подольский акселерометр линейного ускорения

Формула изобретения

ПОДОЛЬСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЯ

1. Акселеpометp линейного ускоpения, содеpжащий коpпус с боковыми полками в виде швеллеpа в сечении, напpавляющий стеpжень, pасположенный вдоль оси чувствительности, установленный на напpавляющий стеpжень и подпpужиненный относительно коpпуса инеpционный гpуз, демпфеp и pегистpатоp, отличающийся тем, что с целью исключения систематической ошибки от силы тяжести, в него введены кинематически связанные между собой зубчатое колесо, являющееся инеpционным гpузом, и зубчатая pейка, котоpая соединена с объектом, пpичем зубчатое колесо установлено на напpавляющем стеpжне, котоpый подвижно установлен в соосные отвеpстия боковых полок коpпуса, пpи этом pегистpатоp выполнен в виде шкального отсчетного устpойства, стpелка котоpого связана с напpавляющим стеpжнем, а имеющая возможность пpедваpительной настpойки шкала pасположена на коpпусе.

2. Акселеpометp по п. 1, отличающийся тем, что зубчатая pейка установлена подвижно в соосные отвеpстия боковых полок коpпуса, а ее пpодольная ось паpаллельна напpавляющему стеpжню.

3. Акселеpометp по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что напpавляющий стеpжень в сpедней части имеет осевую сквозную полость, в котоpой на оси подвижно установлено зубчатое колесо.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения линейного ускорения самых различных конструктивных элементов механизмов и машин (объектов), совершающих преимущественно возвратно-поступательное прямолинейное движение.

Такие линейные ускорения в настоящее время часто измеряются маятниковыми акселерометрами (см. Коновалов С. Ф. , Никитин Е. А. , Селиванова Л. М. , Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III, Акселерометры, датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопы и гироинтеграторы. М. : Высшая школа, 1980, с. 7, рис. 1-2. ). Конструкция такого акселерометра состоит с двух частей:

жестко связанного с объектом измерения корпуса, в котором размещены подпружиненный относительно корпуса снабженный валом и грузом маятниковый чувствительный элемент, преобразующий угловое перемещение вала в электрический сигнал движковый потенциометр, успокаивающий колебания груза цилиндрическо-поршневой гидравлический демпфер; связанного с неподвижной стойкой преобразователя, полученного в процессе измерения электрического сигнала в визуально определяемые показания шкальным отсчетным устройством значения измеряемого линейного ускорения.

Первый недостаток рассматриваемого маятникового акселерометра заключается в том, что для его использования необходим источник электрической энергии. Такой генератор электрического тока является своего рода составной частью акселерометра.

Вторым недостатком аналога является то, что при повышенных значениях линейного ускорения силы инерции вызывают существенные деформации или даже разрушения измеряемого объекта.

Третий недостаток аналога - его конструктивная сложность.

Четвертым недостатком аналога является его невысокая точность визуально определяемых значений линейного ускорения объекта. Данный недостаток вызван главным образом двумя причинами.

Известно, что важнейшее требованием в инерционном измерителе линейного ускорения - требование совпадения его оси чувствительности с направлением движения измеряемого объекта. Особенностью же маятникового акселерометра линейного ускорения является то, что в процессе измерения направление его оси чувствительности относительно направления движения измеряемого объекта изменяется. Поэтому принятая в аналоге равномерность шкалы отсчетного устройства линейного ускорения является весьма приближенной.

В современных механизмах и машинах значение угла наклона между направлением движений рассматриваемых объектов измерения линейного ускорения и горизонтальной плоскостью самое разнообразное, т. е. в общем случае представляется выражением 0^о 90^о (при = 0^о - движение горизонтальное, а при = 90^о - движение вертикальное). Поэтому при выполнении измерения линейного ускорения объекта всегда необходимо учитывать значение составляющей q ускорения силы тяжести в первую очередь инерционного груза по направлению его перемещения. При этом значение q как проекции на ось чувствительности акселерометра определяется выражением

q = -q_osin, где q_o - значение направленного вниз обычного ускорения силы тяжести 9,18 м/с².

В рассматриваемом маятниковом акселерометре не предусмотрено компенсирование составляющей ускорения q силы тяжести. Поэтому такие акселерометры работают с систематической ошибкой, пропорциональной значению q. Данная систематическая ошибка только отсутствует при = 0^о, т. е. когда направление линейной скорости измеряемого объекта горизонтальное. Максимальное значение систематической ошибки имеет место при = 90^о, т. е. когда направление линейной скорости измеряемого объекта вертикальное.

