СПОСОБ НАСТРОЙКИ СТРУННОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА
METHOD TO TUNE STRING ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к струнным акселерометрам для автономного определения параметров движения летательных аппаратов, и может быть использовано при производстве струнных акселерометров.
Известны струнные датчики, содержащие корпус, натянутую в нем струну и устройство для возбуждения автоколебаний. Конструкция и способ крепления струны имеют первостепенное значение для обеспечения заданной начальной частоты и ее стабильности в процессе настройки основных параметров струнных датчиков. Известны конструкции струнных датчиков физических величин с разными способами крепления струн (см. книгу Карцев Е.А., Коротков В.П. Унифицированные струнные измерительные преобразователи, М., Машиностроение, 1982, стр.34-38). Наибольшую стабильность частоты обеспечивает способ крепления струн прямоугольного сечения между двух плоскостей с предварительной их шлифовкой и притиркой в двух плоскостях -перпендикулярно струне в месте ее выхода и в плоскости вдоль струны. Однако настройка заданной частоты колебаний струны в преобразователях затруднительна и приводит к ухудшению стабильности частоты колебаний.
Известен струнный акселерометр (см. авт. св. SU №1840379, G01P 15/10), в котором используется ленточная струна с утолщенными концами, упрощающими крепление струны, с регулировочным устройством, позволяющим изменять натяжение струны, а следовательно, регулировать частоту колебаний. Несмотря на перемещение регулировочного ползуна по радиусу, не удается исключить относительного смещения заделок струны, что приводит к изгибу в заделках утоненной части струны и, следовательно, к дополнительным напряжениям, что ухудшает стабильность частоты колебаний.
Известен дифференциальный струнный акселерометр и способ его изготовления (см. патент РФ №2258230, G01P 15/10, опубл. 10.08.2005 г., принятый авторами за прототип), заключающийся в получении струны плющением из проволоки. Узлы крепления перед установкой струны шлифуются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях - в плоскости струны и перпендикулярной ей в местах выхода струны из заделок с фиксацией элементов крепления штифтами. Натяжением струны упругим подвесом выбирают требуемую начальную частоту колебания струны, при этом поверхности узлов крепления струны могут не лежать в одной ранее отшлифованной плоскости. Это приводит к деформации струны в местах выхода из заделок. Изгибные напряжения в заделках ухудшают стабильность частоты автоколебаний и точность измерения. Кроме того, нарушается прямолинейность струны, вследствие чего в рабочем диапазоне измерения возможны побочные резонансы, уменьшающие добротность и приводящие к срыву колебаний; увеличивается длительность стабилизации параметров и уменьшается выход годных акселерометров.
Задачей предлагаемого изобретения является сокращение длительности стабилизации параметров, времени сборки и увеличение выхода годных струнных акселерометров при изготовлении.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе настройки струнного акселерометра, содержащего струну прямоугольного сечения и консольно закрепленный пластинчатый подвес с грузом, включающий закрепление концов струны между двух плоскостей, предварительно механически обработанных в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек и вдоль струны, особенность заключается в том, что струну выставляют по оси симметрии подвеса перпендикулярно его плоскости, закрепляют последовательно концы струны на грузе и корпусе при совмещении поверхностей крепления в одну плоскость, сравнивают частоту автоколебаний струны с заданной и, при необходимости, корректируют длину струны, исходя из выражения:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>f</mi></mfrac><mtext> </mtext><mfrac><mi>l</mi><mrow><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
где Δl - изменение длины струны;
0
f и f - фактическая и заданная частота колебаний струны;
1 и у - длина струны и прогиб подвеса при расположении струны в одной плоскости, при этом вновь механически обрабатывают поверхности крепления до расположения их в одной плоскости, причем длину струны уменьшают, если частота меньше заданной, и увеличивают, если больше, затем прикладывают к грузу в месте крепления струны усилие, плавно изменяющее натяжение струны в рабочем диапазоне частот, и оценивают изменение амплитуды сигнала со струны, добиваясь точной установкой струны попадания частоты и амплитуды сигнала в заданный допуск, после чего проводят термомеханическое старение акселерометра.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена конструктивная схема закрепления струны в акселерометре (вид сбоку), пунктиром показано начальное положение недеформированного подвеса, на фиг.2 - подвес с грузом (вид снизу), на фиг.3 показана установка струны с отклонением от перпендикулярности к плоскости подвеса; на фиг.4 представлен вариант установки струны, смещенной от оси симметрии подвеса (вид со стороны подвеса), на фиг.5 - то же, но в сечении струны.
