УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИИ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
DEVICE FOR CONTROLLING ADDITIONAL NON-LINEARITY OF MICRO-ELECTROMECHANICAL CONVERTERS OF LINEAR ACCELERATION DURING VIBRATION RESISTANCE TESTING

Изобретение относится к области измерительной и преобразовательной техники.
Технический эффект заключается в повышении точности метода контроля виброустойчивости микроэлектромеханических преобразователей линейных ускорений (МПЛУ) посредством выставления плоскости стола вибратора в горизонтальное положение, в максимальной степени совмещая плоскости чувствительного элемента и стола вибратора, а также путем существенного уменьшения степени воздействия вибрации на угломерное устройство.
2
Известно устройство, содержащее вибрационный стенд, на столе которого закреплено приспособление с испытуемым МПЛУ, выход которого подключен к измерительному прибору [1] - аналог предлагаемого устройства. Получая значения выходного напряжения в нормальных условиях и значения выходного напряжения при вибрации, берут их отношение в качестве оценки виброустойчивости. Недостаток этого устройства состоит в том, что с выхода МПЛУ снимается сигнал, пропорциональный только одному значению входного ускорения, равного в данном случае величине ускорения свободного падения Земли g=9,81м/c.
Установлено, что контроль дополнительной нелинейности МПЛУ в одной точке измерения недостаточен, т.к. ее максимальное значение может оказаться в любом пространственном положении (показано на примере диапазона ±1g).
Известно также устройство, содержащее вибростенд, на столе которого установлено и закреплено приспособление, позволяющее поворачивать акселерометр и, следовательно, его ось чувствительности на 180 угл. град [2]. В этом случае получают два значения измеряемого сигнала. Погрешность акселерометра получают как полуразность сигналов, снимаемых с акселерометра при положении оси его чувствительности относительно вектора входного ускорения, на углах соответственно 0 и 180 угл. град.
Недостаток этого устройства тот же, что и у предыдущего.
Известно также устройство, содержащее вибратор, неподвижно закрепленный на приспособлении, которое неподвижно закреплено на валу угломерного устройства, на столе вибратора закреплены вибродатчик и испытуемый микроэлектромеханический преобразователь линейных ускорений, выход которого соединен со входом преобразователя, выход которого подключен ко входу компьютера, выход вибродатчика соединен со входом осциллографа и со входом измерителя вибрации, выход генератора вибростенда подключен ко входу усилителя вибростенда, выход которого соединен со входом вибратора - прототип [3]. Вибростенд в данном случае формируется из генератора, усилителя и вибратора.
Недостаток этого устройства состоит в недостаточной точности измерения выходной характеристики при воздействии вибрации.
Целью изобретения является повышение точности метода контроля.
Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее вибратор, неподвижно закрепленный на приспособлении, которое неподвижно закреплено на валу угломерного устройства, на столе вибратора закреплены вибродатчик и испытуемый МПЛУ, выход которого соединен со входом преобразователя, выход которого подключен ко входу компьютера, выход вибродатчика соединен со входом осциллографа и со входом измерителя вибрации, выход генератора вибростенда подключен ко входу усилителя вибростенда, выход которого соединен с входом вибратора, в это устройство введены уровень, регулировочные винты, с помощью которых выставляют стол вибратора в горизонтальное положение, которое контролируется уровнем в двух взаимно перпендикулярных направлениях, устройство содержит также прокладку, выполненную с возможностью уменьшения вибрации, действующей на вал угломерного устройства.
На рисунке приведена блок-схема предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство состоит из достаточно точного (погрешность 5-10 угл. c) угломерного устройства 1, в качестве которого целесообразно использовать оптическую делительную головку (ОДГ), установленную на станину. ОДГ имеет относительно мощный вал (диаметр около 30 мм), к которому прикрепляется приспособление (оснастка) 2, имеющее крепежную плоскость, на которой устанавливается и закрепляется миниатюрный вибратор 3 с помощью крепежно-регулировочных винтов 4. На столе (подвижной части вибратора) закреплены испытуемые МПЛУ 5 и вибродатчик 6. Выход МПЛУ подключается ко входу преобразователя 7. Преобразователь имеет два входа: цифровой и аналоговый. По цифровому тракту осуществляется преобразование кода с МПЛУ в код, воспринимаемый компьютером. По аналоговому тракту производится преобразование аналогового выходного сигнала с МПЛУ в такой же воспринимаемый компьютером код. Выход преобразователя в обоих случаях соединен с компьютером (ЭВМ) 8. Необходимые параметры  вибрации по частоте и амплитуде задаются генератором синусоидальных напряжений 9 и усилителем мощности 10. Контроль параметров вибрации осуществляется с помощью тракта: вибродатчик 6 - осциллограф 11 - измеритель вибрации 12, при этом выходной сигнал с вибродатчика поступает одновременно и на осциллограф и на измеритель вибрации. Кроме того, предлагаемое устройство содержит уровень 13 и виброгасящую, например резиновую, прокладку 14. С помощью уровня 13 осуществляют контроль правильности выставления стола вибратора в горизонтальное положение. Виброгасящая прокладка 14 существенно уменьшает негативное воздействие вибрации на точность выставления и удержания углового положения угломерным устройством.
