СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ РАКЕТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING LINEAR ACCELERATION IN ROCKET CONTROL SYSTEMS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам и устройствам в области измерительной техники, которая занимается вопросами измерения линейных ускорений в системах инерциальной навигации самолетов, ракет, кораблей, космических аппаратов и других подвижных объектов (ПО). Изобретение может применяться в указанных отраслях техники, но в большей степени соответствует системам управления ракет, которые требуют обеспечения высокой точности измерения ускорения в конце активного участка траектории движения, в момент выключения маршевого двигателя при заданной величине кажущегося ускорения и скорости.
В литературе известны способы измерения линейных ускорений, реализованные в устройствах на основе компенсационных акселерометров, заключающиеся в том, что ускорение преобразуют в отклонение подвижной системы акселерометра с последующим преобразованием отклонения в электрический сигнал, его усиливают и преобразуют в момент отрицательной обратной связи, а параметры сигнала отрицательной обратной связи (значения: тока, числа импульсов, кодового числа) используют в качестве выходного сигнала для определения ускорения. При этом необходимым условием применения способа является проведение калибровки акселерометров, в процессе которой по результатам измерений определяют значения технических характеристик (ТХ), и используют их для контроля соответствия заданным значениям тактико-технических требований (ТТТ) системы управления ПО, в том числе заданной точности измерения ускорения [2, 3], а также для дальнейшего их учета в моделях погрешностей для систем управления движением и навигации ПО.
В последнее время уделяется внимание способам и устройствам, которые обладают свойствами диагностики своих ТХ без дополнительных измерительных средств. Такими свойствами обладают автоколебательные акселерометры, которые рассматриваются в качестве прототипа предлагаемому изобретению.
c
1i
2i
i
1i
2i
i
1i
2i
c
i
i
i
i
вх
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
дм
0
дм
0
i
i
0
ik
aik
i
0
ij
aij
ij
0j
Среди ряда известных [4-7] в наибольшей степени предлагаемому соответствует способ измерения линейного ускорения с использованием автоколебательного акселерометра, заключающийся в том, что ускорение преобразуется в отклонение подвижной системы акселерометра с последующим преобразованием отклонения в электрический сигнал, который усиливается и преобразуется в последовательность временных интервалов, сформированных с помощью источника стабилизированного тока и элементов нелинейного звена в виде широтно-модулированного сигнала, который преобразуют в момент импульсной отрицательной обратной связи при помощи датчика момента, а сигналы импульсной отрицательной обратной связи преобразуют в сигнал, модулированный счетными импульсами, поступающими от генератора импульсов стабилизированной частоты f, с последующим измерением количества счетных импульсов n и n, которые преобразуют в выходные сигналы акселерометра в виде разности Δn=n-n, суммы n=n+n=fT и отношения количества импульсов N=Δn/n, причем величину и знак входного воздействия a=а+Δa, соответствующего измеряемым ускорению a, и погрешностям Δa, определяют по окончании каждого i-того периода Т автоколебаний с помощью выходного сигнала и по формуле N=K(а+Δа), (i=1…∞), где К=ml/КI - коэффициент преобразования входного воздействия, ml - маятниковый момент подвижной системы, К и I - коэффициент передачи датчика момента и поступающий от стабилизированного источника ток, величина которого ограничивает диапазон измеряемого ускорения, при этом коэффициент преобразования К, погрешность, например смещение нуля Δa=Δa, их стабильность определяют при помощи формулы N=К(а+Δа), градуировочную характеристику (ГХ) и ее стабильность (линейность) при помощи другой формулы N=К(a+Δa), определяют заранее и каждую из указанных ТХ раздельно по результатам калибровки в условиях гравитационного поля Земли при вертикальном и горизонтальном положениях измерительной оси акселерометра, причем измерения каждой ТХ выполняют на интервале времени сотен периодов автоколебаний, чтобы применить статистическую обработку и фильтрацию результатов измерений, которые используют в дальнейшем при измерении ускорения.
