Способ определения параметров прецизионного кварцевого маятникового акселерометра

Способ определения параметров прецизионного кварцевого маятникового акселерометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения и упреждающего контроля на этапах изготовления и исследования прецизионных кварцевых маятниковых акселерометров.

В высокоточных приборах, предназначенных для измерения линейных ускорений движущихся объектов, находит применение пластина маятникового акселерометра [1], аналогичная приведенной на фиг.1а, б.

Пластина маятникового акселерометра включает в себя опорный (ОЭ) и чувствительный (ЧЭ) подвижные элементы, выполненные из наиболее совершенного упругого материала, в частном случае, из кварцевого стекла.

На фиг.1а чувствительный элемент 1 (ЧЭ) и опорный элемент 2 (ОЭ) разделены прорезью вдоль периметра пластины; подвес ЧЭ выполнен в виде упругих перемычек 3, связующих ОЭ и ЧЭ; ОЭ фиксируется в корпусе акселерометра консольно на двухсторонних трех выступах 4, расположенных с противоположной оси подвеса ЧЭ стороне.

Центр масс ЧЭ (ц.м. ЧЭ), с учетом обмоток датчика силы и обкладок 5 датчика смещения ц.м. ЧЭ (емкостного дифференциального датчика угла), определяется точкой пересечения осей симметрии ЧЭ пластины акселерометра (фиг.1а). При этом ц.м. ЧЭ смещен относительно противоположных выступов 4 (подвеса ОЭ) в сторону подвеса ЧЭ. Перпендикуляр из ц.м. ЧЭ к плоскости пластины (фиг.1а) является осью чувствительности акселерометра для моментов небаланса, тяжения и изгиба элементов пластины.

Таким образом, подвижные элементы пластины маятникового акселерометра по способу нагружения подобны консольным балкам, работающим на изгиб [5], предельные значения угла поворота (рабочая зона) которых ограничены прочностью упругого подвеса ЧЭ или конструктивными особенностями «заделки» ОЭ.

Исполнение пластины предполагает, при смещении ц.м. ЧЭ от линии «0-0» (фиг.1б), высокую стабильность положения оси чувствительности в широком диапазоне температур за счет оптимальной (соизмеримой) угловой жесткости элементов пластины. В рабочей зоне пластины ожидается плоскопараллельное перемещение ЧЭ, которое обеспечивается соизмеримой угловой жесткостью подвесов ОЭ и ЧЭ в точках фиксации (заделки) ОЭ с корпусом акселерометра и перемычек, связующих ЧЭ с ОЭ. При этом стабильность выходного сигнала акселерометра обеспечивает «температурная компенсация».

Известные способы выставки углового положения оси чувствительности акселерометра не выявляют угловую жесткость подвесов ОЭ и ЧЭ, а также смещение ц.м. ЧЭ и подвеса ОЭ в рабочей зоне пластины на этапах изготовления акселерометра и ввода температурной компенсации.

Смещение ц.м. ЧЭ в условиях эксплуатации возможно при дрейфе (смещении) нуля со стороны входа обратной связи акселерометра. При этом, из-за температурной недокомпенсации в отсутствии ускорения силы тяжести, изменяется выходной сигнал. Кроме того, при наличии смещения подвеса ОЭ в отсутствии соизмеримой угловой жесткости подвесов ОЭ и ЧЭ, возможно соприкосновение края ЧЭ с корпусом и, тем самым, возникновение ложного выходного сигнала.

Для измерения ускорения с высокой точностью предлагается, на этапах изготовления и исследования маятникового акселерометра, прогнозировать угловое положение оси чувствительности путем определения параметров акселерометра, а именно угловой жесткости подвесов ОЭ и ЧЭ, смещение подвеса ОЭ и ц.м. ЧЭ пластины.

Известны следующие способы определения параметров акселерометра, обеспечивающих измерение ускорения с высокой точностью в условиях эксплуатации.

В качестве аналога известен способ определения стабильности положения оси чувствительности маятникового компенсационного акселерометра, описанный в [2]. Способ осуществляется путем определения поворота плоскости, в которой лежит ось чувствительности, относительно связанной с корпусом базовой плоскости под воздействием дестабилизирующих факторов.

Для этого, до и после воздействия дестабилизирующих факторов, с помощью автоколлиматора ориентируют базовую плоскость горизонтально. Затем поворачивают акселерометр вокруг оси подвеса маятника в положение, при котором ось чувствительности горизонтальна, при этом выходной сигнал равен нулю, и измеряют угол поворота акселерометра. О стабильности положения оси чувствительности судят по разности измеренных углов поворота до и после воздействия дестабилизирующих факторов.

Известен способ контроля до герметизации маятникового поплавкового компенсационного акселерометра, описанный в [3]. Способ осуществляется путем измерения выходных сигналов, коэффициента преобразования и положения измерительной оси акселерометра до и после механических воздействий. При этом устанавливают прибор маятником вниз, а механические воздействия проводят при разорванной обратной связи путем подачи в обмотку моментного датчика переменного тока с частотой собственных колебаний подвижной системы.

