УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля и исследования пространственных компонент механических колебаний в задачах виброметрии, вибродиагностики и виброиспытаний, а именно к устройствам для измерения однокомпонентного углового ускорения при наличии многокомпонентных линейных и угловых ускорений.
Сущность полезной модели – параллельное электрическое подключение разнесенных нормализованных, имеющих одинаковые характеристики линейной чувствительности по трем осям, линейных пьезоакселерометров, установленных на жестком основании и определенным образом ориентированных осями чувствительности, что делает устройство чувствительным только к измеряемой компоненте углового ускорения многомерной вибрации.
В различных областях науки и техники, связанных с разработкой и использованием технических устройств, эксплуатирующихся в условиях многокомпонентных линейных и угловых колебаний, широко используются устройства для измерения угловых колебаний, основанные на различных физических принципах. Однако при решении многих задач использование специализированных устройств для измерения угловых колебаний проблематично из-за несоответствия диапазона рабочих частот реальным частотам угловых колебаний, высокого порога чувствительности, недостаточной надежности и низких точностных характеристик. При этом недостаточная точность измерений часто связана с тем, что эти устройства обладают определенной чувствительностью в направлениях, перпендикулярных направлению действия измеряемого углового ускорения.
Известен датчик углового ускорения (Авторское свидетельство СССР №250550, МПК G01P, опубл. 12.08.1969), содержащий выполненную в виде многовитковой спирали трубку, заполненную рабочей жидкостью, служащую инерционной массой, и дифференциальный преобразователь давления в электрический сигнал, входы которого соединены с каналами спиральной трубки. Этот датчик имеет недостаточную точность измерения из-за чувствительности к угловым ускорениям, перпендикулярным к его оси чувствительности.
Преодолеть отмеченные выше недостатки датчиков угловых колебаний можно за счет применения косвенных методов измерений. Один из этих методов основан на использовании пространственно разнесенных датчиков линейных ускорений, по состоянию на сегодняшний день более совершенных, чем датчики угловых колебаний. При этом угловые ускорения определяются на основе измеренных значений линейных ускорений, определяемых при помощи механически связанных и определенным образом установленных датчиков линейных ускорений.
Создание и разработка современных средств навигации и устройств, обеспечивающих высокую точность стабилизации и пространственного позиционирования приборов и устройств, размещенных на подвижных носителях, ставит задачу разработки однокомпонентных устройств угловых колебаний, способных обеспечивать требуемые характеристики в условиях действия многомерной (разнонаправленной) вибрации, т.е. обладающих минимальной, а по возможности, нулевой чувствительностью к линейным ускорениям, а также к угловым ускорениям, оси которых перпендикулярны оси исследуемого углового колебания.
Известны способы и устройства, основанные на использовании линейных акселерометров, обеспечивающие измерение угловых ускорений. В частности, в (Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963, с.78), (Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press – New York, 1984, с.146–148), описаны способы измерения линейной и угловой компонент многомерной вибрации путем обработки результатов измерения двумя одинаково направленными разнесенными линейными акселерометрами инерционного действия. Выходной сигнал каждого акселерометра состоит из части, зависящей от линейной компоненты вибраций вдоль оси максимальной продольной чувствительности, и части, зависящей от угловой компоненты вокруг одной из осей, перпендикулярных оси максимальной продольной чувствительности. При работе устройств могут быть реализованы два режима измерений – режим сложения электрических сигналов и режим вычитания электрических сигналов. При сложении электрических сигналов на выходе устройства получается сигнал, соответствующий линейному ускорению, т.к. при этом электрические сигналы, соответствующие угловому ускорению, взаимно уничтожаются. При вычитании электрических сигналов на выходе устройства получается сигнал, соответствующий угловому ускорению, т.к. при этом электрические сигналы, соответствующие линейному ускорению, взаимно уничтожаются. Разная чувствительность линейных акселерометров может быть компенсирована путем регулировки входящих в схему регистрации усилителей. Временной дрейф усилителей может внести дополнительную ошибку в результаты измерений, что ограничивает точность метода.
Рассмотренный косвенный метод измерений позволяет определять искомую угловую компоненту вибрации. Для реальных процессов колебаний, носящих преимущественно случайный характер, способ малопригоден. При этом в отмеченных источниках не рассматриваются вопросы, направленные на повышение точности измерения однокомпонентного колебания за счет компенсации (обнуления) сигналов, соответствующих колебаниям объекта измерений вокруг осей, перпендикулярных оси исследуемого однокомпонентного колебания.