0
В результате анализа известных устройств измерения ускорения на основе компенсационных автоколебательных акселерометров [1, 4-7] для реализации известного способа измерения ускорения был выбран состав устройства, наиболее близкий предлагаемому. Структурная схема такого устройства показана на фиг.1, где изображен акселерометр, содержащий чувствительный элемент (ЧЭ) и нелинейное звено (НЗ), при помощи которого осуществляется режим автоколебаний. В состав ЧЭ входит: инерционный элемент (ИЭ) 1, датчик угла (ДУ) 2 и 3, датчик момента (ДМ) 7, которые механически и электрически связаны между собой и образуют замкнутый контур управления вместе с элементами, реализующими НЗ. Подвижные части ДУ, ДМ и ИЭ называют подвижной системой (ПС) ЧЭ. В состав НЗ входит: усилитель-преобразователь (УП) 4, компаратор 5 и электронный ключ (ЭК) 6. В состав устройства входят также: источник стабилизированного тока (ИСТ) 8, генератор счетных импульсов стабилизированной частоты (ГСИ) 9, реверсивный (РСИ) 10 и суммирующий (ССИ) 11 счетчики импульсов и спецвычислитель (СВ) 12.
вх
i
0
ду
ду
уп
уп
ду
ду
уп
0
дм
0
0
i
1i
2i
i
1i
2i
c
i
i
i
i
i
i
1i
2i
При наличии входного воздействия а=а+Δa ИЭ отклоняется на угол β и на обмотке ДУ 3 возникает сигнал в виде напряжения U=Кβ, которое после усиления в УП в виде сигнала U=KU=ККβ поступает на вход компаратора, выход которого связан с управляющими входами ЭК и счетчиков РСИ и ССИ. При помощи ЭК источник ИСТ подключается к ДМ. Образуется электрическая цепь импульсов тока I, поступающих через контакты ЭК на обмотку ДМ, в котором возникает момент импульсной отрицательной обратной связи. Выбор величины тока I источника ИСТ позволяет обеспечить процесс функционирования автоколебаний ЧЭ и измерения ускорений в заданном диапазоне. Одновременно функционирует информационный канал и ГСИ подключается к счетным входам РСИ и ССИ. На выходе счетчиков выделяется разность Δn=n-n и сумма n=n+n=fT количества импульсов, пропорциональных входному воздействию и периоду автоколебаний T, а на выходе СВ получают информацию в виде N=Δn/n. Значения сигналов Δn=n-n и
i
1i
2i
i
i
i
i
n=n+n поступают от счетчиков на информационный вход СВ, а на его выходе получают информацию в виде числа N=К(a+Δа), пропорционального измеряемому ускорению и погрешностям.
При проведении калибровки ГОСТ [3] рекомендует использовать ряд технических характеристик, приведенных в таблице 1, которые применительно к автоколебательным акселерометрам представим в следующем виде:
i
0
вх
max
0
max1
a1
- коэффициент преобразования акселерометра определяют путем измерения ускорения известной величины при наличии погрешности смещения нуля Δa=Δa. При заданном диапазоне ±a=±a+Δa удобнее фиксировать значения границ диапазона, что и является предметом измерения. На выходе устройства получают: N=K
max
0
max2
a2
max
0
(+a+Δa), -N=K(-a+Δa), а вычисление значений выполняют по формулам:
i
- смещение нуля измеряют при ускорении а=0, тогда на выходе устройства, а при известном коэффициенте преобразования и на входе соответственно получают:
a
a1
a2
где К=1/2(K+К) - среднее значение коэффициента преобразования;
вх
max
0
- градуировочная характеристика измеряется в заданном диапазоне ускорений ±a=±a+Δa, и на выходе устройства получают:
ij
0j
вхj
aij
где a+Δа=а - величина ускорения и погрешность смещения нуля, которые задают в виде дискретных значений, как правило, в нескольких точках j=(1, 2…10) заданного диапазона, К - коэффициент преобразования ГХ. Линейность ГХ в большей степени зависит от качества оборудования, ошибок оператора и поэтому определение ее целесообразно выполнять и паспортизировать на заводе-изготовителе в условиях прецизионного оборудования, а на этапах предстартовой подготовки и применения в системах инерциальной навигации ПО использовать паспортные значения.
iq
max
i
i
mах
Полученные результаты измерений при калибровке подвергают математической обработке с использованием аппарата математической статистики [8] для определения стабильности и линейности измеряемых технических характеристик (ТХ), для чего требуется определенный объем полезной информации, поэтому в случае с автоколебательными акселерометрами время измерений ограничивают несколькими сотнями периодов автоколебаний Т≈qT≈(500-1000)T, где q≈(500-1000), - количество периодов автоколебаний, которое выбирают в интересах статистики при измерении каждой ТХ в процессе калибровки.
