способ градуировки акселерометров и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ градуировки акселерометров посредством устройства для задания угловых скоростей с поворотной платформой, заключающийся в том, что акселерометр устанавливают на поворотную платформу так, чтобы его измерительная ось была горизонтальна и направлена по радиусу к оси вращения поворотной платформы, задают вращение поворотной платформы с постоянной угловой скоростью , измеряют сигнал акселерометра, отличающийся тем, что на поворотную платформу акселерометр устанавливают в устройстве для возбуждения угловых колебаний так, чтобы центр масс чувствительного элемента акселерометра располагался на оси вращения поворотной платформы, задают посредством устройства для возбуждения угловых колебаний угловые колебания относительно оси, параллельной измерительной оси акселерометра, с амплитудой линейного перемещения X_о и частотой f, в период вращения поворотной платформы измеряют амплитуду сигнала акселерометра с частотой f, варьируя амплитудой линейного перемещения центра масс чувствительного элемента акселерометра, частотой угловых колебаний и угловой скоростью вращения поворотной платформы вместе или по отдельности, или в различных их комбинациях, устанавливают заданное пороговое значение ускорения а_пор, в соответствии с выражением:

a_пор. = 4X_{о пор.}f_{пор.пор.},

где Х_{о пор.}, f_пор, _пор.- соответственно амплитуда линейного перемещения центра масс чувствительного элемента акселерометра, частота угловых колебаний, угловая скорость вращения поворотной платформы при заданном пороговом ускорении, измеряют амплитуду сигнала U_p акселерометра с частотой f_пор., производят идентификацию разрешающей способности акселерометра по ускорению а_р на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений из условия:

a_пор. = a_р а_р,

где а_р - заданная погрешность определения разрешающей способности акселерометра;



где К - коэффициент преобразования акселерометра на частоте f_пор..

2. Способ градуировки акселерометров по п.1, отличающийся тем, что угловую скорость поворотной платформы задают равной угловой скорости вращения Земли при использовании Земли в качестве поворотной платформы устройства для задания угловой скорости.

3. Устройство для осуществления способа градуировки акселерометров по п. 1, содержащее устройство для задания угловых скоростей со станиной, первым двигателем и поворотной платформой с одной степенью углового движения относительно ее оси вращения, отличающееся тем, что в него введены источник переменных электрических сигналов, устройство для возбуждения угловых колебаний, содержащее установленное на поворотной платформе основание, подвижную часть с одной степенью углового движения относительно ее оси вращения, соединенную с основанием посредством n (n = 2,3 ........) плоских пружин, второй двигатель с обмоткой управления, на роторе которого установлена подвижная часть, причем выход источника переменных электрических сигналов подключен к обмотке управления второго двигателя, на подвижной части выполнены k (k = 1,2 . . .......) площадок для установки акселерометра, расположенных последовательно по радиусу от оси вращения подвижной части на расстояниях r_k (r_k > r_k-1), устройство для возбуждения угловых колебаний выполнено с расположением оси вращения подвижной части параллельно радиусу от оси вращения поворотной платформы, площадки для установки акселерометров выполнены так, чтобы измерительная ось акселерометра была расположена параллельно оси вращения подвижной части, устройство для возбуждения угловых колебаний выполнено таким образом и расположено на подвижной платформе так, чтобы ось вращения поворотной платформы была совмещена с центром масс чувствительного элемента акселерометра, установленного на площадке для его установки на подвижной части.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что источник переменных электрических сигналов выполнен в виде вновь введенных преобразователя угловых перемещений подвижной части относительно основания, усилителя переменного тока, фазового детектора, фазовращательной цепочки, усилителя постоянного тока, причем выход преобразователя угловых перемещений подключен к входу усилителя переменного тока, выход усилителя постоянного тока подключен к обмотке управления второго двигателя, усилитель переменного тока, фазовый детектор, фазосдвигающая цепочка и усилитель постоянного тока включены последовательно.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в него введен амплитудный детектор, включенный между фазовым детектором и фазосдвигающей цепочкой.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве второго двигателя применен коллекторный моментный двигатель постоянного тока со статором в виде многополюсного магнита и ротором с обмоткой управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к методам испытаний преобразователей линейного ускорения.