0
0
В струнном акселерометре (фиг.1) струна 1 прямоугольного сечения одним концом закрепляется на корпусе 2, другим - на грузе 3, который жестко скреплен с упругим пластинчатым подвесом 4, изолированным от корпуса 2, к которому он крепится с помощью клея и винтов (на фиг.1 не показаны). Возбуждение автоколебаний струны 1 осуществляется магнитоэлектрическим приводом, включающим постоянный магнит и электронную схему возбуждения. Струна 1 располагается в поле постоянного магнита, а ее концы прижимаются к корпусу 2 и грузу 3 плоскими накладками 5 и 6 с помощью винтов (на фиг.1 не показаны). Для исключения неопределенности крепления струны 1 в заделках проводят механическую обработку мест выхода струны 1 перпендикулярно плоскости колебаний, исключая так называемую «ступеньку». Также проводят шлифовку поверхностей груза 3 и корпуса 2 в плоскости струны 1 для устранения скручивания и изгиба струны 1. Механическую обработку перпендикулярно струне 1 проводят в приспособлении, фиксирующем подвес 4 в напряженном распрямленном положении, причем расстояние между заделками становится равным длине l струны 1 при установке. Из-за отклонения геометрических и упругих параметров подвеса 4 и струны 1 не удается обеспечить требуемую начальную частоту f в допуске порядка 1%. Регулировочные устройства вызывают дополнительные напряжения в контуре натяжения струны 1 и поэтому нежелательны. В прототипе изменяют натяжение струны 1 изменением прогиба подвеса 4, но при этом поверхности крепления концов струны 1 на грузе 3 и корпусе 2 выходят из одной плоскости. Причем абсолютные величины изменения прогиба Δy подвеса 4 и длины Δl струны 1 равны. Это видно из фиг.1: насколько увеличится прогиб подвеса 4, настолько уменьшится длина струны 1. Относительное отклонение частоты f от заданного начального значения f при настройке определяется выражением:
<mrow><mfrac><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>y</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi></mrow><mi>l</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi></mrow><mi>l</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
где l и y - длина струны 1 и прогиб подвеса 4.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>l</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>f</mi><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>f</mi></mfrac><mtext> </mtext><mfrac><mi>l</mi><mrow><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
Длина струны 1 обеспечивается установкой калибра в приспособлении при механической обработке с высокой точностью ~(0,1-0,2)%, а прогиб заневоленного подвеса 4 при этом колеблется в пределах (1-10)%. При настройке частоты часть акселерометров попадает в 1% допуск, обеспечив длину струны 1 при механической обработке. Другая часть требует корректировки длины струны 1 в зависимости от отклонения начальной частоты
.