Основным недостатком известных способов и устройств измерения линейных ускорений является несоответствие полученных в процессе калибровки ТХ реальным условиям измерения ускорения и друг другу, так как каждая из характеристик определяется на различном оборудовании и при различном влиянии условий окружающей среды за достаточно длительный промежуток времени, в течение которого изменение внешних факторов существенно влияет на величины ТХ и их нестабильности. Как следствие - низкая точность измерения ускорения по причине использования ТХ, рассчитанных заранее и с методическими ошибками. Несмотря на то, что проводят калибровку с целью уменьшения погрешностей и определения ТХ для дальнейшего их использования в процессе измерения, указанная цель не может быть достигнута в полной мере при существующих способах калибровки, которые в свою очередь не позволяют обеспечить стабильность измеряемых ТХ.
Приведенные выражения (1)-(3) показывают, что ни одна из получаемых ТХ в современных системах не может выполнить свое назначение в соответствии с определением по ГОСТу [3], так как измерения их проводят раздельно, последовательно, на различном оборудовании, на различных временных интервалах, и, следовательно, при различных внешних возмущениях, что является причиной нестабильности определяемых ТХ, их взаимосвязи и взаимообусловленности в процессе измерения ускорения и калибровки. Использование аппарата математической статистики, якобы для повышения стабильности и линейности измеряемых ТХ, не решает указанной задачи, а вычислением количественных показателей в виде математического ожидания, дисперсии или СКО каждой ТХ, подчеркивает влияние внешних возмущений на точность измерения искомых величин.
i
i
i
i
i
Например, величина выходного сигнала при измерении ускорения в соответствии с известным способом определяется равенством N=K(a+Δa) и пропорциональна входному сигналу в виде измеряемого ускорения и погрешностей, возникающих вследствие влияния возмущений. Однако коэффициент преобразования K измеряется при калибровке в других условиях и определяется с помощью выражений (1) при наличии погрешности смещения нуля, которая измеряется при третьих условиях, а вычисляется при помощи выражений (2) и наличии того же коэффициента преобразования.
Отсюда следует, что точность измерения ускорения зависит не только от возмущающих воздействий, влияющих на величину измеряемого ускорения непосредственно, но и от стабильности значений ТХ, которые зависят также от возмущающих воздействий, и при определении каждой из ТХ раздельно будут отличаться, что вызывает взаимосвязи и взаимообусловленность измеряемых ТХ, влияние их нестабильности на точность измерения ускорения, что видно при анализе приведенных формул.
Таким образом, выходом из данного противоречия является сближение по времени условий измерения и испытаний, когда внешние возмущения проявят себя несущественно. Первым шагом в направлении повышения стабильности измеряемых ТХ при калибровке может быть обеспечение единства их определения в условиях неизменного влияния окружающей среды за счет короткого по времени однократного измерения двух воздействий известной величины ускорения, одинаковых по модулю, но разных по знаку, при помощи которых могут быть вычислены все искомые характеристики одновременно.
Следовательно, применение известных способов измерения ускорений требует проведения калибровки акселерометров, которая привносит дополнительные погрешности, материальные и временные затраты, необходимые для выполнения измерений и вычислений. Проведение измерений каждой из искомых ТХ отличаются по длительности и сложности, для чего применяют сравнительно дорогостоящее лабораторное оборудование в виде виброустойчивых наклонно-поворотных оснований, оптических делительных головок, уровней, что усложняет процесс подготовки и является существенным недостатком известных способов измерения линейных ускорений [2, 7].
0
a
0
Особенности проведения калибровки акселерометров указывают на возможности уменьшения инструментальных погрешностей, которые ограничены технологией производства, а при калибровке могут быть измерены и скомпенсированы до уровня стабильности источника компенсации. Особая роль принадлежит погрешности смещения нуля, которая является составной частью измерений ТХ акселерометра, но, судя по выражению ΔN=KΔa, может быть измерена при известном коэффициенте преобразования до определенного уровня, значение которого ограничено измеренным значением коэффициента преобразования, величина которого для заданного диапазона измеряемого ускорения неизменна. Следовательно, известные способы не позволяют повысить величину и стабильность коэффициента преобразования на заданном диапазоне путем увеличения чувствительности применяемых средств.
Проведенные предварительные исследования автоколебательных акселерометров открыли значительный резерв в направлении повышения стабильности основных ТХ при проведении калибровки, в том числе уменьшения погрешности смещения нуля в сторону приближения к погрешности порога чувствительности.