Известно устройство для измерения линейных и угловых ускорений (Патент США №4996878, МПК G01P 15/09, G01P 15/12, опубл. 05.03.1991), в котором использована пара пьезоэлектрических биморфных элементов, установленных симметрично относительно общей материальной оси, совпадающей с осью чувствительности и закрепленных консольно. При линейном воздействии биморфные элементы изгибаются в одном направлении, а при угловом – в противоположных направлениях по оси чувствительности. При этом пьезоэлементы генерируют заряды, часть которых вызвана однонаправленным изгибом, а часть – изгибом в противоположных направлениях. Общий выходной электрический сигнал предлагается разделять на линейную и угловую компоненты с помощью суммирующего и дифференциального (разностного) усилителей. Предложенная схема электрического включения вызывает сомнения в своей работоспособности, так как на входы обоих усилителей подаются сигналы уже после их смешения и вопрос возможности осуществления одновременного измерения линейных и угловых компонент вибрации остается открытым. Консольное крепление обусловливает низкую прочность и высокую чувствительность биморфных элементов к неизмеряемым компонентам вибрации. Следует отметить, что использование биморфных пьезоэлементов ограничивается очень малыми амплитудами деформации консолей и узким частотным диапазоном измерений (Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963, с.424). Вследствие указанных недостатков рассмотренный датчик не может быть использован для высокоточного измерения угловых колебаний вокруг заданной оси в условиях многокомпонентных линейных и угловых колебаний.
Известен принятый за прототип пьезоэлектрический акселерометр угловых колебаний (Патент США №6397677, МПК G01P 15/08, G01P 15/09, G01P 15/18, опубл. 04.06.2002), в котором для измерения одной компоненты угловых колебаний используются два разнесенных линейных пьезоакселерометра. При этом каждый линейный пьезоакселерометр состоит из двух пьезокерамических пластин и двух инерционных масс, прижатых с помощью болта попарно друг к другу и к общему основанию без механического контакта между основанием и инерционными массами. Продольно поляризованные пьезокерамические пластины чувствительны к деформации сдвига. В линейных пьезоакселерометрах они установлены осями чувствительности параллельно и встречно так, чтобы при действии линейной компоненты колебаний и суммировании их зарядов последние взаимно компенсировались, а при действии угловых колебаний складывались. Таким образом, оси максимальной чувствительности используемой пары линейных пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения основания, на котором они закреплены, а полярность линейных пьезоакселерометров противоположна. Измерительная схема предусматривает объединение выходных контактов линейных пьезоакселерометров между собой и их подключение к измерительному устройству. Использование пьезокерамических пластин, работающих на сдвиг, обеспечивает рассматриваемому акселерометру угловых колебаний прочность, высокую частоту резонанса, позволяющую существенно расширить рабочий диапазон амплитуд и частот измерения в сравнении с биморфными консольными пьезоэлементами. Однако описанный пьезоэлектрический акселерометр угловых колебаний отличается недостаточной точностью измерения углового ускорения при угловых колебаниях объекта вокруг заданной оси, что связано с разбросом параметра максимальной продольной чувствительности используемых в пьезоэлектрическом акселерометре угловых колебаний линейных пьезоакселерометров, а также отсутствием мер по устранению влияния угловых колебаний вокруг осей, перпендикулярных оси измеряемых угловых колебаний. Заявленная в прототипе высокая точность измерения отдельных компонент угловых колебаний, которую он может обеспечивать в условиях действия многомерной вибрации, не подтверждена какими-либо конструктивными или техническими решениями, гарантирующими ее повышение в сравнении с известными и апробированными линейными пьезоакселерометрами, имеющими паспортные характеристики, в том числе – метрологические. Используемое техническое решение по объединению инерционных элементов в один общий инерционный элемент линейного пьезоакселерометра способно устранить некоторые методические погрешности, но не исключает образования или увеличения погрешностей других видов, учет и минимизация которых определяются конструкцией общей колебательной системы. При этом следует принять во внимание, что на практике выходные сигналы линейных пьезоакселерометров угловых колебаний, вызываемые поступательными (линейными) колебаниями, превышают на порядок и более выходные сигналы, соответствующие угловым колебаниям объекта измерений (Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press – New York, 1984, с.146–148). Поэтому отсутствие специальных мер по обеспечению точностных характеристик пьезоэлектрического акселерометра угловых колебаний, построенного на использовании компенсационного метода измерений, будет приводить к недостоверным результатам измерений отдельных компонент угловых колебаний, что является его недостатком.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения однокомпонентного углового ускорения в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых колебаний.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения углового ускорения содержит основание с установленными на нем двумя разнесенными линейными пьезоакселерометрами, при этом оси максимальной чувствительности линейных пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения основания, а полярность линейных пьезоакселерометров противоположна, при этом выходы линейных пьезоакселерометров через сумматор зарядов соединены с измерительным устройством, при этом максимальная продольная чувствительность линейных пьезоакселерометров одинакова. Линейные пьезоакселерометры установлены на основании таким образом, что оси их минимальной поперечной чувствительности параллельны оси измеряемых угловых колебаний, а оси их максимальной поперечной чувствительности ориентированы встречно.
