Багатокомпонентний чутливий елемент інерціального датчика

1. Багатокомпонентний чутливий елемент інерціального датчика, що містить шість активних електромагнітних підвісів з чутливими компонентами, закріпленими на хрестовині і оснащеними зовнішніми зворотними зв'язками, який відрізняється тим, що застосовано електромагнітні підвіси на змінному струмі, у яких чутливі компоненти виконані із матеріалу з високою магнітною проникністю у вигляді Ш-подібних осердь статорів і плоских роторів, при цьому площини чутливих компонентів орієнтовані перпендикулярно до відповідної осі хрестовини, а кожен із шести зовнішніх зворотних зв'язків містить індуктивний датчик з котушкою компенсації на бічних стрижнях осердь статора і котушкою збудження на середньому стрижні осердя статора. 2. Багатокомпонентний чутливий елемент за п.1, який відрізняється тим, що як матеріал з високою магнітною проникністю використано ферит 3000МТ або пермалой 79НМ. 3. Багатокомпонентний чутливий елемент за п.1, який відрізняється тим, що хрестовину, до якої кріпиться електромагнітний підвіс, виконано із берилію, електрону чи алюмінію. Корисна модель відноситься до електровимірювальної техніки і може використовуватися для рішення задач навігації і керування рухливими об'єктами (судна, кораблі, підводні човни, авіаційно-космічні літальні апарати, автомобілі, залізничний транспорт), коли необхідно забезпечити визначення й обчислення в реальному часі прискорень одночасно по шести координатах - по трьох лінійних і трьох кутових з похибкою не більш 0,1%. Відомо про одноосьові лінійні і маятникові акселерометри з магнітними підвісами, що працюють за принципом силової компенсації. Чутливий елемент виконано у вигляді геометрично правильного циліндра з півосями, на яких жорстко закріплені феромагнітні ротори, що виконують функції як елементів магнітного підвісу, так і роторів датчика кута і датчика моменту. Чутливий елемент (ЧЕ) оточено спеціальною рідиною, що служить як для гідростатичного зважування ЧЭ, так і для в'язкого демпфірування ["Теория и применение электромагнитных подвесов" Ю.А. Осокин, В.Н. Герди, К.А. Майков, Н.Н. Станкевич, 1980, с.258-259]. Загальною ознакою аналога з заявленим технічним рішенням є електромагнітний підвіс. Однак для такого датчика характерна складність конструкції і невисока точність. Прототипом пропонованої корисної моделі може служити акселерометр із шістьма ступенями свободи на електромагнітній підвісці [заявка Франції №2594957, МПК 4 G01P15/13], що являє собою інерціальний датчик і найбільш близький до пропонованого винаходу. Трьохосьовий акселерометр із шістьма ступенями свободи вимірює одночасно три лінійних і три кутових прискорення відносно трьох осей прямокутної системи координат, при цьому підвіска рухливої частини датчика виконана без механічних з'єднань з корпусом, за рахунок електромагнітного ефекту. Рухлива частина багатокомпонентного ЧЕ такого датчика утворена просторовою хрестоподібною деталлю із шістьма стрижнями однакових розмірів, орієнтується і стабілізується щодо корпуса датчика за допомогою шести незалежних ланцюгів зворотного зв'язку, кожна з який складається з детектора відхилення, ємнісного й індуктивного датчиків і електродвигунів постійного струму з постійними магнітами. Загальними з корисною моделлю, що заявляється, ознаками є: хрестовина, електромагнітний підвіс, наявність ланцюгів зворотного зв'язку. Однак тут зменшена чутливість внаслідок великої пружності, а також неминучий взаємний вплив системи електродвигуна і підвісу, що особливо буде позначатися при дії лінійних перевантажень і зсувів ротора, що забезпечує перевантажувальну здатність тільки до ЗОд і знижує точність вимірів. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення багатокомпонентного чутливого елемента інерціального датчика, у якому завдяки О) 7176 заміні конструкції і принципу ди електромагнітного підвісу, а також матеріалу хрестовини збільшено перевантажувальну здатність ЧЕ, зменшено його масогабаритні показники, а за рахунок цього на кілька порядків підвищено чутливість датчика і поліпшено точність вимірів Поставлену задачу вирішують тим, що в багатокомпонентному чутливому елементі інерціального датчика, що містить шість активних електромагнітних ПІДВІСІВ з чутливими компонентами, закріпленими на хрестовині, і забезпеченими ЗОВНІШНІМИ зворотними зв'язками, згідно з корисною моделлю, застосовані електромагнітні ПІДВІСИ на змінному струмі, у яких чутливі компоненти виконані із матеріалу з високою магнітною проникністю у вигляді Ш-подібних осердь статорів і плоских роторів, при цьому площини чутливих компонентів орієнтовані перпендикулярно ВІДПОВІДНІЙ ОСІ хрестовини Кожен із шести ЗОВНІШНІХ зворотних зв'язків МІСТИТЬ індуктивний датчик з котушкою компенсації на бічних стрижнях осердь статора і котушкою збудження на середньому стрижні осердя статора Хрестовину, до якої кріпиться електромагнітний ПІДВІС, виконано з берілія, електрона чи алюмінію Переваги використання Ш-подібних осердь у тім, що можлива розв язка магнітних ланцюгів резонансного підвісу і магнітного ланцюга каналу силової компенсації, для чого котушки розміщені на бічних стрижнях осердь статора Це дозволяє забезпечити перевантажувальну здатність більш ЗОд Пропоноване технічне рішення відрізняється застосуванням активного електромагнітного підвісу на змінному струмі, у якому регулювання струму здійснюється введенням зовнішнього зворотного зв'язку, що керує струма ми, які фіксуються індуктивним датчиком Переваги такої системи складаються в більш високій швидкодії, тому що явно виявлений зворотний зв'язок робить більш легким регулювання крутості зміни струмів, у можливості забезпечення меншого рівня моментів, що обурюють, у більшому діапазоні можливих значень центрованої сили внаслідок малої пружності і явища магнітного резонансу, що зменшує поріг чутливості датчика і збільшує точність вимірів Основою для розробки і створення вимірювального перетворювача на магнітному ПІДВІСІ є математична модель електромагнітного перетворювача (ЕП) підвісу Основним елементом, що формує силову характеристику електромагнітного підвісу, є Ш-подібний електромагніт Повна система рівнянь електромагнітного перетворювача сили має вигляд (1) U Гіг На змінному струмі при виконанні умов со » Q o , система (1) зменшується до двох рівнянь (2) x=V ) = gRM + Хм cow* де Um - амплітудне значення напруги на електромагніті, а - частота живильної напруги Розроблена математична модель ЕП підвісу дає досить простий вираз залежності електромагнітної сили від найбільш істотних параметрів Живлення електромагніта змінним струмом знижує негативний вплив пстерезюа на процес намагнічування матеріалу і зводить до мінімуму залишкову намагніченість магнітопроводів, що вносить однозначність у розрахунок сил, пружності й СТІЙКОСТІ Використання даної моделі дозволяє з'єднати функції підвісу і датчика в єдиній структурі, зменшити масогабаритні показники ЧЕ і побудувати багатокомпонентний вимірник ЛІНІЙНИХ і кутових прискорень рухливого об'єкта В електромагнітному ПІДВІСІ магнітопровод виготовлено з матеріалу з високою магнітною проникністю ферита 3000МТ чи пермалою 79НМ Хрестовину виконано з берилію, електрона чи алюмінію для зменшення ваги конструкції Ротори також виготовлені з ферита 3000МТ чи пермалою 79НМ На рисунках показано принципову схему розміщення ПІДВІСІВ на хрестовині (Фіг 