Задачей изобретения в способе и устройстве измерения линейного ускорения на основе автоколебательного акселерометра является повышение точности измерения ускорения в заданном диапазоне за счет уменьшения погрешности смещения нуля путем ее измерения на узком диапазоне, кратном заданному с последующей компенсацией непосредственным образом до уровня остаточной, а также за счет повышения стабильностей ТХ: коэффициента преобразования, смещения нуля и ГХ, определяемых при калибровке путем одновременного определения коэффициента преобразования, смещения нуля и ГХ за счет короткого по времени и однократного измерения известных величин ускорения, что приведет к упрощению способа измерения, к сокращению материальных и временных затрат при незначительном увеличении массогабаритных показателей.
i0
0
max
0
i0
mах
0
i0
max
00
0
0
0
00
i0
0
max
i0
max0
Поставленная задача изобретения в способе и устройстве по пунктам формулы 1 и 2 достигается тем, что на основе заданного значения линейности ГХ, полученного и паспортизованного в результате калибровки акселерометра на заводе-изготовителе в условиях его прецизионного оборудования и заданного диапазона измеряемого ускорения, на начальном этапе проведения калибровки выбирают границы диапазона смещения нуля ±a=±Ka, которые больше величины погрешности смещения нуля Δa, но меньше величин границ заданного диапазона ±a<<±a, и кратны им, определяют коэффициент кратности этого диапазона K=a/a<<1, запоминают его и определяют величину тока I=KI диапазона смещения нуля, повышают величину коэффициента преобразования акселерометра на этом диапазоне, для чего вместо тока I в дополнительной обмотке датчика момента формируют ток диапазона смещения нуля I и регулируют его величину с помощью регулятора так, чтобы граничным значениям ускорения ±a=Ka соответствовали максимальные значения выходного сигнала ±N=±N акселерометра, выполняют калибровку акселерометра на диапазоне смещения нуля в условиях гравитационного поля Земли при горизонтальном положении измерительной оси акселерометра на интервале времени в несколько сотен периодов автоколебаний, проводят измерения ускорения известной величины, например, на границах диапазона смещения нуля с учетом погрешности смещения нуля, например, путем поворота измерительной оси прибора на угол, соответствующий воздействию долей единицы ускорения
вх01
0
0
вх01
0
0
mах01
a01
i0
0
max02
a02
i0
0
max01
mах02
i0
а0
: +a=+g×sinα+Δa=+0,0001g+Δa и -a=-g×sinα+Δa=-0,001g+Δa, где α - угол между измерительной осью прибора и , полученные значения выходного сигнала N=K(+a+Δa) и -N=K(-a+Δa) суммируют алгебраически и делят на удвоенное значение ускорения границы диапазона смещения нуля (N-(-N))/2a=K, а затем суммируют арифметически и делят пополам
max01
max02
а0
0
a0
00
a0
00
00
K0
i0
00
a0
00
00
0
вх1
max
0
вх2
max
0
(N+(-N))/2=KΔa, определяют стабильное значение коэффициента преобразования K и значение погрешности смещения нуля на выходе с учетом знака ΔN=KΔa, погрешность смещения нуля на входе компенсируют непосредственно до уровня остаточной δΔa путем формирования в дополнительной обмотке датчика момента тока компенсации I, и регулируют его величину при условии a=0, пока на выходе акселерометра в процессе измерений не появится минимальное значение δΔN=KδΔa, где δΔa - значение скомпенсированной погрешности смещения нуля на входе на диапазоне смещения нуля, и оставляют включенной цепь компенсации, после чего в основной обмотке датчика момента восстанавливают ток I заданного диапазона, повторяют калибровку акселерометра на заданном диапазоне в условиях гравитационного поля Земли при вертикальном положении измерительной оси акселерометра на интервале времени в несколько сотен периодов автоколебаний путем короткого по времени однократного измерения двух известных величин входного ускорения, например, на границах заданного диапазона с учетом скомпенсированной погрешности смещения нуля, а=+a+δΔa, a=-a+δΔa, полученные значения выходных сигналов
mах1
a1
max
0
max2
a2
max
0
N=K(+a+δΔa) и -N=К(-a+δΔa) суммируют алгебраически и делят на удвоенное значение ускорения границы заданного диапазона
max1
max2
max
a
(N-(-N))/2a=К, а затем суммируют арифметически и делят пополам
max1
mах2
a
0
a
0
a
0
0
0
a
mах1
mах2
mах1
mах2
a
0
а
max
0
mах
0
mах
a
max
δΔa0
a
ai
a
i
0
0
0
(N+(-N))/2=KδΔa, определяют стабильное значение коэффициента преобразования для заданного диапазона К, остаточную погрешность смещения нуля на выходе δΔN=КδΔa и на входе δΔa=δΔN/K, стабильность полученных значений вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм (N-N)/(N+N)=KδΔa/Ka=δΔa/a, где δΔa/a - относительная величина скомпенсированной погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔ0100%/a=γ характеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность ГХ одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования K=const полученные значения запоминают и используют при формировании полетного задания для измерения ускорения в заданном диапазоне с помощью выходного сигнала устройства и по формуле N=K(a+δΔa) при меньшем значении остаточной погрешности смещения нуля δΔa<<Δa.