Существует способ градуировки акселерометров путем задания угла наклона измерительной оси акселерометра в вертикальной плоскости, измерения этого угла наклона, последующего поворота оси в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси, и измерения выходного сигнала акселерометра при заданной ориентации измерительной оси в поле ускорения свободного падения [1].

При таком способе градуировки на чувствительный элемент акселерометра воздействует инерционная сила не только по измерительной оси, но и перпендикулярным ей осям, что вносит погрешность измерения.

Наиболее близким по технической сущности является способ градуировки акселерометров посредством устройства для задания угловых скоростей с поворотной платформой, заключающийся в том, что акселерометр устанавливают на поворотную платформу так, чтобы его измерительная ось была горизонтальна и направлена по радиусу к оси вращения поворотной платформы, задают вращение поворотной платформы с постоянной угловой скоростью, измеряют сигнал акселерометра [2].

Недостатком вышеуказанного способа градуировки акселерометров является погрешность в определении разрешающей способности на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений вследствие необходимости задания на этом пределе измерений малой угловой скорости вращения поворотной платформы, что приводит к появлению в полезном сигнале акселерометра сигнала, вызванного временным изменением сигнала акселерометра.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения разрешающей способности акселерометра на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений.

Данный технический результат достигается для способа градуировки акселерометров посредством устройства для задания угловых скоростей с поворотной платформой, заключающегося в том, что акселерометр устанавливают на поворотную платформу так, чтобы его измерительная ось была горизонтальна и направлена по радиусу к оси вращения поворотной платформы, задают вращение поворотной платформы с постоянной угловой скоростью , измеряют сигнал акселерометра, тем, что на поворотную платформу акселерометр устанавливают в устройстве для возбуждения угловых колебаний так, чтобы центр масс чувствительного элемента акселерометра располагался на оси вращения поворотной платформы, задают посредством устройства для возбуждения угловых колебаний угловые колебания относительно оси, параллельной измерительной оси акселерометра, с амплитудой линейного перемещения X_о и частотой f, в период вращения поворотной платформы измеряют амплитуду сигнала акселерометра с частотой f, варьируя амплитудой линейного перемещения центра масс чувствительного элемента акселерометра, частотой угловых колебаний и угловой скоростью вращения поворотной платформы вместе или по отдельности, или в различных их комбинациях, устанавливают заданное пороговое значение ускорения a_пор в соответствии с выражением:

a_пор= 4X_oпорf_порпор.

где X_{о пор}, f_пор, _пор - соответственно амплитуда линейного перемещения центра масс чувствительного элемента акселерометра, частота угловых колебаний, угловая скорость вращения поворотной платформы при заданном пороговом ускорении;

измеряют амплитуду сигнала U_p акселерометра с частотой f_пор, производят идентификацию разрешающей способности акселерометра по ускорению a_р на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений из условия:

a_пор = а_р a_р,

где а_р - заданная погрешность определения разрешающей способности, акселерометра;



где K - коэффициент преобразования акселерометра на частоте f_пор.

В частном случае осуществления способа угловую скорость поворотной платформы задают равной угловой скорости вращения Земли при использовании Земли в качестве поворотной платформы устройства для задания угловой скорости.

При одновременном задании угловой скорости вращения поворотной платформы и угловых колебаний, варьируя угловой скоростью, амплитудой и частотой угловых колебаний по измерительной оси акселерометра можно задать какое угодно малое ускорение. Так как при этом сигнал акселерометра является модулированным сигналом с частотой угловых колебаний, то при малом значении заданного ускорения на уровне медленно изменяющегося сигнала, обусловленного временным изменением сигнала акселерометра, с большей точностью идентифицируется амплитуда сигнала с частотой угловых колебаний, обусловливающего разрешающую способность акселерометра на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений.