Рассматриваемое линейное ускорение объектов нередко измеряют акселерометром с поступательно перемещающимся подпружиненным грузом. Такой акселерометр называют еще осевым (см. Коновалов С. Ф. , Никитин Е. А. , Селиванова Л. М. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. Акселерометры, датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопы и гироинтеграторы. М. : Высшая школа, 1930, с. 5, рис. 1.1). Конструкция данного акселерометра как прототипа настоящего изобретения также состоит из двух частей: жестко связанного с объектом измерения корпуса (с швеллерным поперечным сечением), в котором размещены установленный в соосные отверстия верхних боковых полок направляющий стержень, продольная ось которого - ось чувствительности акселерометра, установленный на направляющих стержень и подпружиненный относительно корпуса инерционный груз, равнодействующая сил инерции которого соосна с осью чувствительности акселерометра, преобразующий осевое линейное перемещение инерционного груза в электрический сигнал движковый потенциометр, успокаивающий колебания инерционного груза наполненный жидкостью цилиндрическо-поршневый демпфер; связанного с неподвижной стойкой преобразователя, полученного в процессе измерения электрического сигнала в визуально определяемые показания шкальным отсчетным устройством значения измеряемого ускорения.

Как и в случае рассмотрения маятникового акселерометра, первым недостатком осевого акселерометра является то, что для использования последнего необходимо располагать источником электрической энергии. Последний является составной частью акселерометра.

Второй и третий недостатки маятникового акселерометра полностью имеются и в рассматриваемом осевом акселерометре. В отношении же точности визуально определяемых значений линейного ускорения осевой акселерометр имеет одно преимущество: в процессе измерения направление его оси чувствительности относительно направления движения измеряемого объекта не изменяется. Поэтому принятая в прототипе равномерность шкалы отсчетного устройства линейного ускорения обоснована. Однако в данном акселерометре не предусмотрено компенсирование составляющей ускорения q силы тяжести. Поэтому осевые акселерометры как и маятниковые работают с систематической ошибкой, пропорциональной значению q.

Целью изобретения является создание предельно простого с конструктивной точки зрения осевого инерционного акселерометра линейного ускорения объектов, совершающих преимущественно возвратно-поступательные прямолинейные движения, без использования источника электрической энергии, при существенно уменьшенном воздействии сил инерции корпуса и размещенных в нем конструкций на объект измерения и практически без систематической ошибки в связи с воздействием на процесс измерения составляющей ускорение силы тяжести инерционного груза, направляющего стержня и других конструктивных элементов.

Достижение цели обеспечивается тем, что в конструкции акселерометра используется зубчатая передача с речным зацеплением зубьев (см. Артобелевский И. И. Теория механизмов и машин. М. : Наука, 1975, с. 152-153, рис. 7.11 и Павлов Я. М. Детали машин. Л. , 1969, с. 93-94), преобразующая прямолинейное поступательное движение измеряемого объекта во вращательное движение инерционного груза, и осуществлена компенсация влияния составляющей ускорение q силы тяжести путем соответствующего смещения шкалы отсчетного устройства акселерометра. Данная компенсация осуществляется при связанном объекте измерения с акселерометром.

Конструктивная схема предлагаемого измерителя линейного ускорения представлена на чертеже.

Измеритель представляет собой плоский механизм, содержащий корпус 1 (с швеллерным поперечным сечением), подвижно установленный в соосные отверстия боковых полок корпуса, снабженный торцовыми опорными шайбами направляющий стержень 2, подпружинивающие направляющий стержень относительно корпуса пружины 3, зубчатую передачу с реечным зацеплением (цилиндрическое зубчатое колесо 4, неподвижно связанная с направляющим стержнем и подвижно связанная с цилиндрическим зубчатым колесом поддерживающая ось 5, подвижно установленная в соосные отверстия боковых полок корпуса находящаяся в зубчатом зацеплении с зубчатым колесом зубчатая рейка 6), неподвижно связанный с боковой полкой корпуса демпфер 7, шток которого поводком 8 связан с направляющим стержнем, шкальное отсчетное устройство визуальной индикации значений линейного ускорения (снабженная продольной прорезью шкала 9, связанная с направляющим стержнем указательная стрелка 10, закрепляющий на корпусе шкалу винт 11). Позицией 12 обозначен измеряемый объект, который штифтом 13 связан с определенной длины зубчатой рейкой. Неподвижная стойка, к которой крепится во время измерений линейного ускорения корпус 1, условно не показана.

