RU2082173C1

RU2082173C1 - Spatial electromagnetic accelerometer

Info

Publication number: RU2082173C1
Application number: RU94007963A
Authority: RU
Inventors: А.П. Буравлев; Б.В. Дудницын; Л.А. Левин; О.Л. Мумин; В.В. Сумароков
Original assignee: Мумин Олег Леонидович
Priority date: 1994-03-02
Filing date: 1994-03-02
Publication date: 1997-06-20
Also published as: RU94007963A

Abstract

FIELD: self-contained navigation systems and moving objects control systems. SUBSTANCE: ferromagnetic sensing mass 2 is suspended in the accelerometer ferromagnetic casing consisting of two halves 1. The suspension power elements are made in the form of eight electromagnetic coils 4 located in fours in each casing half 1 in two mutually perpendicular planes at angle α =54,7^° to the axis of symmetry. Variable-capacitance position pickups 6 of sensing mass 2 are connected to the follow-up system, including series- connected preamplifiers 7, linear transducer 8 of position pickup signals to an orthogonal coordinate system, correction units 9, linear signal transducer-distributor 10 and output amplifiers. The output of transducer-distributor 10 is also connected to electromagnetic coils 4. EFFECT: improved design. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано в автономных навигационных системах, системах управления движущимися объектами, для измерения сил, действующих на движущийся объект. The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in autonomous navigation systems, control systems for moving objects, to measure the forces acting on a moving object.

Известен пространственный акселерометр с электростатическим подвесом, содержащий сферическую электропроводящую чувствительную массу, силовые элементы подвеса, систему датчиков положения чувствительной массы, следящие системы, включающие блоки коррекции, выходные усилители, корпус из двух одинаковых частей с общей осью симметрии [1]
К недостаткам прибора можно отнести:
малую подъемную силу (при напряженности поля 2•10⁷ В•м^-1 плотность подъемных сил составляет 0,2 Н•см^-2;
необходимость для работы подвеса иметь в полости корпуса глубокий вакуум, что резко усложняет конструкцию и технологию изготовления прибора;
противоречие между простотой конструкции корпуса из 2-х одинаковых половин и трехосным ортогональным подвесом чувствительной массы, при таком подвесе четыре силовых поля "разрезаются" пополам или требуется усложнение конструкции корпуса.Known spatial accelerometer with an electrostatic suspension containing a spherical electrically conductive sensitive mass, power elements of the suspension, a system of sensors for the position of the sensitive mass, tracking systems, including correction units, output amplifiers, a housing of two identical parts with a common axis of symmetry [1]
The disadvantages of the device include:
low lifting force (at a field strength of 2 • 10 ⁷ V • m ^{-1 the} density of the lifting forces is 0.2 N • cm ^-2 ;
the need for the suspension to have a deep vacuum in the body cavity, which greatly complicates the design and manufacturing technology of the device;
a contradiction between the simplicity of the design of the body of 2 equal halves and the triaxial orthogonal suspension of the sensitive mass, with such a suspension, four force fields are "cut" in half or complication of the design of the body is required.

Известен пространственный акселерометр с электромагнитным подвесом с электропроводящей сферической чувствительной массой, силовыми элементами подвеса, системой датчиков положения чувствительной массы, содержащей следящие системы, включающей блоки коррекции, выходные усилители, корпус. [2]
Акселерометр содержит сферическую немагнитную массу из электропроводящего материала, взвешенную в переменном магнитном поле шести катушек, расположенных симметрично по две на каждой взаимно перпендикулярной оси прибора. Взвешивание чувствительной массы осуществляется за счет взаимодействия вихревых токов, возбуждаемых в чувствительной массе переменным магнитным полем катушек. Соосно с катушками, вблизи чувствительной массы расположены емкостные датчики положения, включенные в мостовые схемы. Сигналы с емкостных мостов поступают непосредственно и через дифференцирующее устройство в регулятор, а оттуда в виде тока в катушки.Known spatial accelerometer with an electromagnetic suspension with an electrically conductive spherical sensitive mass, power elements of the suspension, a system of sensors for the position of the sensitive mass containing tracking systems, including correction units, output amplifiers, housing. [2]
The accelerometer contains a spherical non-magnetic mass of electrically conductive material, suspended in an alternating magnetic field of six coils located symmetrically in two on each mutually perpendicular axis of the device. The weighing of the sensitive mass is carried out due to the interaction of eddy currents excited in the sensitive mass by the alternating magnetic field of the coils. Coaxial with the coils, near the sensitive mass are capacitive position sensors included in the bridge circuit. Signals from capacitive bridges come directly and through a differentiating device to the controller, and from there in the form of current to the coils.

