Способ измерения линейных ускорений и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение может быть использовано для измерения линейных ускорений. Сущность изобретения: устройство для осуществления способа измерения линейных ускорений содержит инерционный элемент в виде постоянного магнита, установленного в вертикальной плоскости на конической винтовой пружине в осевом отверстии измерительной катушки, подключенной к дифференцирующей цепи и через выпрямительное устройство - к схеме обработки , содержащей нуль-орган, выход которого подключен к первому входу логического элемента И и через триггер - к второму входу логического элемента И, к третьему входу которого подключен генератор тактовых импульсов, а еыход логического элемента И подключен через счетмик к цифровому индикатору. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил. « мЭ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

n>>s G 01 P 15/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСНАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4865572/10 (22) 16,07,90 (46) 30.07.93. Бюл. ¹ 28 (71) Ульяновский полигехнический институт (72) Д.М.Белый и КЗ.А.Ляхов (73) Ульяновский политехнический институт (56) Авторское свидетельство СССР

М 556385, кл. G 01 Р 15/08, 1977.

Малов Ю.Б. Пьезорезонансные датчики, М., Машиностроение, 1989. (54) С П О С О Б И 3 M Е Р Е Н И Я Л И Н Е Й Н Ы X

УСКОРЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение может быть использовано для измерения линейных ускорений. Сущность изобретения: устИзобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения линейных ускорений с получаемой информацией в виде частотного или временного сигнала.

Цель изобретения — повышение чувствительности и расширение диапазона измерения линейных ускорений, а также упрощение конструкции устройства для измерения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена электромеханическая схема устройства. для измерения линейных ускорений, Устройство для измерения линейных ускорений содержит инерционный элемент 1, выполненный в виде постоянного магнита и установленный в вертикальной плоскости

„„. Ж„„1831б85 А3 ройство для осуществления способа измерения линейных ускорений содержит инерционный элемент в виде постоянного магнита, установленного в вертикальной плоскости на конической винтовой пружине в осевом отверстии измерительной катушки, подключенной к дифференцирующей цепи и через выпрямительное устройство — к схеме обработки, содержащей нуль-орган, выход которого подключен к первому входу логического элемента И и через триггер — к второму входу логического элема..та И, к третьему входу которо о подключен генератор тактовых импульсов, B выход логического элемента И подключен через счетчик к цифровому индикагору; 2 с и 1 з,п.ф-лы, 1 ил. на вершине конической винтовой пружины

2, закрепленной основанием на корпусе 3.

Инерционный элемент 1 установлен концентрично в осевом отверстии 4 измерительной катушки 5, подклlo÷eннGй к дифференцирующей цепи б и через выпрямительное устройство 7 к схел1е обработки выходного сигнала, состоящей из нуль-органа 8, логического элемента И 9, счетчика 10, цифрового индикатора 11, генератора тактовых импульсов 12 и триггера 13. При этом выход нуль-органа 8 подключен к первому входу логического элемента И 9 и через триггер 13 ко второму входу логического элемента И 9, х третьему входу которого подключен генератор тактовых импульсов

12, а выход логического элемента И 9 подключен через счетчик 10 к цифровому индикатору 11.

1831685

Предложенный способ измерения линейных ускорений реализуют на данном устройстве следующим образом.

Прикладывают измеряемое линейное ускорение а, под действием сил инерцион- 5 ного поля инерционный элемент 1 занимает положение статического равновесия, деформируя пружину 2. Замыканием ключа (на чертеже не показан) подают с дифференцирующей цепи 6 в измерительную катушку 5 10 электрический импульс типа короткий удар, возбуждая.тем самым свободные колебания инерционного элемента 1 на пружине 2 относительно положения статического равновесия, При этом амплитуду А наибольшего отклонения колебательной системы инерционный элемент 1 — пружина 2 от положения статического равновесия при заданном импульсном воздействии выбирают возможно более малой по сравнению со стати- 20 ческой деформацией пружины 2 4>. При свободных колебаниях постоянного магнита 1 в измерительной катушке 5 наводится

ЭДС в виде затухающего электрического процесса свободных колебаний, причем, Первый выброс процесса будет в противофазе с возмущающим электрическим импульсом. Далее в схеме осуществляется процесс фиксации длительности г первого выброса процесса свободных колебаний.

Выпрямительное устройство 7 возмущающий импульс не пропускает, а у переходного процесса срезает верхнюю часть, имеющую одинаковую с импульсом полярность. Нуль-орган 8 преобразует первый выброс переходного процесса в стандартный прямоугольный импульс с периодом т;

Передний фронт этого импульса перебрасывает триггер 13 в единичное состояние, при этом открывается второй вход логического 40 элемента И 9, через него за счетчик 10 с генератора тактовых импульсов 12 поступает последоBàòåëьность калиброванных импульсов с известным. периодом, г1одсчитываемых счетчиком 10, Последователь- 45 ность импульсов проходит до тех пор, пока прямоугольный импульс после нуль-органа 8 задним фронтом опять перебросит триггер 13.в нулевое состояние, логический элемент И 9 закрывается, и число зарегист- 50 рированных счетчиком 10 импульсов определит длительность t первого выброса.

