VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

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 F_o – общая сила,Н;

F – точечная сила, Н;

Q – распределенная сила, Н.

Рассчитаем необходимую силу действующую на пружину при максимальном ускорении [1]:

6

Где F_x– 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.

Код для цитирования: Скопировать