Акселерометр с электромагнитным подвесом не требует для своей работы вакуума. An accelerometer with an electromagnetic suspension does not require a vacuum for its operation.

Недостатками этого прибора являются:
низкая подъемная сила подвеса, что вызвано, в основном, большим воздушным зазором, а, следовательно, большим магнитным сопротивлением между катушками и чувствительной массой;
сохранением противоречия между конструкцией корпуса и ортогональной системой подвеса, которая "разрезает" четыре катушки или требует усложнения корпуса.The disadvantages of this device are:
low lifting force of the suspension, which is caused mainly by a large air gap, and, therefore, a large magnetic resistance between the coils and the sensitive mass;
maintaining a contradiction between the design of the housing and the orthogonal suspension system, which "cuts" four coils or requires complication of the housing.

Целью изобретения является увеличение подъемной силы повеса и упрощение конструкции корпуса. The aim of the invention is to increase the lifting force of the hang and simplifying the design of the housing.

Указанная цель достигается тем, что в пространственном акселерометре с электромагнитным подвесом, содержащем сферическую чувствительную массу, силовые элементы подвеса, датчики положения чувствительной массы, подключенные к следящей системе, включающей предварительные усилители, блоки коррекции и выходные усилители, и корпус, выполненный из двух одинаковых частей с общей осью симметрии, силовые элементы подвеса выполнены в виде восьми электромагнитных катушек, расположенных по четыре в каждой половине корпуса, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под углом

к оси симметрии, корпус и чувствительная масса выполнены из ферромагнитного материала, а в следящую систему введены линейный преобразователь сигналов положения в ортогональную систему координат и линейный преобразователь распределитель сигналов, при этом первый из них по своему входу соединен с предварительными усилителями, а по выходу блоками коррекции, а линейный преобразователь-распределитель сигналов соединен по входу с блоками коррекции, а по выходу с выходными усилителями и электромагнитными катушкам.This goal is achieved by the fact that in a spatial accelerometer with an electromagnetic suspension containing a spherical sensitive mass, power elements of the suspension, position sensors of the sensitive mass connected to a servo system including preamplifiers, correction units and output amplifiers, and a housing made of two identical parts with a common axis of symmetry, the suspension power elements are made in the form of eight electromagnetic coils located four in each half of the body, in two mutually perpendicular angular planes at an angle

to the axis of symmetry, the housing and the sensitive mass are made of ferromagnetic material, and a linear transducer of position signals into an orthogonal coordinate system and a linear transducer of signal distributors are introduced into the servo system, the first of which is connected to the preliminary amplifiers at its input, and to the output blocks of correction and the linear converter-distributor of signals is connected at the input to the correction units, and at the output to output amplifiers and electromagnetic coils.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен разрез корпуса акселерометра по плоскости; на фиг.2 вид сверху на половину корпуса с чувствительной массой; на фиг.3 примерная блок-схема управления подвесом по одному каналу; на фиг.4 ортогональная система координат x,y,z и одна ось силовых элементов; на фиг.5 куб с диагоналями, по которым в приборе направлены оси силовых элементов и ортогональной системы координат. The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 shows a section of the accelerometer housing in a plane; figure 2 is a top view of half of the housing with a sensitive mass; figure 3 an exemplary block diagram of the suspension control on a single channel; figure 4 orthogonal coordinate system x, y, z and one axis of the power elements; in Fig. 5, a cube with diagonals along which the axes of the power elements and the orthogonal coordinate system are directed in the device.

На фиг.1 обозначено: 1 половина корпуса акселерометра, 2 - чувствительная масса, 3 сердечник силового элемента подвеса, 4 катушка силового элемента подвеса, 5 электрод емкостного датчика положения. Figure 1 indicates: 1 half of the accelerometer housing, 2 - sensitive mass, 3 core of the suspension power element, 4 coil of the suspension power element, 5 electrode of the capacitive position sensor.

На фиг.3 дополнительно обозначено: 6 датчик положения, 7 - предварительный усилитель, 8 линейный преобразователь координат, 9 блок коррекции, 10 преобразователь координат распределитель сигналов. Figure 3 is additionally indicated: 6 position sensor, 7 - pre-amplifier, 8 linear coordinate converter, 9 correction unit, 10 coordinate converter signal distributor.

