. Thus, by measuring the position of the liquid ring relative to the vessel, the magnitude and sign of the acceleration can be determined.

Измерение смещени кольца относительно сосуда осуществл етс фотоэлектрической системой съема информации, котора , работа «на просвет, определ ет часть светового потока , задержанного непрозрачным жидкостным кольцом. Дл повышени точности съема ипформации осуществл ют модул цию светового потока с помощью модул ционного рисунка, нанесенного на внешней поверхности сосуда таким образом, что при вращении сосуда свет от коллиматора пропускаетс через сосуд неThe measurement of the displacement of the ring relative to the vessel is carried out by a photoelectric information retrieval system, which, working through the light, determines a part of the light flux retained by an opaque liquid ring. In order to increase the removal accuracy, the luminous flux is modulated using a modulation pattern printed on the outer surface of the vessel in such a way that when the vessel is rotated, the light from the collimator is passed through the vessel

посто нно, а периодически (период определ етс суммарной широтой прозрачной и темной полос, числом полос, скоростью вращени сосуда). При этом дальнейшее усиление сигнала фотоприемником ведетс на переменном токе.constant, and periodically (the period is determined by the total width of the transparent and dark stripes, the number of stripes, the speed of rotation of the vessel). In this case, further amplification of the signal by the photodetector is conducted on alternating current.

Дл предотвращени отклонени световых лучей в плоскости ХОУ показатели преломлени вспомогательной жидкости и материала сосуда выбирают равными. В качестве материала сосуда могут использоватьс различные сорта оптического стекла, различного рода прозрачные пластмассы, а также р д естественных или искусственных кристаллов.To prevent deflection of the light rays in the HOU plane, the refractive indices of the auxiliary liquid and the vessel material are chosen to be equal. Different types of optical glass, various kinds of transparent plastics, as well as a number of natural or artificial crystals can be used as a vessel material.

Световые потоки, пройд через сосуд, попадают в фотоприемник, светочувствительный слой которого располагаетс в фокальной плоскости линзы - сосуда. При этом происходит преобразование световой энергии потока в электрическую.The light streams, passing through the vessel, enter the photodetector, the photosensitive layer of which is located in the focal plane of the lens - the vessel. When this occurs, the conversion of the light energy of the stream into electrical energy.

Если фотоприемник содержит два фотоэлемента , то дл измерени разности световых потоков, нопадающих на них, достаточно соединить их по дифференциальной схеме.If the photodetector contains two photocells, then to measure the difference between the light fluxes falling on them, it is enough to connect them in a differential circuit.

Дифференциальное уравнение гидростатики Эйлера показывает, что внутренн поверхность рабочей жидкости представл ет собой параболоид вращени (факт хорощо известный ) , за исключением случа / О, когда параболоид вращени вырождаетс в цилиндр . Можно показать, что верхн граница (координата i) и нижн граница (координата Xz жидкостного кольца определ ютс выражени миThe differential equation of Euler's hydrostatics shows that the internal surface of the working fluid is a paraboloid of rotation (a fact well known), except in the case of O, when the paraboloid of rotation degenerates into a cylinder. It can be shown that the upper boundary (coordinate i) and lower boundary (the Xz coordinate of the liquid ring is determined by the expressions

V- у I (V- at I (

. --.-,---Т +/о;. --.-, T + / o;

X - - J -h . - ( 2 - о X - - J -h. - (2 - about

0 ш20 w2

где АО - половина высоты жидкостногоwhere AO is half the height of the fluid

ольца при / 0.rings at / 0.

Объем рабочей жидкости в сосуде св зан с оотношениемThe volume of working fluid in the vessel is related to

1/16 , 3/о1/16, 3 / o

V - - ,:-- /го.(3)V - -,: - / y. (3)

о аabout a

Из выражений (1) и (2) находимFrom expressions (1) and (2) we find

/1,-А,2.;(4)/1 ,-А,2 .;(4)

, + X, .(5), + X,. (5)

О -oJПолага , что приO -ojpolaga that when

Y - Y -

J - Утах 2 -, J - Utah 2 -,

З выражени (2) определ ем3 expressions (2) are defined as

J1 9/1 /l2,, 2J1 9/1 / l2 ,, 2

Уп„..,(6)Yn „.., (6)

Соотношение (б) определ ет диапазон измер емых ускорений, lie измен габариты прибора и скорость вращени сосуда, можно увеличить диапазон измер емых ускорений,The relation (b) determines the range of measured accelerations, lie the change in the dimensions of the device and the speed of rotation of the vessel, it is possible to increase the range of measured accelerations,

уменьща Ло (объем рабочей жидкости в сосуде ) .reducing Lo (volume of working fluid in the vessel).

Полученные аналитические зависимостиThe obtained analytical dependencies

полностью определ ют геометрию устройства.completely determine the geometry of the device.

Из выражени (4) следует, что при изменении ускорени жидкостное кольцо, смеща сь в ту или иную сторону, деформируетс так, что высота его остаетс неизменной. Таким образом, жидкостное кольцо с внутренней стороны имеет поверхность параболопда вращени , а с внещней стороны - эллипсоид вращени . При изменении ускорени высота кольца остаетс неизменной, а толщина его измен етс (чем дальше кольцо находитс от нулевого положени , тем оно толще).From expression (4) it follows that when the acceleration changes, the liquid ring, shifting in one direction or another, is deformed so that its height remains unchanged. Thus, the liquid ring on the inner side has a parabolic surface of rotation, and on the outer side, an ellipsoid of rotation. When the acceleration changes, the height of the ring remains unchanged, and its thickness changes (the further the ring is from the zero position, the thicker it is).

Из выражени (5) следует, что чувствительность (коэффициент передачи) предлагаемого прибора К,е определ етс формулойFrom the expression (5) it follows that the sensitivity (transmission coefficient) of the proposed device K, e is determined by the formula

Я, .I, .

с12 .c12

О ABOUT

из которой видно, что чувствительность посто нна во всем диапазоне измер емых ускорений (не зависит от /) и при данной скорости вращени сосуда может быть изменена в весьма щироком диапазоне.from which it can be seen that the sensitivity is constant over the entire range of measured accelerations (independent of /) and at a given speed of rotation of the vessel can be changed in a very wide range.

При а Ь /, т. е. сосуд - сфера, К.е -When a b /, i.e. the vessel is a sphere, K.e -

шsh

Уменьща малую ось эллинсоида (Ь), получить сколь угодно высокую чувствительность , не увеличива габариты измерите (1) л .Decreasing the small axis of the Hellensoid (b), to obtain an arbitrarily high sensitivity, without increasing the dimensions, measure (1) l.

Claims

1. USSR author's certificate L;} 415583, cl. G 01 P 15/08, 1972.

2. Authors certificate of the USSR 479034, cl. G 01 P 15/08, 1973.

13