Устройство для измерения вектора линейного ускорения

Устройство для измерения вектора линейного ускорения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области измерения перегрузок в условиях имитации сложных движений, и может быть использовано при испытании приборов на стойкость к воздействию ускорений, величина и направление действия которых являются функцией нескольких переменных.

Из теории классической механики известны устройства для косвенного измерения ускорения в контролируемой точке, реализующие способ, заключающийся в измерении периода оборота платформы центрифуги, создающей это ускорение, с последующим расчетом линейной составляющей этого ускорения в соответствии с формулой

где: ω - угловая скорость;

R - расстояние от оси платформы до контролируемой точки;

Т - период оборота платформы.

Известно, например, устройство, схема которого приведена в работе А.Е. Синельникова "Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства поверки и градуировки" (стр.41), М.: Изд-во стандартов, 1979 г., в котором содержатся две ротационные платформы независимого вращения, одна из которых расположена на другой. Здесь составляющие ускорения по осям системы x, y, z описываются следующими уравнениями:

где:

Ω - угловая скорость ротора;

ω - угловая скорость поворотного стола;

H, R, r, α, β, γ - постоянные параметры начальной пространственной ориентации контролируемой точки.

Данное устройство позволяет представить вектор линейного ускорения в любой точке прибора, участвующего в сложном движении, которое способна обеспечить двойная центрифуга, в виде его проекций по 3-м ортогональным осям этого прибора.

Однако такое устройство позволяет получить, а следовательно, и измерить далеко не весь спектр реально возможных векторов ускорений, возникающих на испытуемом приборе, когда его положение изменяется относительно осей координат главного ротора центрифуги при одновременном изменении угла наклона оси вращения поворотного стола относительно оси вращения ротора.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является "Способ моделирования комплексных инерционных воздействий" по пат. РФ №2244312, опубликован в БИ №1 10.01.2005 г., в котором реализовано устройство с использованием двойной центрифуги, состоящей из вращающихся главного ротора и расположенного на нем поворотного стола, на котором на заданном расстоянии от его оси вращения установлен испытуемый прибор, при этом поворотный стол установлен с возможностью наклона его оси вращения к оси вращения главного ротора. При вращении главного ротора и поворотного стола как в одну, так и в разные стороны прибор испытывает одновременное воздействие линейного ускорения, а также некоторого ускорения, изменяющегося по гармоническому закону с амплитудой, частотой и некоторой постоянной составляющей, величины которых определяются угловыми скоростями вращения главного ротора (ω₁) и поворотного стола (ω₂), а также параметрами установки прибора относительно оси вращения поворотного стола (r₂), положением поворотного стола относительно оси вращения главного ротора (r₁) и углом наклона оси вращения поворотного стола к оси вращения главного ротора (ϕ).

Однако указанное устройство позволяет испытывать приборы лишь на конкретное, заранее вычисленное воздействие, что значительно сужает область применения и функциональные возможности данного устройства и неизбежно приводит к избыточным испытаниям.

Решаемой задачей является создание устройства, позволяющего получить необходимые данные об испытуемом приборе при комплексном воздействии на него инерционных перегрузок таким образом, чтобы иметь возможность расчетным путем, непрерывно определять характеристики вектора ускорений, которое возникает в заданной точке испытуемого прибора в заданный момент времени в виде проекций данного ускорения по 3 ортогональным осям.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей известного устройства, которое позволило бы косвенным путем измерить как величину, так и направление действия ускорений, возникающих в контролируемых точках приборов непосредственно в процессе испытания их на устойчивость к комплексным инерционным воздействиям с использованием двойной центрифуги с изменяющимся углом наклона между осями вращения поворотного стола и главного ротора.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения вектора линейного ускорения содержит двойную центрифугу, состоящую из главного ротора вращения, на котором установлен поворотный стол с испытуемым прибором с возможностью наклона оси вращения поворотного стола к оси вращения главного ротора. Новым является то, что дополнительно введены вычислительное устройство, имеющее первый, второй, третий и четвертый входы, дискретные датчики скорости главного ротора и поворотного стола, первый и второй счетчики, датчик начала оборота, установленный на поворотном столе, и кварцевый генератор, выход которого соединен со счетными входами первого и второго счетчиков, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами вычислительного устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика начала оборота, а четвертый вход - с выходом испытуемого прибора, выходы дискретных датчиков скорости главного ротора и поворотного стола соединены с управляющими входами первого и второго счетчиков соответственно.

При этом составляющие вектора ускорения определяются путем решения следующих уравнений:

где:

ω₁ - угловая скорость платформы главного ротора;

dω₁/dt - угловое ускорение платформы главного ротора;

ω₂ - угловая скорость платформы поворотного стола;

dω₂/dt - угловое ускорение платформы поворотного стола;

r₁ - расстояние от оси вращения главного ротора до проекции контролируемой точки прибора на ось поворотного стола;

r₂ - расстояние от оси вращения платфомы поворотного стола до контролируемой точки испытуемого прибора;

ϕ - угол между осями вращения платформ ротора и поворотного стола;

α - угол поворота платформы поворотного стола.