Существующее устройство для градуировки акселерометров [3], содержащее устройство для задания угловых скоростей со станиной, двигателем и поворотной платформой с одной степенью углового движения относительно ее оси вращения не обеспечивает осуществление заявленного способа, так как в нем нет устройства для возбуждения угловых колебаний.

Осуществление заявленного способа градуировки акселерометров обеспечивается в устройстве для градуировки акселерометров, содержащем устройство для задания угловых скоростей со станиной, первым двигателем и поворотной платформой с одной степенью углового движения относительно ее оси вращения, тем, что в него введены источник переменных электрических сигналов, устройство для возбуждения угловых колебаний, содержащее установленное на поворотной платформе основание, подвижную часть с одной степенью углового движения относительно ее оси вращения, соединенную с основанием посредством n (n = 2, 3. ..) плоских пружин, второй двигатель с обмоткой управления, на роторе которого установлена подвижная часть, причем выход источника переменных электрических сигналов подключен к обмотке управления второго двигателя, на подвижной части выполнены k (k = 1, 2...) площадок для установки акселерометров, расположенных последовательно по радиусу от оси вращения подвижной части на расстояниях r_k (r_k > r_k-1), устройство для возбуждения угловых колебаний выполнено с расположением оси вращения подвижной части параллельно радиусу от оси вращения поворотной платформы, площадки для установки акселерометров выполнены так, чтобы измерительная ось акселерометра была расположена параллельно оси вращения подвижной части, устройство для возбуждения угловых колебаний выполнено таким образом и расположено на подвижной платформе так, чтобы ось вращения поворотной платформы была совмещена с центром масс чувствительного элемента акселерометра, установленного на подвижной части.

В частном случае выполнения устройства для градуировки акселерометров источник переменных электрических сигналов выполнен в виде введенных преобразователя угловых перемещений подвижной части относительно основания, усилителя переменного тока, фазового детектора, фазовращательной цепочки, усилителя постоянного тока, причем выход преобразователя угловых перемещений подключен к входу усилителя переменного тока, выход усилителя постоянного тока, подключен к обмотке управления второго двигателя, усилитель переменного тока, фазовый детектор, фазосдвигающая цепочка и усилитель постоянного тока включены последовательно.

Во втором частном случае выполнения устройства для градуировки акселерометров в него введен амплитудный детектор, включенный между фазовым детектором и фазосдвигающей цепочкой.

В третьем частном случае выполнения устройства для градуировки акселерометров второй двигатель выполнен в виде коллекторного моментного двигателя постоянного тока со статором в виде многополюсного магнита и ротором с обмоткой управления.

Путем введения в устройство для градуировки акселерометров источника переменных электрических сигналов, устройства для возбуждения угловых колебаний в составе основания, подвижной части, второго двигателя, соединения подвижной части с основанием посредством плоских пружин, подключения источника переменных электрических сигналов к обмотке управления второго двигателя обеспечиваются наряду с перемещением с постоянной угловой скоростью акселерометра относительно одной оси угловые колебания относительно другой оси, перпендикулярной вышеуказанной оси. В результате достигается выполнение операций способа градуировки акселерометров.

На фиг. 1 представлен фронтальный вид устройства для градуировки акселерометров, на фиг. 2 - его горизонтальный вид.

На фиг. 3 дан разрез устройства для возбуждения угловых колебаний.

На фиг. 4...6 представлены частные случаи выполнения устройства для возбуждения угловых колебаний и его элементов.

На фиг. 7 приведена схема соединений устройства для градуировки акселерометров.

На фиг. 8, 9 представлены схемы соединения для частных случаев выполнения устройства для градуировки акселерометров.

