RU1793384C - Датчик угловых ускорений - Google Patents

Abstract

|Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике и может быть испо; ьзовано дл  измерени  угловых ускорений технических объектов при их испытани х и эксплуатации. Сущность изобретени : устройство состоит из 0-обрэзно- го магнитопровода 1, имеющего на стержне 2 участок 3 круглого сечени , служащий осью, на которую насажена инерционна  масса 4, представл юща  собой магнито- м гкое кольцо, радиальна  толщина которого посто нна, а внешн   образующа  измен етс  по окружности по линейному закону. Дополнительные немагнитные массы 5 и 6 используютс  дл  балансировки инерционного элемента 4. Зазор между внутренней поверхностью кольцевой массы 4 и участком 3 круглого сечени  заполнен магнитной жидкостью 7. 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  угловых ускорений технических объектов при их испытани х и эксплуатации .

Известен датчик угловых ускорений, содержащий 0-образный магнитопровод, инерционные элементы в виде посто нных магнитов, св занный с подвижной частью датчика плоскими пружинами, и измерительную обмотку.

Недостатками этого датчика  вл ютс  узкий измерительный диапазон как следствие малой амплитуды отклонени  инерционных масс от положени  равновеси  и низка  надежность из-за наличи  упругих деформируемых элементов..

Известен также преобразователь угловых ускорений, содержащий магнитопровод , обмотку возбуждени  переменного то ка, измерительную обмотку и секторооб разную магнито.м гкую инерционную массу , посаженную на диамагнитную ось.

Недостатком данного преобразовател   вл етс  наличие большого количества разнообразных и сложных по форме деталей магнитопровода, что определ ет конструктивную сложность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  датчик угловых ускорений, содержащий магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбуждени  посто нного тока и измерительными обмотками, одновременно  вл ющимис  пружинами, и кольцевую инерционную массу на магнитом гкой оси.

Указанный преобразователь имеет Сложную конструцию. Это объ сн етс  большим количеством сборочных деталей. Кроме того, сложную технологию изготовлени  имеет пружинна  обмотка, выполн ема  из особых сортов стали и требующа  эластичной изол ции во избежание замыкани  витков на корпус и между собой. Использование такой обмотки в датчике усложн ет его конструкцию еще и проблемой закреплени  центральной части пель- нопитой пр у-ж ины на инерционном элементе. К недостаткам данного устройства относ тс  также трудности, св занные с выводом наружу токоподвод щих и сигнальных проводов обмоток, расположенных внутри цилиндрического корпуса. Кроме перечисленных недостатков, определ ющих сложность конструкции преобразовател ,

его надежность снижаетс  из-за повышенного износа пружинных обмоток.

Цель изобретени  - упрощение конструкции и повышение надежности датчика

Цель достигаетс  тем, что в датчике угловых ускорений, содержащем магнитопровод с размещенными на нем обмотками возбуждени  посто нного тока и измерительными обмотками и кольцевую инерционную массу на магнитом гкой оси, внешн   образующа  кольцевой инерционной массы выполнена измен ющейс  по окружности по линейному закону и посажена

0 на участок круглого сечени  одного из стержней 0-образного магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечени  стержн  и внутренней поверхностью кольцевой массы, заполнен магнитной жид5 костью, а дл  балансировки кольцевой инерционной массы использованы немагнитные вставки.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что; за вл емое устройство от0 личаетс  тем, что у инерционной массы внешн   образующа  кольца выполнена измен ющейс  по окружности по линейному закону, масса посам ена на участок круглого сечени  одного из стержней 0-образного

5 магнитопровода, причем зазор, образованный участком круглого сечени  стержн  и внутренней поверхностью кольцевой массы , заполнен магнитной жидкостью, а дл  балансировки инерционной массы исполь0 зованы немагнитные вставки. В результате патентного поиска и поиска по научно-технической литературе не было обнаружено технических решений, имеющих признаки, сходные с-отличительными признаками за5  вл емого устройства, Поэтому за вл емое решение соответствует критери м новизна и существенные отличи .