0
0
Предлагаемый способ измерения линейного ускорения при помощи устройства на основе акселерометра, работающего в режиме автоколебаний, позволяет измерить и определить значения коэффициента преобразования, остаточной погрешности смещения нуля одновременно при коротком по времени однократном измерении двух величин входного воздействия, равных значениям границ заданного диапазона, что соответствует физической природе определения ГХ. Одновременное определение искомых ТХ по результатам однократного измерения двух величин входного воздействия, равных значениям границ заданного диапазона, причем время измерений искомых параметров ограничивают временем, соответствующим нескольким периодам автоколебаний, что уменьшает нежелательное воздействие внешних возмущений посредством взаимного влияния ТХ друг на друга и имеет место у известных способов при раздельном и последовательном измерении по времени и определении каждой из указанных ТХ при помощи различных технических средств и приспособлений. Кроме того, повышение точности измерения ускорения произойдет вследствие непосредственной компенсации измеренной погрешности смещения нуля на диапазоне смещения нуля до уровня остаточной, при этом величина измеренной остаточной погрешности смещения нуля на заданном диапазоне будет меньше исходной δΔa<<Δa, соответствующей известным способам и устройствам.
00
00
0K
0K
0
0
00
0K
i
a
0
δΔa0
Заявленный способ измерения линейного ускорения, предложенный по пункту 1 формулы изобретения, может быть осуществлен устройством, предложенным по пункту 2 формулы, структурная схема представлена на фиг.2, за счет того, что введены: блок управления (БУ) 13, дополнительный регулятор PTI с измерителем тока диапазона смещения нуля mA, дополнительный регулятор РТI с измерителем тока компенсации, в датчик момента введена дополнительная обмотка, входы регуляторов электрически связаны с источником стабилизированного тока (8), выход регулятора тока компенсации РТI через измеритель тока и нормально разомкнутые контакты блока управления связан с дополнительной обмоткой датчика момента, а выход регулятора с измерителем тока PTI связан через нормально замкнутые контакты блока управления с обмоткой датчика момента, при этом на начальном этапе калибровки по команде блока управления его контакты отключают обмотку датчика момента от регулятора с измерителем тока PTI, а подключают к этой обмотке дополнительный регулятор с измерителем тока PTI диапазона смещения нуля, в режиме компенсации дополнительную обмотку датчика момента при помощи контактов БУ электрически связывают с регулятором и измерителем тока компенсации РТI. Кроме выходного параметра N, устройство и способ позволяют одновременно определять и получать на выходе основные ТХ: стабильный коэффициент преобразования К, остаточную погрешность смещения нуля δΔa и относительную скомпенсированную погрешность смещения нуля γ - для дальнейшего их учета в моделях погрешностей для систем управления движением и навигации подвижных объектов.
00
00
00
0
0
i0
mах0
00
0
0
Принципы повышения коэффициента преобразования в узком диапазоне измеряемого ускорения в предлагаемом способе можно пояснить при помощи схемы и графиков, изображенных на фиг.2 и 3. Как было сказано выше, на время настройки по команде блока управления нормально замкнутые контакты размыкаются, а нормально разомкнутые контакты замыкаются и обмотка датчика момента переключается на регулятор PTI с измерителем тока диапазона смещения нуля mA, где формируют значение тока I=KI. При настройке этого режима величину тока регулируют, пока выходной сигнал не примет максимальное значение N=N, пропорциональное величине входного воздействия границы диапазона смещения нуля. Выбирают значение тока I=KI и создают возможность для повышения величины коэффициента преобразования на меньшем диапазоне.
