ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКА ОРИЕНТАЦИИ

Полезная модель относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся дистанционными оптическими средствами измерений, и может быть использовано при решении задач, требующих определения пригодности приборов при проведении испытаний на надежность, в частности для испытания датчиков.
Известно устройство для испытаний датчиков ориентации, в частности для определения угловой ориентации объектов в пространстве [1]. Недостатком этого устройства является низкая калибровочная точность и невозможность проводить измерения угловых перемещений удаленного объекта с достаточно высокой точностью.
Известен стенд для динамических испытаний датчиков с автоколлимационным углоизмерительным устройством, с большими фокусным расстоянием объектива и видимым увеличением наблюдательного канала, пригодным для качественной окончательной наводки на контролируемый или юстированный объект [2]. Недостатком данного устройства является усложнение конструкции измеряющей установки, а также недостаточная точность измерения параметров пространственной ориентации.
Известен измерительный стенд, который может быть использован при решении задач, требующих одновременного определения двух линейных и двух угловых координат объекта при постоянной дистанции до объекта [3]. Устройство имеет широкий диапазон измерения угловых координат, простую в изготовлении конструкцию и небольшие габариты пассивной марки, что позволяет размещать ее на малых объектах. Однако оно предназначено для работы с высокой точностью только на двух фиксированных дистанциях, поскольку погрешность зависит от масштаба изображения марки (обратно пропорциональна размеру изображения) и глубины резко изображаемого пространства объектива.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является измерительный стенд для определения характеристик датчика ориентации, который содержит жидкокристаллический монитор, коллиматор, виброизолированный стол, узел точностной калибровки, поворотный стол [4]. Недостатком этого стенда является то, что прецизионная точностная калибровка датчика ориентации может быть снижена из-за угловой погрешности датчика вследствие деформации в кронштейне и тепловых воздействий.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение точности измерения параметров пространственной ориентации - реализация возможности проведения для датчиков ориентации калибровки с точностью от 1 угловых секунд до 0,3 угловых секунд. Такой технический результат достигается тем, что в предлагаемом измерительном комплексе, содержащем жидко-кристаллический монитор, коллиматор, вибро-изолированный стол, узел точностной калибровки, поворотный стол, держатель с тахеометром, для снижения температуры в зоне расположения датчика и уменьшения температурной деформации конструкции, необходимо установить держатель с подвижным элементом и системой охлаждения, причем держатель с подвижным элементом состоит из стойки, стопорного винта, внешнего несущего фланца, держателя для плоскопараллельного зеркала, системы охлаждения и внутреннего вращающегося фланца с посадочными пальцами для датчика ориентации, а система охлаждения представляет собой металлический фланец или фланец, изготовленный из композитных материалов, внутри которого выполнен тракт для протекания охлаждающей жидкости.
Держатель с системой охлаждения необходим для «перехватывания» теплового потока, идущего со стороны бленды. Для поддержания стабильной температуры на датчике в рабочем диапазоне от 0°C до 30°C, необходимо использовать активные терморегулирующие элементы, например, термоэлектрические модули на основе эффекта Пельте в сочетании с пассивными способами теплопередачи с помощью радиаторов. Для обеспечения температурного режима работы датчика, а также с учетом того, что тепловыделение будет уменьшено за счет переноса в отдельный объем, необходимо теплоотдающую поверхность перенести как можно ближе к месту расположения датчика. Мы предлагаем систему термостабилизации датчика, основанную на двух автономных контурах с жидкостным охлаждением. На фиг. 1 представлен контур охлаждения, где (а) предназначенный для блока фотоприемного устройства; (б) показан кронштейн для датчика, совмещенный с контуром охлаждения. На фиг. 2 показан общий вид датчика с системой терморегулирования. Система терморегулирования имеет следующие преимущества по сравнению с тепловыми трубами: простота конструкции; дешевизна конструкции; лучшее тепловое и гидравлическое взаимодействие с другими элементами системы обеспечения температурного режима, по сравнению с системой терморегулирования на основе тепловых труб; более простые расчеты жидкостной системы терморегулирования при проектировании; технологичность конструкции, по сравнению с системой терморегулирования на основе тепловых труб (меньшее количество различных операций для изготовления конечного варианта конструкции) и т.д.