Далее, по значению атой длительности и по известным для данной колебательной сис- . темы значениям А, массы в инерционного 55 элемента 1 и коэффициента а нелинейной восстанавливающей силы, определяют величину.а линейного ускорения. При квадратичной характеристике нелинейной восстанавливающей силы определяют линейное ускорение по формуле

m Л Q — — - — 085 — А -g, 4Q

m х = m(g+a)- а (g>+ х)2, (2) где F = а х — квадратичная восстанавлива2 ющая сила конической пружины 2, Так как в положении равновесия m(g+a) = QA ст, то 2

Й = т (ц".а)/а (3) Преобразуем уравнение (2) к стандартному виду

x+ х+ — х =0 .(4), 2 A+I. а 2

m m

С учетом сказанного выше для коротких йромежутков времени, соизмеримых с длительностью возмущающего импульса, и при малой интенсивности импульса решение нелинейного уравнения (4) можно описать гармоНической функцией где g — ускорение свободного падения, В данном способе измерения реализуется зависимость динамических характеристик нелинейной колебательной механической системы от положения массы, и следовательно, от величины линейного ускорения. При импульсном воздействии типа короткий удар и малых амплитудах возмущения скоротечность импульсных процессов не позволяет развиваться нелинейным явлвнием и практически отсутствует различие в поведении нелинейной и соответствующей ей линейной колебательных систем.

Поэтому при значениях времени, соизмеримых с длительностью импульсного воздействия, при малых по сравнению со статическим отклонением амплитудах импульсных воздействий нелинейные колебания системы описываются гармонической функцией. В качестве фиксируемого характерного параметра процесса свободных колебаний использована длительность t первого выброса, соизмеримая по времени с длительностью возмущающего импульса, и характеризующая мгновенное значение частотной характеристики нелинейной системы, являющейся функцией измеряемых линей ных ускорений, Дифференциальное уравнение движения инерционного элемента 1 в случае квадратичной характеристики восстанавливающей силы имеет вид

1831685 (5), х - Asln(— +/3) Пользуясь наиболее распространенным при решении нелинейных задач теории колебаний методом гармонического баланса находим коэффициенты линеаризации нелинейной характеристики, и с их помощью зависимость (л/т) от А в виде л 2а4т 0,85А (6).

Подставив в (6) значение т иэ (3) и выражая ускорение а получаем вышеприведенную зависимость (1) для определения линейных ускорений.

Точность предлагаемого устройства

0,05-0,1 ь, что примерно соизмеримо с точностью известных конструкций пьезорезонансных акселерометров. При массе инерционного элемента порядка 3 r крутизна характеристики составила (3-4) х х10 Гцс /м, что в несколько раз выше максимальной крутизны характеристик пьезорезонансных акселерометров. Диапазон измерения ускорений достижим в пределах от 0 до 300 м/с . что также превышает диапазон известных отечественных акселерометров. Конструкция механической части предлагаемого устройства для измерения линейных ускорений предельно проста и практически не критйчна к погрешностям изготовления, характеризуется значительной вибро- и ударопрочностью. Дешевизна и высокая технологичность конструкции наряду с высокими метрологическими и.эксплуатационными характеристиками позволит. выпускать ее серийно.

Формула изобретения

1, Способ измерения линейных ускорений, включающий воздействие на колебательную систему сигналом, являющимся функцией измеряемых ускорений, возбуждение свободных колебаний системы и определение линейных ускорений по зафиксированному характерному параметру процесса, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измерения, в качестве колебательной системы используют колебательную систему с нелинейной восстанавливающей силой, возбуждение свободных колебаний системы производят импульсным воздействием в виде короткого удара, а

5 перед определением линейных ускорений определяют длительность t первого выброса в процессе свободных колебаний, и по значению этой длительности и по известным для данной колебательной системы I0 значениям наибольшего отклонения А системы об положении статического равновесия при заданном импульсном воздействии, массы m и коэффициента анелинейной восстанавливаю.цей силы, определяют ве15 личину а линейного ускорения, 2. Способ по п,1. от л и ч а ю шийся тем, что при квадратичной характеристике нелинейной восстанавливающей силы определяют линейноеускорение по формуле

m л2 а а= — — — 085 — А -д, 4ic 2 m

25 где g — ускорение свободного падения.

3. Устройство для измерения линейных ускорений по пп.1 и 2, содержащее инерционную массу. установленную в вертикальной плоскости на упругом подвесе. и схему

30 обработки выходного сигнала, о тл и чаю ще е с я тем, что, с целью повышения . чувствительности и упрощения конст1 рукции, в него введены измерительная катушка; дифференцирующая цепь и вы35 прямительное устройство, при этом инерционная масса выполнена в виде постоянного магнита, а упругий подвес — в виде конической винтовой пружины, причем инерционная масса установлена на конической

40 винтовой пружине в осевом отверстии измерительной катушки. подключенной к дифференцирующвй цепи и через выпрямительное устройство к схеме обработки. содержащей нуль-орган, выход которого

45 подключен к первому входу логического элемента И и через триггер к второму входу логического элемента И, к третьему входу которого подключен генератор тактовых импульсов, а выход логического элемента И

50 подключен через счетчик к цифровому индикатору, 1831685

Составитель Д. Белый

Техред М.Моргентал

Корректор M. Ткач

Редактор

ОрОизводственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2550 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5