Устройство для градуировки акселерометров (фиг. 1), например, центрифуга, содержит устройство для задания угловых скоростей 1 со станиной 2, первым двигателем 3, статор которого установлен в станине 3, а ротор 5 соединен поворотной платформой 6. Между статором 4 и ротором 5 установлены подшипники 7", 7"", посредством которых обеспечивается одна степень свободы углового движения поворотной платформы относительно оси вращения 8-8.

В качестве первого двигателя может быть применен сериесный двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. На поворотной платформе 6 установлено устройство для возбуждения угловых колебаний 9, содержащее основание 10, подвижную часть 11, на поверхности 12 которой выполнена площадка 13 с тремя резьбовыми отверстиями 14 для установки испытуемого акселерометра.

Точка O₁ является проекцией на фронтальную плоскость оси вращения подвижной части 11, точка O₂ - проекций на фронтальную плоскость измерительной оси испытуемого акселерометра. Поэтому измерительная ось акселерометра параллельна оси вращения подвижной части 11.

Площадка 13 выполнена так, что измерительная ось акселерометра расположена на расстоянии r от оси вращения подвижной части 11.

На поворотной платформе 6 (фиг. 2) устройство для возбуждения угловых колебаний 9 установлено так, что при установке испытуемого акселерометра 15 на площадке 13 на поверхности 12 центр масс 16 чувствительного элемента испытуемого акселерометра 15 совмещен с осью вращения 8-8 поворотной платформы 6, точка О₃ которой является проекцией оси вращения 8-8 поворотной платформы 6 на горизонтальную плоскость.

Ось вращения 17-17 подвижной части 11 и измерительная ось 18-18 расположены параллельно радиусу от точки О₃ оси вращения 8-8 поворотной платформы 6.

Подвижная часть 11 устройства для возбуждения угловых колебаний 9 соединена с основанием 10 посредством обоймы 19 с плоскими пружинами 20"", 20"" (фиг. 3).

На основании 10 установлен статор 21, а на подвижной части 11 - ротор 22 второго двигателя 23.

Второй двигатель может быть выполнен в виде коллекторного моментного двигателя постоянного тока со статором 21 и многополюсного магнита с радиальным направлением намагниченности и ротором 22 с обмоткой управления.

В общем случае выполнения плоских пружин обойма 19 (фиг. 4) содержит внутреннюю втулку 24 с зубцами 25", 25""... 25ⁱ... 25ⁿ, внешнюю втулку с зубцами 27", 27"" ... 27ⁱ... 27ⁿ и плоские пружины 28", 28"" ... 28ⁱ ... 28ⁿ.

В общем случае выполнения площадок для установки акселерометра (фиг. 5) на поверхности 12 подвижной части 11 расположено k (k = 1, 2...) площадок 29", 29"". . . 29^j ...29^k так, что точки O₂, O₄ ... O_j+2 ... O_k+2 проекций измерительной оси акселерометра на поверхности 12 расположены последовательно на расстояниях r₁, r₂ ... r_j ... r_k от точки O₁ проекции на поверхности 12 оси вращения 17-17 подвижной части 11 устройства для возбуждения угловых колебаний 9.

В одном частном случае выполнения устройства для осуществления способа градуировки акселерометров в устройство для задания угловых колебаний 9 (фиг. 6) введен преобразователь угловых перемещений, например, в виде линейного вращающегося трансформатора, статор 30 которого установлен на основании 10, а ротор 31 - на подвижной части 11.

Для возбуждения угловых колебаний источник переменных электрических сигналов 32, например генератор звуковой частоты, подключен к обмотке управления второго двигателя 23 (фиг. 7).

В частном случае выполнения устройства для осуществления способа градуировки акселерометров источник переменных электрических сигналов выполнен из последовательно включенных преобразователя угловых перемещений 33, усилителя переменного тока 34, фазового детектора 35, фазовращательной цепочки 36, усилителя постоянного тока 37 (фиг. 8). При этом выход преобразователя угловых перемещений 33 подключен к входу усилителя переменного тока 34, выход усилителя постоянного тока 37 подключен к обмотке управления второго двигателя 23. Фазосдвигающая цепочка 36 выполнена на обеспечение фазового сдвига 90 между выходным и входным сигналами.