mах
вх0
maх
вx0
max
0
a
0
00
а0
0
00
a0
00
0
K0
0
0
-3
-3
-3
Для сравнительного анализа на фиг.3 представлены графики градуировочных характеристик: характеристика X1 соответствует заданному диапазону ±а=±1g, характеристика Х2 - диапазону смещения нуля с граничными значениями ±а=±а×10=±1×10 g. Характеристики построены по результатам эксперимента, проведенного на акселерометре АЛЕ-048, переведенного в режим автоколебаний. Для построения характеристики Х2 заданный диапазон по оси абсцисс был разделен на восемь равных интервалов с ценой деления a=a×10 g, равной границам диапазона смещения нуля. Сравнение полученных ГХ показывает существенное отличие значений коэффициента преобразования, измеренной погрешности на выходе ΔN=KΔa (точка 4) для заданного диапазона (градуировочная характеристика XI) и на диапазоне смещения нуля ΔN=KΔa (точка 2, ГХ Х2) для одного и того же значения погрешности смещения нуля на входе (точка 1), а следовательно, возникает возможность компенсации измеренной погрешности до уровня остаточной δΔN=КδΔа (точка 4 для ГХ Х2') на диапазоне смещения нуля. При переходе на заданный диапазон измерения, когда в основной и дополнительной обмотках датчика момента поданы токи I и I одновременно, т.е. реализован режим компенсации погрешности смещения нуля до уровня остаточной, ГХ Х2' трансформируется в ГХ X1', a δΔN будет соответствовать точка 5 на фиг.3 при погрешности смещения нуля на входе δΔa (точка 3). Если применить одну и ту же систему компенсации в указанных случаях, то значение остаточной погрешности в узком диапазоне будет меньше на два-три порядка, чем у известных способов.
00
a0
0
i0
00
min0
а0
00
00
Компенсацию измеренной погрешности ΔN=KΔa на диапазоне смещения нуля выполняют при условии a=0 и при помощи регулятора с измерителем тока, которые подключают источник к дополнительной обмотке датчика момента через контакты КЗ БУ. При этом ток компенсации регулируют, пока на выходе не появится минимальное значение ΔN=N=KδΔa, которое измеряют и запоминают, где δΔa - значение скомпенсированной погрешности смещения нуля по входу; когда это значение будет скомпенсировано на диапазоне смещения нуля, контакты КЗ БУ оставляют включенными.
00
0
max1
a1
max
0
max2
a2
max
0
max1
max2
a
0
max1
max2
a
a
0
a
0
0
0
a
max1
max2
max1
max2
a
0
a
max
0
max
0
mах
0
max
δΔa0
a
ai
a
i
0
0
0
После этого по команде БУ вместо тока I в дополнительной обмотке датчика момента в основной обмотке восстанавливают ток I заданного диапазона, повторяют калибровку акселерометра на заданном диапазоне, для чего повторяют измерения на границах заданного диапазона N=K(+a+δΔa), -N=K(-a+δΔa), вычисляют арифметическую (N+(-N))/2=KδΔa и алгебраическую (N-(-N))/2=K суммы полученных сигналов, уточняют стабильное значение коэффициента преобразования К, погрешности смещения нуля на выходе δΔN=КδΔа и на входе δΔa=δΔN/К, стабильность полученных погрешностей вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм (N-N)/(N+N)=KδΔa/Ka=δΔa/a, где δΔa/a - относительная величина скомпенсированной погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔa100%/a=γхарактеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность градуировочной характеристики одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования К=const, полученные значения запоминают и используют при формировании полетного задания для измерения ускорения в заданном диапазоне с помощью выходного сигнала устройства и по формуле N=K(a+δΔa) при меньшем значении остаточной погрешности смещения нуля δΔa<<Δa.
Возможность достижения положительного эффекта предлагаемого способа по сравнению с известными была проверена экспериментальными исследованиями акселерометра АЛЕ-048, переключенного в режим автоколебаний, при физическом и математическом моделировании. На макете указанного устройства (структурная схема представлена на фигуре 1), при настройке на границах заданного диапазона,
max
0
±a=±1g, было определено значение тока I=3,5 mА, который требуется подавать в обмотку датчика момента от источника для обеспечения режима автоколебаний. Такой макет является прототипом предлагаемому устройству.