Способы, описанные в [2] и [3], не позволяют прогнозировать стабильность положения оси чувствительности при смещении центра масс ЧЭ из-за дрейфа нуля со стороны входа обратной связи акселерометра.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ определения параметров прецизионных акселерометров, описанный в [4].

Способ заключается в том, что акселерометр устанавливают на вертикальном основании в положение верхней маятниковости, поворачивают основание вокруг горизонтальной оси на углы 90, 180, 270° от начального положения, затем акселерометр разворачивают на основании вокруг оси чувствительности на угол 180°, при этом вычисляют по его выходным сигналам отдельно погрешности базовых установочных элементов акселерометра и угол деформации основания.

Способ, описанный в [4], не позволяет прогнозировать выходной сигнал и стабильность положения оси чувствительности акселерометра в условиях эксплуатации.

Задачей изобретения является:

- определение параметров пластины маятникового акселерометра, а именно угловой жесткости подвесов ОЭ и ЧЭ, смещения подвеса ОЭ и ц.м. ЧЭ на этапах изготовления и исследования акселерометра;

- прогнозирование стабильности положения оси чувствительности пластины и уровня выходного сигнала при дрейфе нуля со стороны входа обратной связи акселерометра.

Технический результат достигается тем, что акселерометр располагают в первом положении на подвижном основании, при котором ось чувствительности пластины акселерометра лежит в плоскости горизонта перпендикулярно горизонтальной оси вращения основания, при этом, согласно изобретению, подают калиброванные по уровню и знаку электрические сигналы U_см на первый вход устройства обратной связи, для каждого сигнала U_см измеряют выходной сигнал U_вых с выхода, и сигнал смещения U с м * , на втором входе устройства обратной связи, и определяют зависимость U_вых от U с м * , (статическую характеристику акселерометра «выходной сигнал» - «сигнал смещения»), затем устанавливают акселерометр во второе положение поворотом основания на малый угол φ_осн≈sinφ_осн и в этом положении повторяют указанные действия первого положения, затем вычисляют параметры акселерометра.

Предлагаемый способ определения параметров акселерометра имеет следующие преимущества:

- прогнозируется стабильность положения оси чувствительности при смещении ц.м. ЧЭ из-за дрейфа нуля со стороны входа устройства обратной связи, а также уровень выходного сигнала акселерометра в отсутствии ускорения силы тяжести;

- возможно исследование акселерометров как с аналоговой, так и с цифровой обратной связью.

Предлагаемый способ определения параметров акселерометра предусматривает проведение следующих операций:

1. Устанавливают базовую плоскость акселерометра на подвижном основании осью чувствительности в плоскости горизонта и перпендикулярно горизонтальной оси вращения основания (приспособления, установленного на оптической делительной головке - ОДГ). При этом базовую плоскость акселерометра устанавливают аналогично [2] и [4].

2. С источника калиброванных по уровню и знаку электрических сигналов подают, на первый вход устройства обратной связи, сигнал U_см («задаваемый сигнал смещения»), имитирующий смещение центра масс ЧЭ.

3. Измеряют уровень сигнала U с м * на втором входе устройства обратной связи, поданного с датчика смещения (через предварительный усилитель-преобразователь) («сигнал смещения») и уровень сигнала U_вых со стороны выхода устройства обратной связи («выходной сигнал»).

4. Повторяют операции по пп.2,3 для всего требуемого диапазона значений «задаваемого сигнала смещения».

5. Строят зависимость выходного сигнала U_вых от сигнала смещения U с м * («выходной сигнал» - «сигнал смещения», фиг.4).

6. Поворачивают оптическую делительную головку на малый угол φ_осн, sinφ_осн≈φ_осн.

7. Повторяют операции по пп.2, 3, 4, 5 для всего требуемого диапазона значений задаваемых сигналов.

8. Вычисляют параметры пластины маятникового акселерометра.

Сущность изобретения можно показать с учетом принятых предположений:

- пластина (фиг.1а, б) двухмассовая двумерная механическая система с сосредоточенными параметрами;

- угловые квазилинейные деформации элементов пластины в рабочей зоне достаточно малы;

- центр масс ЧЭ и подвес ОЭ в рабочей зоне 2Δ смещены относительно

внутренних поверхностей корпуса акселерометра (фиг.1 б);

- угловая жесткость подвеса ЧЭ и ОЭ соизмеримая;

На фиг.2 приведен пример устройства для реализации заявленного способа:

1 - пластина маятникового акселерометра;

2 - воспринимающая часть пластины;

3 - подвижная часть пластины;

4 - датчик смещения ц.м. ЧЭ;

5 - магнитоэлектрический датчик силы;

6 -предварительный усилитель-преобразователь (последовательно соединенные предварительный усилитель и фазочувствительный выпрямитель);

7 - устройство обратной связи;

8 - источник электрического сигнала, калиброванного по уровню и знаку;

М_дм - момент датчика силы 5;

M_∑ - суммарный момент дебаланса и тяжения пластины;

М_уп - упругий момент при угловой деформации подвижной части пластины;

β_∑ - суммарная угловая деформация подвижной части пластины;

U_ду- сигнал с датчика смещения ц.м. ЧЭ;

U с м * - «сигнал смещения» с предусилителя 6;

U_см - «задаваемый сигнал смещения» с источника 8;

U_вых - «выходной сигнал» с выхода устройства 7

i_дм - выходной ток через обмотки датчика силы 5;

Подвижная часть 3 связана с датчиком смещения 4, выход которого через последовательное соединение усилителя-преобразователя 6 и устройства 7 обратной связи акселерометра связан с датчиком силы 5.

