СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ АКСЕЛЕРОМЕТРА
METHOD OF DETERMINING CROSS SENSITIVITY OF ACCELEROMETER

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам определения поперечной чувствительности пьезоэлектрических акселерометров.
Пьезоэлектрические акселерометры чувствительны не только к механическим колебаниям в направлении их главной (продольной) оси, но в некоторой степени и к колебаниям в перпендикулярной к этой оси плоскости. Значение поперечной чувствительности выражается в процентах от значения чувствительности в направлении главной оси. Идеальным считался бы акселерометр с нулевой поперечной чувствительностью.
Поперечные составляющие измеряемого ускорения присутствуют практически при всех видах вибрационного или импульсного воздействия на исследуемый объект и могут достигать значений, соизмеримых с основной измеряемой величиной. Поэтому создание нечувствительных к поперечным составляющим ускорения акселерометров является одной из важных задач при их проектировании. Типовые значения поперечной чувствительности пьезоакселерометров, выражаемой через относительный коэффициент влияния поперечного ускорения (ОКВПУ), составляют до 10% от основной чувствительности, что непосредственным образом сказывается на результатах измерения при испытаниях параметров движения, силовых воздействий, динамических характеристик и т.п.
Известны способы определения поперечной чувствительности (см. Yrrgang В. «Пьезоэлектрические датчики ускорения с малой поперечной чувствительностью», ИПС №1, 1971 г.; Бабер И.С., Плотников И.В. «Метод и аппаратура для определения поперечной чувствительности измерительных преобразователей ускорения». СПб.: «Вибрационная техника», МДНТП, 1970 г.), заключающиеся в вибрационном воздействии на акселерометр в поперечном направлении с помощью электродинамических вибростендов, обладающих конструктивной инструментальной погрешностью, которая привносится в погрешность определения поперечной чувствительности.
Известно устройство для определения поперечной чувствительности акселерометров (см. а.с. СССР №309302 от 16.03.1970 г.), в котором реализован способ, заключающийся в вибрационном воздействии на акселерометр с помощью электродинамического вибростенда и позволяющий осуществлять непрерывную регистрацию диаграммы направленности без перезакрепления преобразователя. Способ осуществляется установкой разработки ВНИИМ им. Менделеева и имеет погрешность до 12%.
Вышеуказанное устройство обладает низкой точностью определения поперечной чувствительности, которая обусловлена:
- непрямолинейностью траектории движения торца балки, на которой установлен акселерометр;
- несовпадением направления изгибных колебаний балки с направлением действия возбуждающей силы;
- погрешностью измерения амплитуды виброперемещения.
Вышеуказанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание способа определения поперечной чувствительности акселерометра с повышенной точностью.
Достигаемым техническим результатом заявляемого способа является исключение инструментальной погрешности воспроизведения единицы ускорения.
Для достижения технического результата в способе определения поперечной чувствительности акселерометра с использованием диаграммы направленности, заключающемся в том, что на поворотную платформу стенда устанавливают акселерометр, осуществляют поворот акселерометра в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы, новым является то, что акселерометр устанавливают соосно оси вращения платформы и фиксируют его радиальное положение относительно горизонтальной оси, измеряют максимальные значения электрического напряжения при каждом повороте платформы на угол более 90°, которые используют для построения диаграммы направленности, по которой определяют максимальное значение поперечной чувствительности акселерометра, при этом значение относительного коэффициента влияния поперечного ускорения определяют из отношения значений максимальной поперечной чувствительности к осевой чувствительности, которую измеряют путем установки акселерометра на поворотную платформу с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно оси вращения вала, совмещения с ней центра масс инерционного элемента акселерометра и поворота акселерометра в гравитационном поле Земли.
Новая совокупность существенных признаков в заявляемом способе позволяет определить поперечную чувствительность акселерометра с погрешностью в 20 раз меньше по сравнению с вышеуказанными способами.
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>max</mi><mo>.</mo><mi>n</mi></mrow><mo>⊥</mo></msubsup></mrow>
Заявляемый способ реализуется устройством, представленным на чертежах. На фиг. 1 - установка для определения поперечной чувствительности акселерометра, на фиг. 2 - способ определения осевой чувствительности акселерометра, на фиг. 3 - осциллограмма максимального значения сигнала с выхода акселерометра 2 в поперечном направлении при повороте платформы, на фиг. 4 - диаграмма направленности поперечной чувствительности акселерометра, где
- максимальное значение электрического напряжения, снятого с акселерометра при воздействии на него нормированного ускорения в поперечном направлении для n-ного положения.
Способ реализуется следующим образом.
На поворотную платформу 1 (см. фиг. 1) установки устанавливают акселерометр 2, осуществляют его поворот в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы 1. Акселерометр 2 устанавливают соосно оси вращения платформы 1 и фиксируют его угловое положение относительно горизонтальной оси. Измеряют максимальные значения электрического напряжения при каждом повороте платформы на угол более 90°, которые используют для построения диаграммы направленности (см. фиг. 4), по которой определяют максимальное значение поперечной чувствительности акселерометра, при этом значение относительного коэффициента влияния поперечного ускорения (ОКВПУ) определяют из соотношения:
⊥
где ε - ОКВПУ (%);
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow><mo>⊥</mo></msubsup></mrow>
- максимальное значение электрического напряжения, снятого с акселерометра при воздействии на него нормированного ускорения в поперечном направлении в пределах 360°;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow><mrow><mrow><mo>‖</mo><mrow /></mrow></mrow></msubsup></mrow>
- величина электрического напряжения, генерируемого акселерометром при воздействии на него нормированного ускорения вдоль оси.
⊥
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow><mo>⊥</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow><mrow><mrow><mo>‖</mo><mrow /></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Из формулы (1) видно, что точность значения ε определяется не только погрешностью, с которой определена поперечная чувствительность (
), но и погрешностью определения основной (осевой) чувствительности (
).
Последовательно меняя, в пределах 360°, угол между выбранным радиусом плоскости основания акселерометра 2 и горизонтальной осью и поворачивая для каждого положения датчика вал платформы на угол более 90° с измерением электрического напряжения, получают диаграмму направленности поперечной чувствительности, которая имеет вид «восьмерки» с максимальными и минимальными значениями поперечной чувствительности (см. фиг. 4).
Значение осевой чувствительности измеряют путем установки акселерометра на поворотную платформу (фиг. 2) с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно оси вращения вала и совмещения с ней центра масс инерционного элемента акселерометра и поворота акселерометра в гравитационном поле Земли.
Заявляемый способ был применен для определения поперечной чувствительности низкочастотных высокочувствительных пьезоакселерометров с массой в несколько сотен граммов. Их осевая чувствительность составляла величину более 1 B/g, а значение ОКВПУ на частоте 0,5 Гц находилось для различных образцов в пределах 0,5…3%. Реализация способа проста, не требует сложной настраиваемой системы электромагнитного возбуждения, позволяет проводить измерение ОКВПУ для акселерометров любой массы, в т.ч. весьма значительной величины.