SU560181A1 - Акселерометр - Google Patents

Description

непрозрачна, менее плотна  - прозрачна и имеет одинаковый с материалом сосуда показатель преломлени .

На чертеже схематично показан акселерометр , общий вид.

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 .

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.

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 .

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-

казан) с угловой скоростью со (ось X - ось чувствительности акселерометра).

Коллиматор 13, укрепленный в корпусе прибора , создает световой поток Ф параллельных лучей. Высота пучка равна высоте модул ционного рисунка.

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 стороны

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  относительно

нижней на щирину одной полосы.

Прибор работает следующим образом. При вращении ротора двигател  вращаетс  сосуд и наход щиес  в нем жидкости, увлекаемые во вращательное движение силами

в зкого трени .

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 ускорение

движени  прибора / О (в дальнейщем под / понимаетс  кажущеес  ускорение, которое измер ют все акселерометры, в земных услови х при совпадении оси X с вертикалью места

/ -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.

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 вспомогательной

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 .

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 не

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.

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.

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.

Если фотоприемник содержит два фотоэлемента , то дл  измерени  разности световых потоков, нопадающих на них, достаточно соединить их по дифференциальной схеме.

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 ми

V-  у I (

. --.-,---Т +/о;

X - - J -h . - ( 2 - о

0 ш2

где АО - половина высоты жидкостного

ольца при / 0.

Объем рабочей жидкости в сосуде св зан с оотношением

1/16 , 3/о

V - - ,:-- /го.(3)

о а

Из выражений (1) и (2) находим

/1,-А,2.;(4)

, + X, .(5)

О -oJПолага , что при

Y -

J - Утах 2 -,

З выражени  (2) определ ем

J1 9/1 /l2,, 2

Уп„..,(6)

Соотношение (б) определ ет диапазон измер емых ускорений, lie измен   габариты прибора и скорость вращени  сосуда, можно увеличить диапазон измер емых ускорений,

уменьща  Ло (объем рабочей жидкости в сосуде ) .

Полученные аналитические зависимости

полностью определ ют геометрию устройства.

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).

Из выражени  (5) следует, что чувствительность (коэффициент передачи) предлагаемого прибора К,е определ етс  формулой

Я, .

с12 .

О

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.

При а Ь /, т. е. сосуд - сфера, К.е -

ш

Уменьща  малую ось эллинсоида (Ь), получить сколь угодно высокую чувствительность , не увеличива  габариты измерите (1) л .

Claims (2)

1.Авторское свидетельство СССР Л;} 415583, кл. G 01Р 15/08, 1972.

2.Авторское свидетельство СССР 479034, кл. G 01Р 15/08, 1973.

13