Ионно-механический датчик ускорений (акселетрон)

Радио 1957 №4

Электронно-механические датчики ускорений (называемые иногда акселетронами) используются для контроля ускорений движущихся деталей машин, приборов и инженерных сооружений. Определение значения ускорений оказывается необходимым при расчёте на прочность отдельных узлов механизмов и приборов, а также их устойчивости к ударам, вибрациям и тряске. Так, например, при испытаниях электронных ламп и радиоаппаратуры на стойкость по отношению к тряске и толчкам при перевозках требуется применение приборов, позволяющих определять максимальные ускорения, которым подвергаются приборы при испытаниях и транспортировке.

Ниже приводится описание новых конструкций датчиков ускорений, действие которых основано на использовании свойств тлеющего разряда между плоскопараллельными электродами.

Известно, что при тлеющем разряде между двумя плоскопараллельными электродами в определенном диапазоне давлений инертного газа, наполняющего прибор, плотность тока разряда мало зависит от расстояния между электродами лампы. На рис. 1, а приведена характеристика зависимости падения напряжения на разрядном промежутке от расстояния между плоскими параллельными электродами при неизменном токе разряда и при давлении неона внутри баллона около 25 мм ртутного столба.

Минимальное падение напряжения на разрядном промежутке, соответствующее расстоянию I, получается тогда, когда подвижный анод плоской формы А (рис. 1, б), расположенный параллельно плоскому катоду X, приближается к зоне катодного свечения. При дальнейшем смещении анода в направлении катода он попадает в зону катодного свечения. При этом падение напряжения на разрядном промежутке (т. е. на ионной лампе) начинает возрастать и между электродами образуется область так называемого затрудненного разряда. Эта область характеризуется левой круто восходящей частью кривой (рис. 1, а), называемой вольтовой характеристикой перемещений подвижного электрода лампы.

Возникновение такого разряда обусловлено тем, что при сокращении расстояний между электродами лампы затрудняется ионизация атомов газа лампы электронами, вылетающими из ее катода. При сокращении расстояния между электродами лампы тлеющего разряда падение напряжения на разрядном промежутке возрастает в том случае, если ток разряда остается постоянным.

Затрудненный разряд возможен при этом лишь тогда, когда закрыты более длинные пути для разряда за счет достаточно интенсивной ионизации. Поэтому в описываемой лампе задние поверхности катода К закрыты слоем наплавленного стекла С.

Устройство разработанного нами акселетрона показано на рис. 1, в. Между двумя плоскими катодами К, боковые и внешние поверхности которых закрыты слоем стекла С, находится расположенный параллельно на плоский анод А, укреплённый на эластичной пружине П. Лампа наполнена инертным газом неоном. Расстояние между электродами лампы около 0,5 мм.

При ускоренном движении датчика в горизонтальном направлении анод смещается относительно катодов в направлении, обратном движению. В результате этого изменяются падения напряжения на разрядных промежутках. Так, на правом промежутке, в котором анод и катод сближаются, падение напряжения возрастает, в то время как на левом разрядном промежутке падение напряжения соответственно уменьшается.

Сдвоенный датчик описываемого типа предназначен для работы в приборе, собранном по симметричной мостовой схеме, изображённой на рис. 1, г. Следует отметить, что в измерительном устройстве желательно предусмотреть стабилизацию напряжения источника тока.

Приведём некоторые данные, характеризующие описываемый ионно-механический датчик ускорений. Активная поверхность катода около 25 мм². Внутреннее дифференциальное сопротивление каждой из половин сдвоенного датчика около 25000 Ом. Нормальное рабочее напряжение порядка 300 В.

Вольтамперные характеристики датчика для трёх положений приведены на рис. 2, а. Около характеристик показаны соответствующие положения датчика с диапазоном чувствительности около 1 g (9,81 см/сек²). Поворот датчика на 90° соответствует изменению ускорения на 1 g. Такой метод был использован для статической градуировки датчика поворотом на 90°.

На рис. 2, б приведена кривая зависимости напряжения, снимаемого с диагонали моста, от ускорения, которое измеряет датчик. Существенно отметить, что характеристики датчика при симметричном расположении анода относительно катодов и использовании симметричной мостовой схемы получаются достаточно линейной формы, поэтому с помощью такого датчика можно решать многие задачи измерительной техники.

Датчики такого типа были разработаны на диапазоне 1,5 и 10 g. Очевидна возможность осуществления подобных датчиков и на другие диапазоны ускорений.

В электронномеханических лампах, используемых для исследования механических процессов, приходится считаться с возможностью значительных резонансных колебаний кинематической системы подвижного электрода лампы. Особенно неприятны такие колебания в лампах с внутренним управлением. В лампах с внешним управлением устройство для демпфирования таких колебаний может быть расположено вне лампы.

В описываемой лампе демпфирование колебаний облегчается наличием газа, находящегося внутри неё, что позволяет использовать для демпфирования трение газа и подвижного анода акселетрона. Целесообразно уменьшить массу подвижного анода, что позволяет в значительной степени снизить механическую энергию собственных колебаний этого электрода.

Чувствительность акселетрона к ускорениям при прочих равных параметрах определяется резонансной частотой его кинематической системы. Для обеспечения оптимального затухания подвижного электрода желательно выполнить его с минимальной массой при заданной величине собственных механических колебаний. Внешний вид ионно-механического датчика ускорений показан на рис. 3.

Помимо описанного выше портативного ионно-механического датчика ускорений, нами был разработан также газоразрядный датчик ускорений, оформленный в колбе стандартней стеклянной электронной лампы. Внешний вид этого датчика показан на рис. 4. На рис. 5 приведено несколько вариантов конструкций такого датчика. На рис. 5, а показана схема электродов датчика продольного управления с одним катодом 1 и двумя анодами 2, которые укреплены на эластичных пружинах 3. Для защиты от огибающего разряда плоский катод 1 закрыт слюдяными пластинками 4, имеющими в центре отверстие 5 для затруднённого разряда. В одном из вариантов слюдяные пластинки были приклеены к катоду 1 при помощи вакуумного цемента. В другом варианте слюдяные пластинки удерживались на катоде при помощи специальных обжимок, которые не показаны на приведенной схеме.

На рис. 5, б приведен другой вариант оформления холодного катода датчика ускорений. Здесь катод 1 образован двумя пластинками, сваренными одна с другой через прокладку точечной электросваркой. Обе пластинки, образующие катод, зажимают опорную пластинку слюды 2. Последняя состоит из двух сложенных плоскостями пластинок слюды, между которыми пропущен вывод 3 от плоского катода 1. Подвижные аноды 4 смонтированы на эластичных пружинах 5, укрепленных, в свою очередь, на слюдяной пластинке 2. Слюдяная пластинка укреплена при помощи траверз на ножке, заваренной в стеклянный баллон ионно-механической лампы.

Вследствие такой конструкции электродов огибающий разряд не может распространяться вдоль поверхности слюдяной пластинки и в этом случае внутри зазора между электродами получается затрудненный тлеющий разряд, при котором обеспечивается высокая чувствительность описываемого датчика ускорений.

Л. Гончарский