В центральной сферической полости ферромагнитного ферритового корпуса акселерометра, изготовленного из двух одинаковых половин 1, свободно взвешенная сферическая ферромагнитная (или ферритовая) чувствительная масса 2. В каждой половине корпуса сделаны четыре цилиндрических отверстия с сердечниками 3 внутри. Оси отверстий и сердечники 3 расположены под углом

к оси симметрии корпуса. Друг относительно друга отверстия и сердечники 3 в каждой половине корпуса расположены под углом 90^o. Внутри отверстия на сердечники 3 надеты катушки 4 силового элемента подвеса. Силовой элемент подвеса содержит ферромагнитный сердечник 3 и катушку 4.In the central spherical cavity of the ferromagnetic ferrite body of the accelerometer made of two identical halves 1, a freely weighted spherical ferromagnetic (or ferrite) sensitive mass 2. In each half of the body are four cylindrical holes with cores 3 inside. The axis of the holes and the cores 3 are located at an angle

to the axis of symmetry of the body. Holes and cores 3 in each half of the housing are 90 ^° apart from each other. Inside the hole on the cores 3 put on the coil 4 of the power element of the suspension. The suspension power element contains a ferromagnetic core 3 and a coil 4.

Таким образом, силовые элементы подвеса расположены по направлению на диагоналях куба, вписанного в корпус. Этот куб показан на фиг.5. На конце каждого сердечника 3 жестко закреплен (например, с помощью клея), изолированный электрически от корпуса электрод 5 емкостного датчика положения чувствительной массы. Конец электрода 5, обращенный к чувствительной массе 2, имеет форму эквидистантную чувствительной массе. При расположении чувствительной массы в центре подвеса корпуса расстояние между поверхностью чувствительной массы 2 и поверхностью электрода 5 равно d₀ - номинальному рабочему зазору. Электрод соединен с датчиком положения 6 (например, емкостным мостом переменного тока) электрическим проводником (на чертеже не показан).Thus, the suspension power elements are located in the direction on the diagonals of the cube inscribed in the housing. This cube is shown in FIG. At the end of each core 3 is rigidly fixed (for example, with glue), an electrode 5 of a capacitive sensor for sensing mass position, electrically isolated from the housing. The end of the electrode 5, facing the sensitive mass 2, has the form of an equidistant sensitive mass. When the sensitive mass is located in the center of the housing suspension, the distance between the surface of the sensitive mass 2 and the surface of the electrode 5 is equal to d ₀ - the nominal working gap. The electrode is connected to a position sensor 6 (for example, a capacitive bridge of alternating current) by an electrical conductor (not shown).

С датчика положения 6 сигнал о смещении чувствительной массы 2, под действием ускорения "а" (см. фиг.3) поступает на предварительный усилитель 7, с предварительного усилителя 7 на преобразователь координат 8, который преобразует сигнал неортогональной системы координат прибора в ортогональную систему координат, затем сигнал подается в блок коррекции 9, с выхода которого подается в систему управления объекта (или систему информации) и одновременно в преобразователь-распределитель 10, который преобразует обработанный в блоке коррекции сигнал из ортогональной системы координат в неортогональную систему координат и распределяет его по силовым элементам подвеса прибора (катушки 4). From the position sensor 6, the signal about the displacement of the sensitive mass 2, under the action of the acceleration "a" (see Fig. 3), is fed to the pre-amplifier 7, from the pre-amplifier 7 to the coordinate transformer 8, which converts the signal of the non-orthogonal coordinate system of the device into an orthogonal coordinate system , then the signal is supplied to the correction unit 9, the output of which is fed to the object’s control system (or information system) and simultaneously to the distributor-distributor 10, which converts the signal processed in the correction unit and h of the orthogonal coordinate system into a non-orthogonal coordinate system and distributes it among the power elements of the device suspension (coil 4).