Устройство обратной связи (формирователь сигнала обратной связи) (фиг.3) выполнено, например, на основе интегро-дифференцирующего усилителя (У1) и усилителя мощности на основе усилителей У2 и У3. Усилитель У1 инвертирующим входом через резистор R1 соединен с выходом источника 8. Выход усилителя У1 через цепь последовательно соединенных конденсатора C и резистора R3 соединен с инвертирующим входом усилителя У1, соединенным через резистор R2 с выходом фазочувствительного выпрямителя усилителя-преобразователя. Усилитель У2 соединен инвертирующим входом через резистор R4 с выходом усилителя У1. Выход усилителя У2 через усилитель У3 (эмиттерный повторитель по схеме Дарлингтона) соединен с началом обмотки датчика силы, конец которой соединен через нагрузку Rн с общей шиной, а также через резистор R5 с инвертирующим входом усилителя У2. Резисторы R1 и R2 усилителя У1, одними выводами соединенные с инвертирующим входом У1, другими выводами образуют соответственно первый и второй входы устройства обратной связи, а выходом устройства обратной связи может быть выход усилителя У1.

Устройство обратной связи может быть цифровым и выполнено на базе процессора с ЦАП на выходе, при этом в усилитель-преобразователь вводится АЦП.

Параметры акселерометра определяются из статической характеристики (зависимости) «выходной сигнал» - «сигнал смещения» (фиг.4).

Пологие участки статической характеристики на фиг.4 формируются при имитации смещения ц.м. ЧЭ до касания края ЧЭ противоположных сторон рабочей зоны пластины, крутые участки на фиг.4 - последующим смещением ц.м. ЧЭ до противоположных сторон рабочей зоны пластины.

Наклон пологих участков характеристики определяется в основном суммарной угловой жесткостью пластины и моментом тяжения датчика смещения. При этом до имитации смещения ц.м. ЧЭ ось чувствительности акселерометра выставляется в горизонт (положение основания «угол 0») в соответствии с [2] и [4].

При имитации смещения ц.м. ЧЭ выполняются условия

β ∑ + ( Δ с м ц м ) ∑ 10 4 l ч э = 0                                                                                                                                                                                                                                                                                                             ( 1 )

M д м = M ∑ + M у п                                                                                                                                                                                                                                                                                                       ( 2 )

где

β ∑ = β ч э + ξ β о э ,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 3 )

( Δ с м ц м ) ∑ = ( Δ с м ц м ) с − Δ с м п л + Δ с м ц м ,                                                                                                                                                                                                                                               ( 4 )

M ∑ = M ∑ ч э + ξ С ч э С о э + ξ С ч э M ∑ о э ,                                                                                                                                                                                                                                 ( 5 )

M у п = − C о э C ч э С о э + ξ С ч э ( Δ с м ц м ) ∑ 10 4 l ч э ,                                                                                                                                                                                                                                                       ( 6 )

Выражения (1)-(6) используются при определении параметров акселерометра по кривой на фиг.3 и сформированы из математической модели вида

‖ C о э − C ч э   0 0                       C Ч Э   1 ξ C О С     C О С   1 ‖ ∗ ‖ β о э β ч э M д м ‖ = ‖ M ∑ о э M ∑ ч э M и м ‖                                                                                                                                                                                                                       ( 7 )

где C_ОС - коэффициент передачи цепи «датчик смещения - датчик силы» (фиг.2), г·см/рад,

M и м = − C о с ( Δ с м ц м ) ∑ 10 4 l ч э ,                                                                                                                                                                                                                                                                                     ( 8 )

M ∑ ч э = M д ч э + M т ч э ,   M ∑ о э = M д о э + M т о э                                                                                                                                                                                                     ( 9 )

M д ч э = m ч э l ч э q   sin ( ϕ о с н − ( β ч э − β о э ) ) ,                                                                                                                                                                                                     ( 10 )

M д о э = m о э l о э q   sin ( ϕ о с н + β о э ) ,                                                                                                                                                                                                                                           ( 11 )

Если справедливы соотношения sin β_э≈β_э, тогда

M д ч э = m ч э l ч э q   ( sin ϕ о с н − ( β ч э − β о э ) cos ϕ о с н ) ,                                                                                                                                                     ( 12 )

M д о э = m о э l о э q ( sin ϕ о с н + β о э cos ϕ о с н ) ,                                                                                                                                                                                                 ( 13 )

Математическая модель (7) с учетом (12) и (13) имеет вид

‖ C о э − m о э l о э q cos ϕ о с н − C ч э