KaΣ
ГХ
0
0
aх0
iq
i
i
и
2
-5
2
Статические испытания макета устройства, проведенные в гироскопической лаборатории 2 группы научно-исследовательской ВКА им. А.Ф.Можайского в соответствии со штатными методиками (акт испытаний приведен в приложении), позволили определить основные технические характеристики: среднее значение коэффициента преобразования , относительную нестабильность коэффициента преобразования σ%=4,28%, нелинейность ГХ γ=3,46%, погрешность смещения нуля на выходе ΔN=-0,00132 [б/р], погрешность смещения нуля на входе Δa=-0,0133 [м/с], нестабильность погрешности смещения нуля σ=1,7*10 [м/с] в виде СКО. Для построения ГХ и определения ее нелинейности получение значений выходных сигналов проводилось на диапазоне ±1 g с шагом 0,1 g. Таким образом, для набора необходимой статистики потребовалось проведение 500 измерений в 20 точках с использованием наклонно-поворотного основания и оптической делительной головки. Для определения погрешности смещения нуля проведены еще 2 серии испытаний по 500 измерений при горизонтальном положении измерительной оси акселерометра. При этом суммарное время измерений составило Т≈pqT≈110 с, где p - количество точек измерения, q=500 - количество периодов автоколебаний в каждой точке. T≈0,01 с - длительность одного периода, а, учитывая время, необходимое для подготовки оборудования к получению результатов в каждой точке измерения, суммарное время измерений составило Т≈3000 с.
Полученные результаты калибровки прототипа позволили построить расчетную модель предлагаемого изобретения, при прочих равных условиях, и в соответствии с формулой изобретения: выбрать границы диапазона смещения нуля
i0
0
max
0
i0
max
-3
-3
±a=±Ka=1×10 g, коэффициент кратности этого диапазона К=a/a=1×10 и величину тока
00
0
0
вх1
i0
0
вх2
i0
0
mах01
a01
i0
0
mах02
a02
i0
0
a0
max01
max02
i0
00
max01
max02
2
I=KI=3,5 мкА в обмотке датчика момента, которая обеспечивает измерение ускорения на диапазоне смещения нуля, когда измерительная ось акселерометра горизонтальна. Расчетным граничным значениям диапазона смещения нуля с учетом погрешности смещения нуля на входе, а=+а+Δа и а=-a+Δа на выходе соответствуют значения выходных сигналов N=K(+a+Δa)=0,8873433 [б/р], -N=K(-a+Δa)=-0,9039534 [б/р], при помощи которых определяют значения коэффициента преобразования K=[N-(-N)]/2a=91,29953 [c/м], значения смещения нуля на выходе ΔN=(N+(-N))/2=-0,008305076 [б/р] и на входе
00
00
a0
-4
2
Δa=ΔN/K=-0,91*10 [м/с].
00
i0
00
a0
00
0
00
mахi1
ai1
max
0
maxi2
ai2
max
0
maxi1
maxi2
a
0
maxi1
maxi2
max
a
a
3
-5
-6
2
2
Погрешность смещения нуля компенсируют на диапазоне смещения нуля непосредственным образом до уровня остаточной δΔa при условии а=0 и при помощи регулятора с измерителем тока компенсации, которые подключают к дополнительной обмотке датчика момента. При этом ток компенсации регулируют, пока на выходе не появится минимальное значение δΔN=КδΔa≈δΔN10=-0,83*10 [б/р], где δΔa≈-1/*10 [м/с] - значение скомпенсированной погрешности смещения нуля на входе на диапазоне смещения нуля, то есть на три порядка больше, чем при измерении, после чего оставляют включенной цепь компенсации. Для определения значения коэффициента преобразования и погрешностей проводят калибровку акселерометра путем измерения ускорения известной величины, например, на границах заданного диапазона с учетом скомпенсированной погрешности смещения нуля, повторяют вычисления с использованием полученных значений выходных сигналов N=K(+a+δΔa)=0,895648334, -N=К(-a+δΔa)=-0,895648351, вычисляют арифметическую (N+(-N))/2=КδΔа и алгебраическую (N-(-N))/2a=K суммы полученных сигналов, определяют стабильное значение коэффициента преобразования К=0,09129953 [с/м], погрешности смещения нуля на выходе
0
a
0
maxi1
maxi2
0
0
a
maxi1
mахi2
mахi1
mахi2
а
0
a
maх
0
mах
0
max
δΔa0
a
-8
-7
2
-7
δΔN=КδΔa=(N+(-N))/2=-0,83*10[б/p] и на входе δΔa=δΔN/K=-0,91*10[м/c]. Стабильность полученных погрешностей вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм (N-N)/(N+N)=KδΔa/Ka, где δΔa/a - относительная величина погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔa100%/а=γ=-9,27*10% характеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность ГХ одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования К=0,09129953=const, что подчеркнуто присутствием указанного коэффициента в числителе и знаменателе приведенного отношения. Сравнительные результаты, характеризующие известный и предлагаемый способы, сведены в таблицу.