Предлагаемое устройство для измерения углового ускорения позволяет минимизировать погрешность измерений при наличии многокомпонентных вибраций.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами:
– на фиг.1 представлена конструкция устройства для измерения углового ускорения;
– на фиг.2 приведена номограмма для определения поперечной чувствительности линейного пьезоакселерометра.
2
3
Устройство (фиг.1) содержит основание 1 с установленными на нем двумя разнесенными первым линейным пьезоакселерометром 2 и вторым линейным пьезоакселерометром 3, при этом оси максимальной продольной чувствительности первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3 соответственно Y и Y параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения Z основания 1. Генерируемые при колебаниях выходные заряды первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3 через сумматор зарядов 4 подаются на измерительное устройство 5. Первый линейный пьзоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 установлены встречно, и при вращении основания 1 вокруг оси Z их заряды будут иметь один знак и складываться на сумматоре зарядов 4.
При реализации устройства могут быть использованы следующие технические решения. Основание 1 выполняется из конструкционной стали с размерами, обеспечивающими его жесткость в условиях измерений. Первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 – фирмы «Брюль и Къер», например, типа 4370. Сумматор зарядов 4 – высокочастотный байонетный разъем, например, типа СВ-50-95ФВ, с выхода которого сигнал подается на измерительное устройство 5 в виде стандартного измерителя заряда, используемого в технике виброизмерений, например, типа 2635. Для соединения элементов измерительной схемы используется коаксиальный кабель, например, типа АВК-3. Приведенные данные по реализации устройства подтверждают возможность его технической осуществимости.
В настоящее время ведущие мировые изготовители линейных акселерометров обеспечивают высокую воспроизводимость их основных технических характеристик в пределах одной партии.
-2
Используемые в устройстве линейные пьезоакселерометры имеют нормализованную чувствительность по заряду, отрегулированную в процессе их заводского производства на определенное круглое значение, например, 1, 10 или 1000 пКл/мсс высокой точностью. В паспортах нормализованная чувствительность каждого линейного пьезоакселерометра указывается до третьей значащей цифры, что позволяет подбирать однотипные линейные пьезоакселерометры с одинаковым ее значением и отказаться от схемного, при помощи регулируемых электрометрических усилителей, или конструктивного, путем дополнительного подбора инерционных масс, выравнивания чувствительностей разнесенных линейных пьезоакселерометров и исключать одну из существенных составляющих погрешностей измерения. Другой важной составляющей погрешностей измерения является чувствительность линейных пьезоакселерометров к неизмеряемым компонентам вибрации, в первую очередь – поперечная чувствительность. Для определения величины поперечной чувствительности по заданному направлению используется номограмма (фиг.2) (Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978).
В зависимости от направления вектора поперечной вибрации по номограмме (фиг.2) определяют ее долю от паспортизуемого максимального значения поперечной чувствительности, установленного при заводских испытаниях. Как видно из номограммы, векторы максимальной (ось 0°–180°) и минимальной (ось 90°–270°) поперечной чувствительности находятся под углом 90°. Определенное при заводских испытаниях направление минимальной поперечной чувствительности отмечается на корпусе линейного пьезоакселерометра определенным индексом, а именно, в линейных пьезоакселерометрах фирмы «Брюль и Къер» – красными точками 6, как это показано на фиг.1, 2. Следует отметить, что полярность генерируемых зарядов всех однотипных нормализованных линейных пьезоакселерометров одинаковая как в направлении оси чувствительности, так и в поперечном направлении.
Основание 1 (фиг.1) выполняется жестким, недеформируемым в диапазоне измеряемых частот. Разнесенные на базовое расстояние L линейные первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 закреплены на параллельных поверхностях А и В основания 1, при этом параллельность поверхностей А и Взадается с высокой точностью для обеспечения параллельности осей максимальной продольной чувствительности первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3. Поверхность (плоскость) Соснования 1 выполнена перпендикулярно поверхностям А и В и оси Z измерения углового ускорения. Плоскость С служит для установки датчика на объекте измерения.
Первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 соединены электрически параллельно, их заряды по кабелю поступают на сумматор зарядов 4. Для линейных пьезоакселерометров с нормализованной по заряду чувствительностью можно не учитывать присоединенную емкость кабеля и, таким образом, не налагать ограничений на его длину (Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978).
2
3
Как следует из фиг.1, первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 установлены на основании 1 осями чувствительности Y и Y встречно и перпендикулярно оси Z углового измерения. При воздействии на основание 1 линейного ускорения вдоль оси Y заряды линейных пьезоакселерометров с нормализованной чувствительностью на сумматоре зарядов 4 взаимно компенсируются. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси Z с выхода сумматора зарядов 4 на измерительное устройство 5 поступает удвоенный (суммарный) заряд первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3, тем больший, чем больше базовое расстояние L.
Для повышения помехозащищенности устройства для измерения углового ускорения от неизмеряемых компонент многомерной вибрации первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 закреплены на основании 1 так, чтобы оси их минимальной поперечной чувствительности (ось 90°–270°) на фиг.2 были параллельными оси Z измерения углового ускорения с односторонним расположением красных точек 6 на корпусах, как показано на фиг.1. Это обеспечивает минимальную поперечную чувствительность устройства для измерения углового ускорения в направлении осей Z и Х. Вдоль оси Х минимизация поперечной чувствительности обеспечивается за счет взаимокомпенсации соответствующих сигналов линейных пьезоакселерометров, оказывающихся в противофазе из-за разворота лепестков номограммы на фиг.2.
Чувствительность предлагаемого устройства к неизмеряемым компонентам угловых колебаний зависит от чувствительности к неизмеряемым линейным компонентам. Минимизация последней обеспечивает его помехозащищенность к неизмеряемым компонентам угловых колебаний.
Проведенное макетирование устройства и практическое использование макета при измерениях подтверждают его осуществимость. В настоящее время оно используется для оценки и контроля колебаний линии визирования научной аппаратуры в системах высокоточного наведения.
Существенными признаками предлагаемого устройства являются:
- применение линейных пьезоакселерометров с нормализованной (одинаковой) продольной линейной чувствительностью;
- установка линейных пьезоакселерометров на основании осями, соответствующими направлению их минимальной поперечной чувствительности, параллельно оси измерения углового ускорения;
- установка линейных пьезоакселерометров на основании осями, соответствующими направлению их максимальной поперечной чувствительности, встречно.
Ни одним из указанных полезных свойств прототип не обладает, что свидетельствует о новизне предлагаемого технического решения.
Поскольку устройства, предназначенные для измерения угловых виброускорений, хотя и широко используются в технике, но развиты недостаточно, возможность использования для этой цели материальной части надежных, точных и хорошо воспроизводимых в условиях массового производства линейных акселерометров несомненно является полезным свойством заявляемого технического решения, делающим целесообразным его практическое использование.
Устройство для измерения углового ускорения работает следующим образом.
Основание 1 закрепляют на исследуемом изделии. Элементы крепления устройства не приведены и могут иметь различную конструкцию в зависимости от конструкции изделия.
Первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 подключают электрически через сумматор зарядов 4 к измерительному устройству 5. При колебаниях основания 1 вокруг оси Z заряды первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3 суммируются, а при действии остальных компонент колебаний взаимно компенсируются и производится измерение углового ускорения исследуемого изделия.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения углового ускорения, работающее на использовании двух разнесенных линейных пьезоакселерометров нормализованной чувствительности и определенным образом закрепленных на основании, обеспечивает высокоточное измерение одной компоненты углового ускорения. Этим достигается поставленный технический результат.
Перечень источников, рассмотренных при патентном поиске.
1. Авторское свидетельство СССР №250550 «Датчик углового ускорения», МПК G01P, опубл. 12.08.1969.
2. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963 – 756 с.
3. Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press – New York, 1984 – 277 с.
4. Патент США №4996878 «Transducer element for measuring angular and linear acceleration», МПК G01P15/09, G01P15/12, опубл. 05.03.1991.
5. Патент США №6397677 «Piezoelectric rotational accelerometer», МПК G01P15/08, G01P15/09, G01P15/18, опубл. 04.06.2002 (прототип).
6. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978 – 111 с.