На фиг. 1 представлена конструкци  датчика; на фиг. 2 - внешний вид инерцион0 ной массы без немагнитных вставок; на фиг. , 3 - график-выходной ЭДС при воздействии посто нного углового ускорени  одного направлени ; на фиг, 4 - график выходной .ЭДС при воздействии посто нного ускоре5 ни  противоположного направлени .

Датчик угловых ускорений содержит 0- образный магнитопровод 1, имеющий на стержне 2 участок 3 круглого сечени  и служащий осью, на которую посажена инерци0 онна  масса 4. Масса 4 представл ет собой кольцо из магнитом гкого материала, радиальна  толщина а которого посто нна, а внешн   образующа  кольца измен етс  по окружности по линейному закону

5ь„

Ь

JM3KC

1л

а,. О а 2 п.

(D

где b - величина образующей;

Ьмакс - наибольшее значение образующей (см. фиг. 2);

о. - величина угла, функцией которого  вл етс  внешн   образующа  кольцевой ассы, или угловое перемещение инерционной массы.

Различные величины внешней образую- щей кольца обозначены на фиг. 1 как bi и Ь2. Ј ололнительные массы 5 и б, изготовленные из немагнитного материала, использу- к тс  дл  балансировки инерционной массы 4 Зазор между внутренней поверхностью к льцевой массы 4 и участком 3 круглого сэчени  стержн  2 заполнен магнитной жидкостью 7. Обмотки 8 и 9 возбуждени . р эсположенные на стержн х магнитопрово- д з 1, включены последовательно и встречно и питаютс  посто нным током. На магнито- п эоводе 1 также расположены измеритель- н ie обмотки 1.0 и 11, которые включены последовательно и согласно дл  выходной ЭЦС.

Датчик работает следующим образом.

При вращении испытываемого объекта посто нной скоростью масса 4 покоитс  носительномагнитопровода 1 и выходной

а

гнал равен нулю.

При по влении углового ускорени  на M.iccy действует вращающий момент, который вызывает вращение инерционной массы 4 с посто нной угловой скоростью, or редел емой из принципа Даламбера как

Л1 - d.g - М

« т,(2)

где о.-угловое перемещение инерционной млссы;

М - вращающий момент;

f - посто нный по величине коэффициент трени  вращени  массы 4-на оси.

При этом

М 1о р.

кои J круглого сечени  и внутренней позерхностыо кольца 4, который заполнен

где lo - момент инерции тела:

. р - угловое ускорение исследуемого объекта.

Вращение инерционной массы 4 приво- дитк изменению площади воздушного зазора толщиной б (см. фиг. 1) между внешней поверхностью кольцевой массы и продольным стержнем магнитопровода 1.

Магнитным сопротивлением стали магнитопровода , а также зазора между участ- 3

ма

гнитной жидкостью 7, пренебрегаем ввиду их малости по сравнению с сопротивлением воздушного зазора толщиной д. Дл  Ф- маЫитного потока датчика выполн етс  55

Ф -тЈ-, (4)

R

/

где F - МДС обмоток возбуждени  посто нного тока;

5 10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Rj{ - магнитное сопротивление воздушного зазора толщиной д и площадью S.

(5)

где д магнитна  проницаемость воздуха .

Так как внешн   образующа  кольцевой инерционной массы измен етс  по окружности (другими словами, в функции от а) по линейному закону (1), то зависимость площади зазора от угла поворота массы также линейна:

S Ki + К2 а.(6) где Ki, K2 - посто нные по величине коэффициенты .

При изменени х магнитного потока в измерительных катушках 10 и 11 наводитс  ЭДС, выражение дл  которой получим из услови  (4) с учетом уравнений (5) и (6):

,.; d IA/ с К2 ,,v

f-изм - - W - W F -g- -ат. (7)

где W - общее количество витков в катушках 10и 11.

