Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот.

На сегодняшний день подобная задача решается с помощью вибростенда [1]. Заявляемый датчик прикреплен к вибростолу, который возбуждается гармоническим колебанием, исходящим от генератора стандартных сигналов (ГСС) определенной частоты.

Испытуемый датчик преобразует калиброванные по амплитуде механические колебания в электрические, которые регистрируются при помощи вольтметра. Экспериментатор сразу получает искомую величину - коэффициент преобразования датчика с размерностью мВ/g (милливольт на единицу земного ускорения: g=9,8 м/с²) на определенной частоте. Калибровку датчиков проводят в специально оборудованной комнате, где поддерживается средняя температура 25°C, в которой стационарно установлен вибростенд, вес которого, если он способен возбуждать колебания порядка 10 Гц, может доходить до 500 кг плюс шестидесятикилограммовый ГСС. На практике при выездных соревнованиях часто требуется провести спектральную перепроверку коэффициента преобразования датчика, особенно при измерении силы отталкивания спортсмена.

На сегодняшний день необходимо мобильное калибровочное устройство, позволяющее быстро определять коэффициент преобразования датчиков в полевых условиях в требуемой полосе частот, не прибегая к помощи вибростенда.

Задача изобретения - разработать способ спектрального измерения коэффициента преобразования датчика ускорения, не прибегая к помощи вибростенда.

Поставленная задача решается путем использования метода отскока штока, поднятого на высоту Н, имеющего свободный или скользящий ход по отношению к трубке, внутри которой он движется, и при отпускании он совершает свободное падение до удара об упругий массив с частотой отскока, определяемой формулой

где w₀ - угловая частота отскока штока (рад/с);

g=9,8 м/с²;

λ₀ - рабочий ход упругого массива, мм, при ударе об него штока, падающего с высоты Н,

а расчетная величина ускорения будет определяться формулой

где а₀ - расчетное значение ускорения штока, падающего с высоты Н, при собственной частоте колебаний упругого массива w₀=2πf₀.

Датчик, который закреплен на верхнем торце штока с помощью коаксиального кабеля, подключен к входу спектранализатора с установленным в нем полосовым фильтром с центральной частотой w₀, к выходу которого подключен вольтметр; он вырабатывает сигнал напряжения u₀, соответствующий расчетной величине ускорения а₀ при равенстве параметров w₀ и w_n, по которым вычисляется коэффициент преобразования датчика:

Подставляя формулу 2 в формулу 3, в конечном итоге получаем:

На фигуре 1 приведена установка, реализующая предложенный способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения методом отскока. Шток 1 со сменными наконечниками 2, отличающимися друг от друга площадью своих носиков, имеет свободный или скользящий ход по отношению к трубке 3, которая для устойчивости снабжена фланцем 4.

Трубку со стороны фланца устанавливают на упругий массив 5, который находится на поверхности 6. Верхний торец штока запрессован в деревянную пластину 7, на которой крепится, в случае необходимости, добавочный груз 8 (М) и датчик ускорения 9, возбуждаемый ускорением штока, с которого через коаксиальный кабель 10 поступает на вход спектранализатора 11, в котором с помощью сменных RC-цепочек 12 устанавливается полосовой фильтр с требуемой центральной частотой. К выходу спектранализатора подключен вольтметр 13 в качестве индикатора ускорения штока.

Примеры конкретного выполнения. Работает устройство следующим образом. Шток 1 приподнимается в трубке до границы наконечника, отмеряемой по верхнему краю трубки, на высоту Н. После разжатия пальцев руки шток совершает свободное падение до удара об упругий массив, на котором стоит трубка. Его скорость в момент удара будет равна

где Н - высота падения;

- скорость падения штока в момент его удара об упругий массив.

Собственная частота колебаний штока в результате его удара об упругий массив определяется по формуле 1.

λ - величина сжатия упругого массива (рабочий ход) от удара падающего с высоты Н штока.

На фиг. 1 этот параметр схематически показан. Регулировка его величины, от которой зависит в соответствии с формулой (2) собственная частота колебания штока, осуществляется сменой наконечников штока, которые отличаются друг от друга площадью своих носиков. На сверхнизких частотах, начиная от 6 Гц и ниже, где требуются значительные величины рабочего хода упругого массива, верхний торец штока запрессован в пластину, на которую прикреплен добавочный груз (на фиг. 1 обозначен буквой М).

Эксперимент с падающим штоком продолжают до тех пор, пока его собственная частота колебаний w₀ не совпадет с частотой предварительно установленного в спектранализаторе с помощью RC-цепочек полосового фильтра w_n. Этот момент определяется по максимальной величине ускорения штока, фиксируемого вольтметром в единицах напряжения - вольтах. В этом случае величину ускорения штока можно будет рассчитать по формуле:

где f₀ - линейная частота колебаний стержня [1/с].

По полученным величинам а₀ и u₀ составляют линейную пропорцию:

a₀-u₀

Отсюда:

В табл. 1 приведены коэффициенты преобразования датчика ускорения на некоторых частотах при падении штока с высоты 70 мм и равенстве w₀=w_n.

По сравнению с известными способами, в которых используется вибростенд, заявляемый способ позволяет оперативно и достоверно определять качество покрытия упругого массива по коэффициенту преобразования датчика ускорения в требуемой полосе частот.

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения методом отскока в узкой полосе частот, заключающийся в поднятии штока на высоту Н, имеющего свободную или скользящую посадку по отношению к трубке, внутри которой он движется, и при отпускании которого он совершает свободное падение до удара об упругий массив, на котором стоит трубка, с частотой отскока, определяемой формулой

где w₀ - угловая частота отскока штока [рад/с]

g=9,8 м/с²

λ - рабочий ход упругого массива [мм] при ударе об него штока, падающего с высоты Н,

а расчетная величина ускорения будет определяться формулой

где а₀ - расчетное значение ускорения штока, падающего с высоты Н, при собственной частоте колебаний упругого массива w₀=2πf₀,

отличающийся тем, что датчик, закрепленный на верхнем торце штока, с помощью коаксиального кабеля подключенный к входу спектранализатора с установленным в нем полосовым фильтром с центральной частотой w_n, к выходу которого подключен вольтметр, вырабатывает сигнал напряжения u₀, соответствующий расчетной величине ускорения а₀ при равенстве параметров w₀ и w_n, по которым вычисляется коэффициент преобразования датчика

.