В еще одном частном случае выполнения устройства для осуществления способа градуировки акселерометров (фиг. 9) между фазовым детектором 35 и фазовращательной цепочкой 36 включен амплитудный детектор 38.

Градуировка акселерометра в соответствии со способом и посредством устройства для его осуществления производится следующим образом. На посадочное место 13 с отверстиями 14 на поверхности 12 подвижной части 11 устройства для возбуждения угловых колебаний 9 устанавливается испытуемый акселерометр 15 (фиг. 1, 2). Устройство для возбуждения угловых колебаний 9 устанавливается на поворотную платформу 6 устройства для задания угловых скоростей 1.

Посредством первого двигателя 3 поворотная платформа 6 приводится во вращении с постоянной угловой скоростью .

При подаче от источника переменных электрических сигналов 32 (фиг. 7) напряжения в обмотку управления второго двигателя 23 подвижная часть 11 устройства для возбуждения угловых колебаний начинает колебаться относительно оси вращения 17-17 с амплитудой угловых колебаний ₀ и частотой f. Частота угловых колебаний задается установкой частоты от источника переменных электрических сигналов 32. Амплитуда угловых колебаний определяется напряжением источника переменных электрических сигналов, моментом инерции подвижной части 11 и жесткостью плоских пружин 20", 20"" (фиг. 3). Так как испытуемый акселерометр 15 вращается относительно оси вращения 8-8 с постоянной угловой скоростью и одновременно колеблется относительно оси вращения 17-17, перпендикулярной оси вращения 8-8, то на измерительной оси 18-18 акселерометра 15 существует поворотное ускорение (ускорение Корполиса) а_кор, с амплитудой, определяемой соотношением:

a_кор= 4X_of, (1)

где X_o - амплитуда линейного перемещения центра масс чувствительного элемента акселерометра.

X_o= _or, (2)

где r - расстояние измерительной оси 18-18 акселерометра от оси вращения 17-17. Так как центр масс 16 чувствительного элемента акселерометра 15 совмещен с осью вращения 8-8 поворотной платформы 6, то по измерительной оси 18-18 акселерометра нет центростремительного ускорения при вращении акселерометра с угловой скоростью .

Заданную величину поворотного ускорения можно изменять путем изменения амплитуды линейного перемещения центра масс чувствительного элемента акселерометра при задании угловых колебаний, частоты угловых колебаний, угловой скорости вращения поворотной платформы 6.

Амплитуда линейного перемещения изменяется путем расположения акселерометра на одной из k посадочных площадок на различных расстояниях r_k (r_k > r_k-1) от оси вращения 17-17 подвижной части 11 устройства для возбуждения угловых колебаний (фиг. 5), а также путем изменения величины напряжения, подаваемого в управляющую обмотку второго двигателя 23 от источника переменных электрических сигналов 32.

Изменение частоты угловых колебаний производится изменением частоты источника переменных электрических колебаний 32.

Угловая скорость вращения поворотной платформы 6 изменяется путем изменения скорости вращения первого двигателя 3 устройства для задания угловых скоростей 1.

Варьируя амплитудой линейного перемещения центра масс акселерометра, частотой угловых колебаний, угловой скоростью вращения поворотной платформы 6 вместе или по отдельности, или в различных их комбинациях, устанавливают пороговое значение ускорение a_пор в соответствии с выражением:

a_пор= 4X_{o пор}f_порпор, (3)

где X_{о пор}, f_пор, _пор - соответственно линейное перемещение центра масс чувствительного элемента акселерометров, частота угловых колебаний, угловая скорость вращения поворотной платформы при пороговом ускорении.

При этом измеряют амплитуду выходного сигнала U_р акселерометра с частотой f_пор и определяют измеренное акселерометром ускорение а_р:



где K - коэффициент преобразования акселерометра на частоте f_пор.