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

При включении питания во все силовые элементы подвеса подается одинаковый ток I₀, который создает силу F₀, взвешивающую чувствительную массу 2, при отсутствии ускорения в центре подвеса. При этом между электродами 5 и поверхностью чувствительной массы 2 образуется рабочий зазор d₀. При действии ускорения "а" в произвольном направлении в этом направлении смещается чувствительная масса 2, и изменяются зазоры между электродами 5 и поверхностью чувствительной массы, т. е. изменяются емкости в датчиках положения. Изменение емкостей в датчиках положения приводит к появлению на выходе датчиков сигнала, по амплитуде и фазе пропорционального смещению чувствительной массы 2 под действием ускорения. Этот сигнал в следящей системе, состоящей из предварительного усилителя, преобразователя координат, блока коррекции, преобразователя-распределителя, выходного усилителя, преобразуется в изменение тока в катушках 4, при этом ток в катушке 4, к которой приблизилась чувствительная масса 2, уменьшается, а ток в катушке, от которой чувствительная масса удаляется увеличивается. Изменение тока в катушках создает силу, стремящуюся вернуть чувствительную массу в первоначальное положение, т.е. компенсировать действующее на чувствительную массу ускорение. Изменение тока в такой системе пропорционально действующему ускорению.When you turn on the power to all the power elements of the suspension the same current I ₀ is applied, which creates a force F ₀ , weighing the sensitive mass 2, in the absence of acceleration in the center of the suspension. In this case, between the electrodes 5 and the surface of the sensitive mass 2, a working gap d _{0 is formed} . Under the action of acceleration “a”, the sensitive mass 2 shifts in this direction in this direction, and the gaps between the electrodes 5 and the surface of the sensitive mass change, that is, the capacitances in the position sensors change. The change in capacitance in the position sensors leads to the appearance of a signal at the output of the sensors, in amplitude and phase proportional to the displacement of the sensitive mass 2 under the action of acceleration. This signal in the servo system, consisting of a pre-amplifier, coordinate converter, correction unit, distribution converter, output amplifier, is converted to a change in current in coils 4, while the current in coil 4, to which the sensitive mass 2 approached, decreases, and the current in the coil, from which the sensitive mass is removed increases. The change in current in the coils creates a force tending to return the sensitive mass to its original position, i.e. compensate the acceleration acting on the sensitive mass. The change in current in such a system is proportional to the effective acceleration.

Особенность данной системы заключается в неортогональности подвеса. A feature of this system is the non-orthogonality of the suspension.

В следящих системах акселерометров для удержания чувствительной массы в центре подвеса применяют интегрирование сигнала и тем самым создают силы по оси силовых элементов, возвращающие чувствительную массу в центр подвеса. In tracking systems of accelerometers, to integrate the sensitive mass in the center of the suspension, signal integration is used and thereby create forces along the axis of the force elements that return the sensitive mass to the center of the suspension.

В ортогональной системе подвеса появление силы по одной оси подвеса не создает силы по другим осям. В неортогональной системе появление силы по одной оси проектируется на другие оси и это может привести к тому, что прибор перестанет работать. Для исключения этого эффекта сигнал неортогональной системы преобразуется в ортогональгую систему координат, в ней производятся все действия над сигналом (дифференцирование, интегрирование и т. д), затем обработанный сигнал вновь поступает в неортогональную систему и распределяется по соответствующим силовым элементам. In an orthogonal suspension system, the appearance of a force along one axis of the suspension does not create a force along the other axes. In a non-orthogonal system, the appearance of a force along one axis is projected onto other axes and this can lead to the device ceasing to work. To eliminate this effect, the signal of the non-orthogonal system is converted into an orthogonal coordinate system, it performs all actions on the signal (differentiation, integration, etc.), then the processed signal is again fed to the non-orthogonal system and distributed to the corresponding power elements.

Дальнейшее рассмотрение работы предлагаемого устройства проведем на простых примерах. Further consideration of the work of the proposed device will carry out simple examples.

Оси, на которых расположены силовые элементы, направлены по диагоналям куба (см. фиг.5). Расположим оси ортогональной системы координат таким образом, как показано на фиг.5, т.е. оси x и y под углом 45^o к взаимно перпендикулярным плоскостям, в которых расположены основные элементы, а ось z по оси пересечения этих плоскостей.The axes on which the power elements are located are directed along the diagonals of the cube (see figure 5). Position the axes of the orthogonal coordinate system in the manner shown in FIG. 5, i.e. x and y axes at an angle of 45 ^o to mutually perpendicular planes in which the main elements are located, and the z axis along the intersection axis of these planes.

Так как оси силовых элементов расположены по диагоналям куба, то это значит, что синус, косинус и тангенс угла между осью z и направлением осей с силовыми элементами соответственно равны:

откуда угол α = 54,7^°.Since the axes of the force elements are located along the diagonals of the cube, this means that the sine, cosine and tangent of the angle between the z axis and the direction of the axes with the force elements are respectively equal:

whence the angle α = 54.7 ^° .

Предположим, что сила, действующая на чувствительную массу F₀, направлена по одной оси с силовыми элементами (см. фиг.4), которая составляет с осями x,y,z угол α.Suppose that the force acting on the sensitive mass F ₀ is directed along the same axis as the force elements (see Fig. 4), which makes the angle α with the axes x, y, z.

Тогда из условий симметрии проекции силы F₀ на оси координат будут равны друг другу, т.е. F_x=F_y=F_z. В этом случае можно записать (см. фиг.4):
F_z= F_ocosα

так как F_z=F_x, то

,
откуда α =54,7^°.Then, from the conditions of symmetry, the projections of the force F ₀ on the coordinate axis will be equal to each other, i.e. F _x = F _y = F _z . In this case, you can write (see figure 4):
F _z = F _o cosα

since F _z = F _x , then

,
whence α = 54.7 ^° .