Новизна предложения не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данного изобретения, которое может быть использовано для измерения линейных ускорений в системах инерциальной навигации самолетов, ракет, кораблей, космических аппаратов и других ПО.
Таким образом, повышение точности измерения ускорения и уменьшение нестабильности ТХ: погрешности смещения нуля, коэффициента преобразования, ГХ в предлагаемом способе и устройстве, удалось осуществить путем повышения стабильности ТХ: коэффициента преобразования, смещения нуля и ГХ, определяемых при калибровке, за счет одновременного определения коэффициента преобразования, смещения нуля и ГХ. Это стало возможным за счет уменьшения погрешности смещения нуля путем ее измерения на узком диапазоне - диапазоне смещения нуля, кратном заданному, с последующей компенсацией погрешности непосредственным образом до уровня остаточной, а также с помощью короткого и однократного измерения двух известных величин ускорения, соответствующих границам заданного диапазона, что привело к упрощению способа измерения, к сокращению материальных и временных затрат.
Таблица
ТХ, полученные по существующей методике и предложенным способом
ТХ, полученные по существующей методике
ТХ, полученные предложенным способом
ΔN<sub>0</sub>, [б/р]
-0,00132
δΔN<sub>0</sub>, [б/р]
-0,83*10<sup>-8</sup>
Δa<sub>0</sub>, [м/с<sup>2</sup>]
-0,0133
δΔa<sub>0</sub>, [м/c<sup>2</sup>]
-0,91*10<sup>-7</sup>
<img file="00000007.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, [c<sup>2</sup>/м]
0,09871999
K<sub>a0</sub>, [с<sup>2</sup>/м]
91,29953
К<sub>a</sub>, [с<sup>2</sup>/м]
0,09129953
σ<sub>KaΣ</sub>, [%]
4,28
γ<sub>δΔa0</sub>, [%]
-9,27*10<sup>-7</sup>%
γ<sub>ГХ</sub>, %
3,46
σ<sub>aвх0</sub>, [м/с<sup>2</sup>]
1,7*10<sup>-5</sup>
суммарное время измерений Т<sub>u</sub>, с
≈3000
суммарное время измерений Т<sub>u</sub>, с
20
суммарное время вычислений T<sub>в</sub>,с
≈200
суммарное время вычислений Т<sub>в</sub>, с
≈20
суммарное время T<sub>Σ</sub>=T<sub>u</sub>+T<sub>в</sub>, с
≈3200
суммарное время T<sub>Σ</sub>=T<sub>u</sub>+T<sub>в</sub>, с
≈40
а
0
max
δΔa0
-7
Получено стабильное значение коэффициента преобразования K=0,09129953, при одинаковой стабильности погрешности смещения нуля на входе и ГХ на уровне относительной ошибки δΔa100%/а=γ=-9,27*10%.
Σ
u
в
Для осуществления предлагаемого способа достаточно иметь горизонтируемое виброустойчивое основание и уровень с ценой деления не более 10''. Уменьшаются суммарные временные затраты T=T+T, необходимые для выполнения измерений, приблизительно в 80 раз.
Источники информации
1. Коновалов С.Ф. и др. Гироскопические системы. Ч.3. (Акселерометры, датчики угловой скорости и др.) - М: ВШ, 1980, стр.4-7, 41-46.
2. А.Е.Синельников. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства поверки и градуировки. - М: И-во стандартов. 1979, с 8, 11, 15.
3. ГОСТ 18955-73. Акселерометры низкочастотные линейные. Термины и определения.
4. Жуков В.Н., Рыбаков В.И., Хегай Д.К. Принципы построения высокочувствительных миниатюрных датчиков систем управления МКА. // Изв. вузов приборостроение. 2004, №3, с.36.
5. Скалон А.И. Акселерометр с импульсной обратной связью. А.с. №794541, 07.01.81, бюл. №1, G01Р 15/08.
6. Кутуров А.Н., Кулешов В.В. Преобразователь ускорений с относительным цифровым кодом. // Изв. вузов приборостроение. 2003, №9, с.46.
7. Скалон А.И. Обобщенный анализ характеристик прецизионных датчиков механических величин, работающих в режиме автоколебаний. // Измерительная техника. - 1990. - С.7-9.
8. Кан В.Л. К вопросу об оценке погрешностей сложных приборов (комплектов). Исследования по методике оценки погрешностей измерений. Труды институтов комитета. Вып.57 (117). Стандартгиз, М.-Л., 1962, с.7-9.