Данные уравнения могут быть решены обычным вычислительным устройством, когда на одном из входов будет присутствовать информация об ω₁, на другом - об ω₂, на третьем - о величине α, а на четвертом - команда о разрешении вычисления (т.е. заранее обусловленный сигнал с выхода испытуемого прибора). Данные о начальном пространственном положении контролируемой точки испытуемого прибора (r₁, r₂, ϕ) задаются перед испытанием и должны быть введены в вычислительное устройство заблаговременно.

Предлагаемое устройство позволяет, зная точные данные о скоростях вращения главного ротора и поворотного стола, а также координаты любой заданной точки испытуемого прибора либо в момент срабатывания прибора, либо в любой другой момент времени, задаваемый этим прибором по сигналу на его выходе, однозначно решить уравнения [2] вычислительным устройством. Это позволяет расчетным путем в процессе испытаний измерить любой, реально возникающий вектор ускорения, который способна обеспечить двойная центрифуга, у которой поворотный стол имеет возможность изменять угол наклона своей оси вращения относительно оси вращения главного ротора и тем обеспечить значительное расширение функциональных возможностей устройств, осуществляющих моделирование комплексных инерционных воздействий, что в свою очередь позволит обеспечить наиболее полное и оптимальное испытание приборов на устойчивость к воздействию комплексных инерционных перегрузок, а также оперативно получить информацию о параметрах ускорения, воздействующего на конкретную точку испытуемого прибора, например, в момент его срабатывания. Указанными возможностями не обладают никакие из известных устройств, используемых при испытаниях аппаратуры на устойчивость к сложным инерционным воздействиям.

На чертеже изображена схема заявляемого устройства. Устройство содержит главный ротор 1, установленный на оси 2 и снабженный приводом 3. На главном роторе размещена регулируемая опора 4, позволяющая осуществлять наклон оси вращения 5 поворотного стола 6 вместе с приводом 7 в пределах от 0 до 90°. Испытуемый прибор 8 установлен на поворотном столе, на котором также установлен датчик начала оборота 9, выход которого соединен с третьим входом вычислительного устройства 10, первый вход которого соединен с выходом первого счетчика 11, управляющий вход которого соединен с выходом дискретного датчика скорости вращения главного ротора 12, второй вход вычислительного устройства соединен с выходом второго счетчика 13, управляющий вход которого соединен с выходом дискретного датчика скорости вращения поворотного стола 14, счетные входы счетчиков соединены с выходом кварцевого генератора 15. Четвертый вход вычислительного устройства 10 соединен с выходом испытуемого прибора 8.

Устройство работает следующим образом.

Испытуемый прибор 8 установлен на заданном расстоянии (r₂) от оси вращения 5 поворотного стола 6, который в свою очередь установлен на платформе главного ротора 1 также на заданном расстоянии (r₁) от его оси вращения 2. Ось вращения 5 поворотного стола 6 с помощью регулируемой опоры 4 установлена на требуемый угол (ϕ) (в пределах от 0 до 90°) относительно оси вращения 2 главного ротора 1. При вращении главного ротора 1 (ω₁) и поворотного стола 6 (ω₂) на испытуемый прибор 8 начинает воздействовать соответствующее ускорение (a_x1, a_y1, a_z1) [2], определяемое скоростями вращения главного ротора 1, поворотного стола 6, а также углом наклона оси вращения поворотного стола 6 к оси вращения главного ротора 1, углом поворота (α) платформы поворотного стола и параметрами, характеризующими положение испытуемого прибора на поворотном столе (r₁, r₂, ϕ), а на вычислительное устройство 10 непрерывно поступают сигналы с выходов дискретных датчиков скорости вращения главного ротора 12 и поворотного стола 14, а также с выхода датчика начала оборота 9. При достижении скоростями вращения определенных величин испытуемый прибор 8 выдает сигнал на своем выходе, который поступает на четвертый вход вычислительного устройства 10, которое, используя полученные данные, в соответствии с уравнениями [2], выдает в результате конечную информацию об ускорении, воздействующем на исследуемый прибор 8 в данный момент времени в контролируемой точке прибора.

Для подтверждения практической возможности реализации предлагаемого изобретения были проведены испытания, которые позволили при имитации различных возможных движений испытуемого прибора расчетным путем определять характер и величины ускорений, воздействующих на контрольные точки этого прибора при исследовании его на устойчивость к воздействию реально существующих комплексных инерционных перегрузок.

Результаты такой работы показали, что при использовании предлагаемого изобретения становится возможным косвенно, в лабораторных условиях, при наличии соответствующего оборудования оперативно определять результаты воздействия на испытуемый прибор перегрузок сложного характера, которые могут возникнуть, например, при его неравномерном движении в среде с заданными характеристиками.

Устройство для измерения вектора линейного ускорения, содержащее двойную центрифугу, состоящую из главного ротора вращения, на котором установлен поворотный стол с испытуемым прибором с возможностью наклона оси вращения поворотного стола к оси вращения главного ротора, отличающееся тем, что дополнительно введены вычислительное устройство, имеющее первый, второй, третий и четвертый входы, дискретные датчики скорости главного ротора и поворотного стола, первый и второй счетчики, датчик начала оборота, установленный на поворотном столе, и кварцевый генератор, выход которого соединен со счетными входами первого и второго счетчиков, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами вычислительного устройства, третий вход которого соединен с выходом датчика начала оборота, а четвертый вход - с выходом испытуемого прибора, выходы дискретных датчиков скорости главного ротора и поворотного стола соединены с управляющими входами первого и второго счетчиков соответственно.