Предположим, что действующее ускорение направлено по оси z. Тогда из условий симметрии проекций, действующие силы по оси силовых элементов должны быть одинаковыми и равными, т.е. F₁=F₂=F₃=F₄ (F_i суммарная сила, действующая по осям с силовыми элементами, i=1,2,3,4).Suppose that the effective acceleration is directed along the z axis. Then, from the conditions of symmetry of the projections, the acting forces along the axis of the force elements should be the same and equal, i.e. F ₁ = F ₂ = F ₃ = F ₄ (F _{i the} total force acting along the axes with the power elements, i = 1,2,3,4).

Для компенсации действующей силы в силовых элементах должны возникнуть силы, равные и противоположно направленные действующим составляющим, тогда:
F_z=(F₁+F₂+F₃+F₄)cosα = 4F₁cosα
Откуда сила, создаваемая по силовой оси, должна быть

Пусть теперь по оси x (или y) действует сила F_x (F_y), равная F_z. Для компенсации этой силы в осях с силовыми элементами должны возникнуть силы, равные

откуда F₁=F₂=F₃=F₄=

, но F_x=F_y=F_z
Таким образом, при принятом расположении осей силовых элементов, при действии одинаковых сил по осям ортогональной системы координат X,y,z в силовых осях возникают равные компенсационные силы, т.е. предлагаемый неортогональный подвес с расположением 8 силовых элементов по диагоналям куба является равножестким.To compensate for the acting force in the force elements should arise forces equal and oppositely directed by the active components, then:
F _z = (F ₁ + F ₂ + F ₃ + F ₄ ) cosα = 4F ₁ cosα
Where does the force created along the force axis have to be

Now let the force F _x (F _y ) equal to F _z act on the x (or y) axis. For compensation of this force in the axes with force elements, forces equal to

whence F ₁ = F ₂ = F ₃ = F ₄ =

but F _x = F _y = F _z
Thus, with the accepted arrangement of the axes of the force elements, under the action of the same forces along the axes of the orthogonal coordinate system X, y, z, equal compensation forces arise in the force axes, i.e. the proposed non-orthogonal suspension with an arrangement of 8 power elements along the diagonals of the cube is equally rigid.

При принятом техническом решении корпус состоит из 2-х равных половин, с общей осью симметрии, при этом исчезает противоречие между простотой конструкции корпуса и системой подвеса. Расположение силовых элементов подвеса не мешает изготовлению корпуса из двух половин, силовые элементы не попадают в разрез корпуса. With the technical solution adopted, the casing consists of 2 equal halves, with a common axis of symmetry, while the contradiction between the simplicity of the casing design and the suspension system disappears. The location of the suspension power elements does not interfere with the manufacture of the body from two halves, the power elements do not fall into the section of the body.

В принципе такой подвес уже может быть работоспособен, но неортогональность усложняет упражнение. In principle, such a suspension can already be operational, but non-orthogonality complicates the exercise.

Получающаяся при таком техническом решении неортогональность подвеса в предлагаемом изобретении компенсируется в системе управления двойным преобразованием координат из неортогональной системы в ортогональную, решение всех операций по корректировке и выдаче сигнала в ортогональной системе координат, а затем преобразование полученных сигналов в прежнюю неортогональную систему и распределение сигналов по соответствующим силовым элементам. The suspension non-orthogonality obtained with this technical solution in the present invention is compensated in the control system for double conversion of coordinates from the non-orthogonal system to the orthogonal, the solution of all operations for correcting and outputting the signal in the orthogonal coordinate system, and then the conversion of the received signals to the previous non-orthogonal system and the distribution of signals according to the corresponding power elements.

Claims

Spatial accelerometer with an electromagnetic suspension, containing a spherical sensitive mass placed in a spherical cavity of the body made of two identical parts with a common axis of symmetry, power elements of the suspension located in the body and position sensors of the sensitive mass connected to a tracking system, including pre-amplifiers, blocks correction and output amplifiers, characterized in that the power elements of the suspension are made in the form of eight electromagnetic coils located four in each Doi of the housing in two mutually perpendikupyarnyh planes at an angle

to the axis of symmetry, the housing and the sensitive mass are made of ferromagnetic material, and a linear transducer of signals from position sensors to an orthogonal coordinate system and a linear transducer-distributor of signals are introduced into the tracking system, the first of which is connected to the preamplifiers at its input and at the output with correction blocks, and the linear converter-distributor is connected at the input to the correction blocks, and at the output with output amplifiers and electromagnetic coils.