1), схема чутливого елемента (вид спереді) - Фіг 2 і принципова електрична схема одного з шести електромагніт (2) •*мр них ПІДВІСІВ (Фіг 3) Чутливий елемент містить інерційну масу, що складається з хрестовини 1, на якій жорстко перпендикулярно осям закріплені ротори 2 Інерційна маса левітірує у магнітному полі дванадцяти електромагнтв-статорів 3, закріплених на корпусі ЧЕ 4 і орієнтованих перпендикулярно осям хрестовини Дванадцять датчиків переміщень складаються з котушок збудження 5, намотаних на середній стрижень осердя статора, і котушок силової компенсації 6, намотаних на бічні стрижні осердя статора Як приклад виконання узято осердя статора стандартного типорозміру Ш 7x7, ротори плоскі розміром 30x3x7 Розрахункова маса ротора т я =24,079г Добротність резонансного ланцюга дорівнює 3 Повітряний зазор між статором і ротором Хо=О,1мм Резонансний ланцюг живиться від джерела змінного струму напругою U=5B, частотою І=10кГц Розрахункова ємність конденсатора С=0,424мкф Розрахунковий опір резонансного ланцюга R p =12,50м Для забезпечення розрахункового опору в ланцюг включено додатковий опір Rflo6, активний опір якого обчислюється як різниця між розрахунковим Rp і реальним опором 7176 Багатокомпонентний чутливий елемент інерціального датчика працює так. При русі рухливого об'єкта, на якому встановлено датчик прискорень, інерційна маса (хрестовина) 1 чутливого елемента змінює своє положення, переміщаючи при цьому ротори 2 у напрямку до статорів 3, змінюючи повітряний зазор між ними. Через вимірювальні обмотки 5 інформація про зміну повітряного зазору надходить у вигляді сигналу збудження на підсилювальні каскади, виконані на МДП-транзисторах 7 (Фіг.З). Ланцюг силової компенсації побудовано на використанні операційних підсилювачів К140УД7 9, що живляться постійною напругою. До виходів каскаду через обмежувальні резистори підключені компенсаційні обмотки 6. По компенсаційних обмотках протікають струми Ь і І2, що приводять до появи центрової сили, реакції електромагнітів, яка прагне вернути ротор 2, а, отже, і хрестовину 1, у початкове положення. Цим забезпечується зворотний зв'язок слідкуючої системи електромагнітного підвісу. Таким чином, сили, створювані кожною парою електромагнітів, прагнуть утримувати інерційну масу в центральному положенні. Центрова сила пропорційна різниці квадратів струмів, а на виходах операційних підсилювачів напруга пропорційна різниці струмів в обмотках, тому датчик прискорень буде мати нелінійну характеристику. Нелінійність можна компенсувати, якщо заживити компенсаційні обмотки від джерела стабілізованого струму. Для демпфірування коливань ротора 2 використано рівнобіжний RC-фільтр 8, що підключається паралельно до кожній з котушок 6. Для зменшення ваги конструкції ЧЕ хрестовину виконано з берилію, електрона чи алюмінію і внаслідок легкості матеріалу вона швидше досягає стану левітації. В електромагнітному підвісі електромагніт та осердя якоря виготовлені з матеріалу з високою магнітною проникністю: ферита 3000МТ чи пермалою 79НМ, що дозволяє зменшити втрати на перемагнічування і підвищити чутливість. Пропонована корисна модель забезпечує перевантажувальну здатність більш ЗОд, дозволяє на порядок підвищити точність і на кілька порядків - чутливість інерціального датчика. З'єднання функцій підвісу і датчика в єдиній структурі, що забезпечує формування інваріантної характеристики, яка зв'язує силу з інформаційним параметром, дозволяє вирішити проблему створення багатокомпонентних одномасових приладів для виміру сили і цілого ряду інших фізичних параметрів, перетворених у силу. 4 6 X Комп'ютерна верстка А. Рябко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ - 42, 01601