Введение
Широкое внедрение волоконно-оптических технологий в ракетно-космической и авиационной технике требуют разработки конструктивно-технологических решений волоконно-оптических акселерометров (ВОА) на основе применения современных технологий, материалов, обеспечивающих высокие метрологические и эксплуатационные характеристики, низкую себестоимость, высокую технологичность акселерометров, работоспособность в жесточайших условиях эксплуатации, минимальные массо-габаритные показатели. В связи с этим, разработка чувствительного элемента новой конструкции для дифференциального волоконно-оптического акселерометра, удовлетворяющего перечисленным требованиям, является актуальной.
Разработка конструктивной схемы чувствительного элемента
В разрабатываемом акселерометре в качестве чувствительного элемента для измерения ускорения по осям Х и У используются четыре цилиндрических линзы и два упругих элемента новой формы, расположенные в одном корпусе. Цилиндрические линзы выполнены из кварцевого стекла. Размеры линз подбираются исходя из конструктивных параметров акселерометра.
Размеры линзы: h – длина линзы, R – радиус линзы.
Исходя из размеров линзы и удобства закрепления, разработана конструктивная схема упругого элемента.
На рисунке 1 приведены конструктивные схемы упругих элементов осей X и Y.
Рисунок 1 - Конструктивные схемы: а – упругий элемент оси X; б – упругий элемент оси Y.
Упругий элемент имеет П-образную форму и состоит из двух плоских пружин соединенных перемычкой. Нижние концы пружин закрепляются сваркой в цилиндр узла юстировки. Верхние концы имеют форму вилочки, для крепления линз. Перемычка упругого элемента оси Х имеет по центру в верхней части паз для беспрепятственного перемещения упругого элемента оси Y, в свою очередь, перемычка упругого элемента оси Y тоже имеет паз, но расположен он на нижней части. Линза закрепляется на упругом элементе путем оборачивания верхних концов пружины вокруг линзы. Затем верхние концы привариваются к пружине импульсной сваркой. Использование упругого элемента такой конструкции имеет ряд преимуществ перед использованием одной плоской пружины. Так как используются две плоских пружины, то можно уменьшить габаритные размеры, в частности длину и толщину пружины, что ведет к уменьшению габаритов самого акселерометра. Две пружины без использования перемычки могут отклониться на разное расстояние, при равном ускорении, в виду погрешности при изготовлении, как самих пружин, так и линз. Использование перемычки устраняет этот недостаток.
Расчет упругого элемента
При разработке акселерометра необходимо рассчитывать конструктивные параметры упругого элемента. В качестве материала будем использовать ленту из нагартованной стали 36НХТЮ. Параметры стали выбираем из ГОСТ 14117-85. При расчете учтем необходимость крепежа линзы диаметром и необходимость закрепления пружины в механизме юстировки. А так же учтем параметры перемычки и выреза в перемычке. Основными данными для расчета будут минимально возможные габариты акселерометра, перемещение линзы в оптической системе. А так же параметры выбранного материала.
Для определения параметров пружины рассчитаем массу циллиндрической линзы.
Определяем объем линзы по формуле:
1 |
|
Где V – объем линзы, мм3;
R – радиус линзы, мм;
h – ширина линзы, мм.
В качестве материала линзы выбрано кварцевое стекло плотностью ρ = 2,21 г/см3
Масса линзы определяется по формуле:
2 |
|
Где m – масса линзы, г; V – объем линзы, см3; ρ – плотность кварцевого стекла, г/см3. |
Так как упругий элемент имеет П – образную форму, то будем рассчитывать одну часть элемента.
На рисунке 2 показана схема действия сил на упругий элемент при ускорении.
Рисунок 2 – схема действия сил на упругий элемент : где F – точечная сила, Q – распределенная сила.
Рассчитываем силу F, действующую на часть упругого элемента исходя из массы линзы и заданного ускорения:
3 |
Где F – точечная сила, Н;
m – масса линзы, кг;
a – ускорение, м/с2.
Для расчета распределенной силы Q необходимо посчитать массу одной части П-образного элемента.
При расчетном ускорении распределенная сила будет:
4 |
Где Q – распределенная сила, Н;
m – масса пружины, кг;
a – ускорение, м/с2.
Общая сила действующая на часть чувствительного элемента при заданном ускорении равна:
5 |
Где Fo – общая сила,Н;
F – точечная сила, Н;
Q – распределенная сила, Н.
Рассчитаем необходимую силу действующую на пружину при максимальном ускорении [1]:
6 |
Где Fx– сила действующая на линзу при максимальном ускорении, Н;
x – перемещение линзы, мм;
E – модуль упругости стали, МПа;
b – ширина пружины, мм;
h – толщина пружины, мм;
l– длина пружины мм.
Иногда при расчете упругого элемента на малые ускорения, либо невозможности изменения конструктивных параметров, возникает необходимость в закреплении на упругом элементе дополнительного груза. Масса дополнительного груза рассчитывается исходя из силы действующей на пружину при максимальном ускорении и материала груза. Удобнее всего закреплять дополнительный груз непосредственно около линзы. В таком случае груз будет иметь форму диска радиусом равным радиусу линзы. Толщина такого диска подбирается исходя из необходимой массы. Дополнительный груз крепится к верхним концам пружины импульсной сваркой.
Схема закрепления дополнительного груза показана на рисунке 3.
Рисунок 3 – схема закрепления дополнительного груза.
Варьируя массу груза при неизменных параметрах пружины можно использовать данный чувствительный элемент для широкого диапазона ускорений.
Заключение
- Даны рекомендации по конструктивному исполнению дифференциального волоконно-оптического акселерометра.
- Разработана конструкция чувствительного элемента дифференциального волоконно-оптического акселерометра.
- Даны рекомендации по расчету упругого элемента.
Использование разрабатываемой схемы позволяет измерять ускорение сразу в двух координатах, повысить чувствительность акселерометра, уменьшить массо-габаритные показатели, увеличить надежность.
Библиографический список
1.Пономарев «Расчет упругих элементов машин и приборов» 1980г.