В рассматриваемой конструкции как плоском механизме ось рейки параллельна оси направляющего стержня. При этом направляющий стержень в средней части имеет осевую сквозную полость, в которой размещено зубчатое колесо. Последнее подвижно связано с поддерживающей осью 5. Поддерживающая ось и направляющий стержень связаны между собой неподвижно. Их продольные оси пересекаются под углом 90^о.

Перед выполнением измерений линейного ускорения рейка 6 настоящего акселерометра должна быть надежно связана с измеряемым объектом 12, а корпус 1 надежно установлен на неподвижную стойку. При этом направление оси чувствительности акселерометра должно совпадать с направлением движения измеряемого объекта 12.

Если данный акселерометр связан с измеряемым объектом так, что его ось чувствительности совпадает с направлением движения объекта, то при положительном значении угла наклона составляющая ускорения q силы тяжести направляющего стержня 2, инерционного зубчатого колеса 4 и других деталей вызывает определенное смещение стрелки 10 - в левую сторону. Следовательно, для того, чтобы акселерометр не работал с данной систематической ошибкой, рационально нулевое значение шкалы 9 сместить также влево на данное отклонение стрелки 10 и закрепить шкалу винтом 11 в новом нулевом положении. В случае же отрицательного значения нулевое значение шкалы 9 перед выполнением изменений линейного ускорения фиксируется винтом 11 в определенном правом смещении.

Работает акселерометр следующим образом. В случае установившегося в правую сторону равноускоренного прямолинейного движения связанного с рейкой 6 измеряемого объекта 12 будет равноускоренно вращаться (против часовой стрелки) относительно поддерживающей оси 5 выполняющее функции инерционного груза связанное с рейкой 6 цилиндрическое зубчатое колесо 4. При этом неизбежно появляются:

а) определенного постоянного значения момент пар сил инерции зубчатого колеса 4 относительно связанной с направляющим стержнем 2 поддерживающей ось 5. Направление данного момента пар сил инерции будет по часовой стрелке;

б) приложенная к направляющему стержню 2 (по его продольной оси) осевая сила инерции. Значение этой осевой силы инерции пропорционально как моменту инерции зубчатого колеса 4, так и значению линейного ускорения объекта 12.

В рассматриваемом случае направление отмеченной осевой силы инерции будет в левую сторону, т. е. противоположно направлено перемещению объекта 12. При этом произойдет сжатие левой пружины 3 и определенное перемещение в правую сторону (относительно "0" отметки на шкале 9) указательной стрелки 10.

Чем больше установившееся значение рассматриваемого линейного ускорения измеряемого объекта 12, тем будет больше установившееся отклонение в правую сторону указательной стрелки 10.

В случае установившегося направленного в левую сторону равноускоренного прямолинейного движения связанного с рейкой 6 измеряемого объекта 12 будет равноускоренно вращаться, но уже по часовой стрелке (относительно поддерживающей оси 5), зубчатое колесо 4.

Учитывая вышеизложенное, следует, что при данном движении объекта 12 происходит сжатие уже правой пружины 3 и определенное перемещение в левую сторону (относительно "0" отметки на шкале 9) указательной стрелки 10.

При рассмотренных равноускоренных прямолинейных движениях измеряемого объекта 12 направление его скорости совпадает с направлением его линейного ускорения, а осевая сила инерции действует в сторону, противоположную движению. В случае же равнозамедленного движения объекта 12, когда линейное ускорение направлено в сторону, обратную скорости, осевая сила инерции действует по направлению его движения.

Связанный с направляющим стержнем 2 поводком 8 гидравлический демпфер 7 реагирует только на линейную скорость этого стержня. Он гасит его нежелательные колебания при переходных процессах. В рассматриваемых случаях при установившихся режимах поводок 8 подвергается смещениям, аналогичным смещениям указательной стрелки 10.

На этих особенностях базируются рабочие процессы акселерометра при неравномерноускоренном и неравномернозамедленном линейном ускорении объекта 12. Отличительной особенностью здесь является только то, что в связи с инерционностью находящихся в движении ряда конструктивных элементов акселерометра, упругостью пружин 3, гидравлическим сопротивлением демпфера 7 и показания отсчетного устройства при переходных процессах содержат некоторую динамическую ошибку.

Использование настоящего изобретения позволяет выполнить измерения линейного ускорения конструктивных элементов механизмов и машин без источника электрической энергии при существенном уменьшении значений воздействующих на измеряемые объекты сил инерции, практически полностью исключить систематиче- ские ошибки акселерометра в связи с наличием составляющей ускорения силы тяжести инерционного груза и связанных с ним конструктивных элементов. (56) Коновалов С. Ф. и др. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. Акселерометры. М. : Высшая школа, 1980, с. 7, рис. 1-2.