Для идентификации разрешающей способности акселерометра на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений используют условие:

a_пор = а_р а_р, (5)

где a_p - заданная погрешность определения разрешающей способности акселерометра.

Если условие (5) выполняется, то разрешающая способность акселерометра на нижнем пределе диапазона измеряемых ускорений соответствует заданному пороговому значению ускорения.

Так как при градуировке акселерометра измеряются выходные сигналы акселерометра с частотой угловых колебаний, то амплитуду сигнала такой частоты надежнее выделить на фоне медленно изменяющихся сигналов, вызванных временными изменениями сигнала акселерометра. Таким образом можно определять очень малые значения разрешающей способности акселерометра.

Кроме того, может быть задано очень малое пороговое значение ускорения, так как для его задания можно оперировать четырьмя физическими величинами: угловое перемещение центра масс чувствительного элемента акселерометра, расположение центра масс чувствительного элемента акселерометра от оси колебательного движения, частота угловых колебаний и угловая скорость вращения. Так, например, для задания малых угловых скоростей можно использовать угловую скорость вращения Земли, используя Землю в качестве поворотной платформы устройства для задания угловых скоростей.

Возбуждение переменных электрических сигналов в источнике переменных электрических сигналов в соответствии с фиг. 8 осуществляется таким образом. При подаче питания на устройства фиг. 8 в первоначальный момент с ротора преобразователя угловых перемещений 33 поступает сигнал переменного тока на вход усилителя переменного тока 34, который преобразуется в сигнал постоянного тока в фазовом детекторе 35. Сигнал от фазового детектора 35 сдвигается по фазе в фазовращательной цепочке 36, поступает на вход усилителя постоянного тока 37, после чего подается в обмотку управления второго двигателя 23. В результате ротор второго двигателя 23 поворачивается так, чтобы установить сигнал с ротора преобразователя угловых перемещений 33 равным нулю. Но вследствие инерции подвижная часть 11 устройства для возбуждения угловых колебаний 9 проходит положение, в котором сигнал с ротора преобразователя угловых перемещений 33 равен нулю, и цикл работы повторяется. В конце концов устанавливаются устойчивые угловые колебания подвижной части 11 устройства для возбуждения угловых колебаний 9 вследствие того, что с выхода фазовращательной цепочки 36 на вход усилителя постоянного тока 37 поступает сдвинутый по фазе на 90^o сигнал, свидетельствующий о достижении резонанса механической системы подвижной части 11. Амплитуда и частота угловых колебаний подвижной части 11 определяются коэффициентами преобразования устройств в соответствии с фиг. 8, моментом инерции подвижной части 11 вместе с расположенными на ней элементами и жесткостью плоских пружин 20", 20"" (фиг. 3) или 28", 28"" ... 28⁽ⁿ⁾ (фиг. 4). При этом цепочка из последовательно включенных преобразователя угловых перемещений 33, усилителя переменного тока 34, фазового детектора 35, фазосдвигающей цепочки 36, усилителя постоянного тока 37 (фиг. 8) играет роль источника переменных электрических сигналов, так как с ее выхода (выход усилителя постоянного тока 37) подается сигнал переменного тока установившейся амплитуды и частоты на обмотку управления второго двигателя 23.

При введении амплитудного детектора 38 (фиг. 9) между фазовым детектором 35 и фазосдвигающей цепочкой 36 обеспечивается стабилизация амплитуды угловых колебаний подвижной части 11.

Источники информации

1. Авторское свидетельство N 355569, кл. G 01 P 21/00. Способ поверки акселерометров. 1972 г.

2. С.С. Щедровицкий. Методы и аппаратура для градуировки и поверки акселерометров. " Измерительная техника", N 6, 1958 г., стр. 87-93 (протопит).

3. Авторское свидетельство N 344360, кл. G 01 P 21/00. Устройство для задания линейных и угловых ускорений. 1972 г.