Подставим в выражение (2) формулу (3). а полученное уравнение в (7). Дифференциру  с учетом посто нной величины воздействующего ускорени , получим

IO//Q К2

Ји

-W F

уИз полученного следует, что при вращении инерционной массы 4 со скоростью, пропорциональной воздействующему ускорению , на выходе датчика по витс  ЭДС. также пропорциональна  ускорению контролируемого объекта.

Выходной сигнал датчика определ етс  скоростью вращени  массы, котора  зависит от величины воздействи . При этом исключены деформируемые элементы, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной. Реализаци  такого режима работы устройства достижима в результате выполнени  внешней образующей кольцевой массы измен ющейс  по окружности по линейному закону.

Дальнейшим упрощением конструкции преобразовател   вл етс  посадка инерционной массы на участок круглого сечени  одного из стержней 0-образного магнитопровода . При этом участок стержн  магнитопровода одновременно выполн ет функции оси и отпадает необходимость в использовании соответствующей детали.

Заполнение зазора между участком круглого сечени  стержн  0-образного магнитопровода и внутренней поверхностью кольцевой массы магнитной жидкостью необходимо дл  получени  малого магнитного

сопротивлени  этого воздушного зазора и тем самым обеспечени  высокой линейности выходного сигнала преобразовател .

Наиболее устойчива  работа предлагаемого датчика с учетом новых признаков обеспечиваетс  применением дополнительных к инерционному элементу 4 масс, выполненных из немагнитного материала.

У предлагаемого технического решени  имеетс  дополнительное преимущество относительно прототипа, заключающеес  в том, что при вращении инерционной массы 4 в выходном сигнале датчика кроме аналоговой составл ющей также имеют место от- рицательные выбросы выходного напр жени  (см. фмг. 3 и 4). Этот отрицательный выброс объ сн етс  наличием у массы 4 резкого перепада величины внешней образующей от максимального к минимальному значению. Один импульс соответствует одному полному обороту кольцевой массы, а интервал времени между двум  соседними выбросами равн етс  Т - периоду обращени  инерционной массы. Число импульсов п в единицу времени, пропорциональное воздействующему ускорению , определ етс .

: - Тд +

Возможность одновременного получени  выходного сигнала датчика в аналоговом и дискретном виде позвол ет его универсальное использование как в аналоговых , так и в цифровых измерительных системах . При же-лании избавитьс  от дискретной составл ющей сигнала выход датчика шунтируют емкостью.

Возможность свободного вращени 

инерционной массы на оси, неограниченной наибольшим углом закручивани  пружины , обеспечивает еще два дополнительных преимущества относительно прототипа: расширение измерительного

диапазона устройства в сторону увеличени  и возможность измерени  внешних воздействи  в течение неограниченного времени, т.е. чем большие угловые ускорени  воздействуют на инерционную массу, с тем пропорционально большей скоростью она имеет возможность вращатьс  в течение сколь угодно долгого по времени воздействи  ускорени .

Указанные достоинства за вл емого

технического решени  определ ют экономическую и практическую целесообразность его использовани  в системах измерений,контрол  и управлени .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик угловых ускорений, содержащий кольцевую инерционную массу и магнито- провод с размещенными на нем катушками возбуждени  посто нного тока и измерительными обмотками, отличающийс  тем, что, с целью повышени  надежности, магнитопровод выполнен 0-образным с круговым сечением одного из стержней, на который насажена кольцева  инерционна  масса, состо ща  из магнитом гкого элемента и двух немагнитных элементов, причем сечение магнитом гкого элемента измен етс  по линейному закону от максимального сечени  кольца до нулевого по окружности за счет изменени  толщины кольца симметрично со стороны обоих торцов кольца, а немагнитные элементы выполнены в виде вставок, дополн ющих кольцо до полного объема, при этом зазор между внутренней поверхностью кольцевой инерционной массы и круговым сечением стержн  заполнен магнитной жидкостью.

   Јuj«

   V

   Риг.З

   t-iy.

   т

   Уьг.Ч

   /

   9м. г

   Т