Исходя из вышеперечисленных достоинств жидкостной системы терморегулирования, предложено использовать систему с двумя контурами жидкостного охлаждения в качестве основной. В данной полезной модели рассмотрена только часть испытательного стенда, а именно держатель датчика, который является частью системы терморегулирования. На фиг. 3 представлена модель 3D датчика с держателем (а) и в разрезе (б), причем: 1 - держатель; 2 - объектив (оптическая часть датчика); 3 - контур охлаждения 2; 4 - контур охлаждения 1; 5 - (источник тепла). Следует отметить, что контур охлаждения 2 стабилизирует посадочную поверхность датчика. В свою очередь контур охлаждения 1 отводит тепло с блока фотоприемного устройства (БФПУ), которое входит в состав датчика. Вращающийся внутренний фланец в держателе обеспечивает возможность поворота датчика вокруг оптической оси, что в сочетании с наличием плоскопараллельного зеркала на держателе позволяет задать нулевое начальное положение датчика. При проведении точностной калибровки система охлаждения обеспечивает тепловой режим работы датчика ориентации, что позволяет одновременно с калибровкой проводить и тепловые исследования датчика. Кроме того, возможны различные конструктивные варианты держателя с подвижным элементом, что позволяет испытывать датчики ориентации с разными габаритно-посадочными размерами.
Пример 1: Определение угловой погрешности, возникающей вследствие тепловой деформации конструкции датчика.
Для общего случая жидкостного охлаждения любого изделия с использованием машиностроительных САПР, можно разбить вычисление на следующие этапы: расчет коэффициента конвективной теплоотдачи между разными средами (изделие - контур охлаждения - окружающая среда); тепловое исследование изделия для определения теплового градиента конструкции; определение величины тепловой деформацией в конструкции изделия. Задав в модели материалы для всех сборочных единиц (держатель - углеродистая сталь Ст3пс ГОСТ 380-2005; объектив - титановый сплав ВТ1-0 ГОСТ 19807-91; фланцы контуров охлаждения №1 и №2 - алюминиевый сплав АМг6 ГОСТ 4784-97; блок фотоприемного устройства: корпус - дюраль Д16 ГОСТ 4784-97; крышка блока для стыковки с объективом - титановый сплав ВТ1-0 ГОСТ 19807-91; держатель ФПЗС матрицы - сплав 36Н ГОСТ 10994-74), граничные условия (зоны, имитирующие теплоотвод с помощью жидкости - через коэффициент конвективной теплоотдачи в контурах охлаждения; задание зоны тепловой нагрузки в 20 Вт; температура окружающей среды +22°C).
- Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи, для имитирования охлаждения с помощью жидкости в двух контурах
Коэффициент конвективной теплоотдачи может быть найден несколькими способами, в зависимости от режима движения жидкости. Для случая вынужденного движения текучей среды в трубах или каналах произвольного сечения (в нашем случае в контурах с прямоугольным сечением), эквивалентный диаметр канала находится по формуле:
-5
2
-3
где ƒ=43,8⋅10 [м] - площадь поперечного сечения потока; Р=84,4⋅10[м] - периметр смачивания. Определяем число Рейнольдса:
0
0
0
0
экв
0
0
3
2
-4
3
-4
3
-4
3
-4
3
-4
3
-4
3
-4
3
где w=S/ƒ - скорость потока, [м/с]; S - расход теплоносителя (текучая среда), [м/с]; ν - кинематический коэффициент вязкости [м/с]. Определим для контура охлаждения 1 по формулам (1) и (2) число Рейнольдса. Имеем: R=d=d=4ƒ/Р=0,021 [м] - эквивалентный диаметр; S=2,5⋅10 [м/с] - расход теплоносителя (вода). Расчеты были выполнены для контуров с величинами расхода: 1,5⋅10 [м/с]; 2⋅10 [м/с]; 2,5⋅10 [м/с]; 3⋅10 [м/с] и 3,5⋅10 [м/с]. Результаты выполненных расчетов и температурных исследований трехмерной модели показали, что оптимальная величина расхода жидкости равна 2,5⋅10 [м/с]. Определив эквивалентный диаметр канала и расход, рассчитываем скорость потока, как отношение расхода жидкости к площади поперечного сечения контура 1:
0
0
w=S/ƒ==0,571 [м/с].