<mrow><mfrac><mi>l</mi><mrow><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
0
0
0
-6
-7
2
2
2
2
-6
-7
Отношение
для конкретной конструкции акселерометра величина постоянная и составляет, например, при l=6 мм и y=1 мм величину 1,5. Если при закреплении второго конца получили частоту f автоколебаний больше заданной начальной частоты f, например, на 4%, то длину струны 1 надо увеличить на 0,06 мм, а если меньше f, чем f на 4%, то укоротить струну 1 на 0,06 мм. Чтобы струна 1 с измененной длиной осталась прямолинейной, необходимо вновь провести механическую обработку мест крепления струны 1, обеспечив при новом калибре в приспособлении (в нашем примере калибр изменен на 0,06 мм) расположение струны 1 в одной плоскости. Далее закрепляют струну 1 с измененной длиной и проверяют начальную частоту автоколебаний, при непопадании в допуск повторяют операции с изменением длины и механической обработкой плоскости крепления струны 1. Для точных акселерометров нестабильность частоты автоколебаний струны 1 должна составлять величину не хуже 1·10-1·10. Наибольшее влияние на стабильность частоты оказывают величина, вид и неравномерность напряжений в сечении и по длине струны 1, а также отклонение от прямолинейной формы струны 1. Обычно напряжения в струне 1 составляют 0,1-0,2 предела прочности порядка 400 Н/мм. Максимальная стабильность частоты будет, если струна 1 установлена таким образом, что испытывает только равномерные растягивающие напряжения в сечении по всей длине колеблющейся части струны 1. Струна 1, растягиваемая подвесом 4 прямоугольного сечения (фиг.2) с осью симметрии 7, устанавливается перпендикулярно плоскости подвеса 4 по его оси симметрии 7 и в таком положении закрепляется на грузе 3. Если струна 1 имеет отклонение от перпендикуляра на угол α (фиг.3), т.е. смещение верхнего конца от нижнего - центра приложения растягивающей силы подвеса 4 приводит к появлению поперечных изгибающих напряжений в плоскости струны 1, причем максимальные напряжения у верхней заделки. В частности, при отклонении на угол α=30' (смещение ~0,05 мм) и растягивающим струну 1 усилием 4 Н максимально изгибающие напряжения составят ~500 Н/мм. При смещении центра сечения струны 1 от оси симметрии подвеса 4 (фиг.4 и 5) на величину Δ возникает поперечный изгибающий момент по ширине струны 1, приводящий к изгибающим напряжениям по всей длине струны 1 в ее плоскости. Струна 1 испытывает сложное напряженное состояние -внецентренное растяжение. Изгибающие напряжения при Δ=0,1 мм составят ~900 Н/мм и в сочетании с растягивающими напряжениями делают напряжения неравномерными по сечению и длине струны 1, что ухудшает стабильность частоты колебаний. Изгибающие напряжения в заделках по толщине струны 1 возникают, если поверхности мест крепления струны 1 не лежат в одной плоскости. При неплоскостности ~0,03 мм эти напряжения составят около 700 Н/мм, причем струна 1 у выхода из заделок имеет перегибы по радиусу, равному 1-2 толщины струны 1. О недостаточной точности установки струны 1 относительно подвеса 4 и повышенной неплоскостности заделок свидетельствует нестабильность частоты хуже 2·10. Окончательно о качестве закрепления струны 1 судят по величине изменения сигнала со струны 1 при приложении к грузу 3 в месте крепления струны 1 плавно изменяющего усилия, вызывающего увеличение и уменьшение частоты колебаний. Усилие прикладывается по оси струны 1 (на фиг.1 показано стрелками) и составляет величину не менее ±mng, где m - масса груза 3, n - перегрузка, g - ускорение свободного падения. Это соответствует изменению начальной частоты f на величину ±kng (где k - коэффициент преобразования). Сигнал со струны 1 контролируется, например, по осциллографу и не должен изменяться более чем на 10%. Это говорит о возможности обеспечения заданных точностных характеристик акселерометра и его работоспособности во всем диапазоне измеряемых ускорений. Если изменение сигнала превысит указанный допуск, следует более точно выставлять струну 1. После обеспечения заданной начальной частоты колебаний струны 1 и допустимого изменения сигнала со струны 1 проводят термомеханическое старение акселерометра, стабилизирующее напряжения в цепи натяжения струны 1. При этом повышается стабильность частоты до 1·10, а это в свою очередь повышает точность выставки измерительной оси и уменьшает погрешность определения коэффициента преобразования.
Благодаря предложенному способу настройки акселерометра сокращается длительность стабилизации параметров, время сборки и увеличивается выход годных струнных акселерометров при изготовлении.