-6
2
Затем требуется узнать величину кинематического коэффициента вязкости жидкости. Данный коэффициент является справочным. В качестве охлаждающей жидкости для контуров при наземных испытаниях используется вода. Поэтому кинематический коэффициент вязкости воды берем равным 1,006⋅10 [м/с]. Тогда число Рейнольдса по формуле (2) будет равно:
.
Следовательно, в контуре присутствует турбулентный режим течения жидкости. Для расчета среднего коэффициента конвективной теплоотдачи при данном режиме нужно найти числа Прандтля и Нуссельта. Число Прандтля определяем по формуле:
где μ - динамическая вязкость [Па⋅с]; С - удельная теплоемкость [Дж/кг⋅К]; λ - коэффициент теплопроводности [Вт/м⋅К]. Все коэффициенты являются справочными. Подставив в (3) все значения получим:
.
Число Нуссельта определяем по формуле:
где  - поправочный коэффициент, учитывающий изменение физических
ƒ
w
2
свойств среды в зависимости от температуры. Pr - критерий Прандтля принимают по справочным данным для текучей среды при определяющей температуре флюида, а критерий Прандтля Pr принимают по справочным данным для текучей среды при температуре стенки; ε - поправочный коэффициент, учитывающий влияние на теплоотдачу процесса гидродинамической стабилизации потока на начальном участке теплообмена. Определяется по справочным данным в зависимости от соотношения числа Рейнольдса и длины канала к эквивалентному диаметру. Подставив в (4) расчетные и справочные значения, получим:
4
0,8
0,43
Nu=0,021⋅(1,178⋅10)⋅(7)⋅1⋅1,13=98,975
Зная число Нуссельта, находим средний коэффициент конвективной теплоотдачи по формуле:
.
2
Весь вышеизложенный расчет среднего коэффициента конвективной теплоотдачи был проведен в среде системы MathCad. Аналогичным образом и в той же среде был проведен расчет для контура охлаждения 2. По результатам расчета - α=3768 [Вт/м⋅К]. Результаты теплового стационарного расчета в Creo Elements представлены на фиг. 4, 5. Имея результаты теплового моделирования конструкции датчика, можно определить величину тепловой деформации с помощью структурного моделирования. В данном моделировании так же вначале задается материал всех сборочных единиц, граничные условия (в структурном моделировании учитываются все параметры и результаты теплового моделирования; указываются зоны закрепления изделия), создается сетка модели и проводится расчет на деформацию конструкции звездного датчика под воздействием тепловой нагрузки. Результаты исследования показаны на фиг. 6.
Точность прибора, при определении координат, во многом зависит именно от величины тепловой деформации конструкции по оси Z, т.к. угловая погрешность от деформации по оси X компенсируется алгоритмическими способами, а по оси Y величина деформации на порядок ниже. Как видно из фиг. 6, несмотря на небольшие перемещения конструкции, из-за воздействия тепла, зона расположения ФПЗС практически полностью стабильна - наибольшая величина перемещения, на краю зоны расположения ФПЗС, составляет 0,202 мкм или 0,3 угловые секунды. В качестве характерного размера выступает расстояние от ФПЗС до зоны крепления звездного датчика к держателю - 120 мм (он же размер от ФПЗС до точки пересечения лучей в объективе).
Таким образом, в результате термической деформации конструкции для стационарного случая (температура окружающей среды 22°C), угловая погрешность датчика составляет всего 0,3 угловые секунды, что допустимо для приборов с точностью порядка 1 угловой секунды.
Совокупность признаков, изложенных выше, обеспечивает расширение функциональных возможностей стенда, прецизионную точностную калибровку испытываемых датчиков ориентации, а также снижение погрешности проводимых измерений.
Источники информации:
1. Патент РФ 2320960.
2. Патент РФ 2491586.
3. Патент РФ 2519512.
4. Патент на полезную модель РФ №167298 от 22.07.2016 - прототип.