Предлагаемое устройство позволяет проводить контроль и обработку результатов испытаний и давать оценку виброустойчивости как аналогового, так и цифрового МПЛУ. В качестве угломерного устройства целесообразно применить оптическую делительную головку типа ОДГ-10, имеющую погрешность 10 угл. с, или ОДГ-5Э, погрешность которой 5 угл. с. Особенность указанных головок состоит в том, что они выполнены в мощных корпусах, имеют мощный выходной вал диаметром около 30 мм и способны выдерживать в связи с этим достаточно большие вибрационные нагрузки особенно с применением виброгасящей прокладки, поэтому названные ОДГ практически не теряют при этом своей точности.
Применение компьютера дает возможность повысить производительность контроля, увеличить объем измерительной информации за счет проведения многократных измерений и соответственно повысить точность измерений.
В качестве миниатюрного источника вибрации в данном устройстве может быть применен, например, миниатюрный вибрационный стенд типа 4810 фирмы Bruel&Kjaer (Дания).
Устройство работает следующим образом. В зависимости от того, какой выходной сигнал имеет испытуемый МПЛУ - цифровой или аналоговый, его выход соединяют с соответствующим входом преобразователя. Вначале выполняют настройку устройства. Выставляют угломерное устройство в нулевое положение. С помощью регулировочных винтов и уровня выставляют плоскость стола вибратора в горизонтальное положение. Это позволит в максимальной степени уменьшить угол расхождения между плоскостью чувствительного элемента МПЛУ и плоскостью стола вибратора. МПЛУ размещают таким образом, чтобы его ось чувствительности по направлению совпадала с направлением ускорения вибрации. Убирают со стола вибратора уровень. Включают питание всех составных частей устройства контроля. Настраивают генератор с усилителем мощности на нужную частоту и амплитуду, создав тем самым требуемое значение частоты и ускорения вибрации. После настройки вибрацию отключают.
Подают питание на МПЛУ и контролируют его выходной сигнал в нормальных условиях. Включают вибрацию. Измеряют выходной сигнал МПЛУ при воздействии вибрации. В результате получают первое значение передаточной характеристики как в нормальных условиях, так и при воздействии вибрации. Поворачивают вал угломерного устройства на требуемый угол. Согласно программе и методике испытаний, например, требуется поворачивать вал угломерного устройства через каждые 5 угл. град, для получения тем самым массива из 72 значений передаточной характеристики. Контроль выходного сигнала МПЛУ в нормальных условиях и при воздействии вибрации проводят при каждом выставленном угле поворота вала угломерного устройства.
Обработка результатов испытаний. При установке на стол вибратора МПЛУ, его целесообразно выставить таким образом, чтобы при нулевом положении вала угломерного устройства иметь на выходе МПЛУ сигнал, соответствующий нулевому входному ускорению. Тогда каждое следующее значение (идеальное) должно быть:
i
m
i
U=U×sin (α),
m
i
1
2
71
где U - значение выходного сигнала, соответствующее 1 g, α - угол при i-м положении вала угломерного устройства. Для указанного выше случая: i=1, α=5°; i=2, α=10°; … i=71, α=355°.
Реальное значение выходного сигнала получаем непосредственным его измерением. В разности реального и идеального выходных сигналов присутствуют методическая погрешность измерений и нелинейность МПЛУ:
i
ipн
i
Δ=U-U,
ipн
где U - реальное значение выходного сигнала в нормальных условиях, откуда:
ipн
i
i
U=U+Δ.
i
При воздействии вибрации в том же угловом положении идеальное значение выходного сигнала МПЛУ должно быть равно U.
Реальное значение выходного сигнала получаем непосредственным его измерением. В разности реального и идеального выходных сигналов при воздействии вибрации присутствуют такая же методическая погрешность измерений, такая же нелинейность МПЛУ, но появляется дополнительная нелинейность от воздействия вибрации.
i
допi
ipв
i
Δ+Δ=U-U,
ipв
где U - реальное значение выходного сигнала при воздействии вибрации, откуда:
ipв
i
i
допi
U=U+Δ+Δ.
Дополнительную нелинейность в каждой точке передаточной характеристики определяют как разность измеренных значений выходного сигнала МПЛУ при воздействии вибрации и в нормальных условиях, то есть:
ipв
ipн
i
i
допi
i
i
допi
U-U=(U+Δ+Δ)-(U+Δ)=Δ.
Таким образом получают массив значений дополнительной нелинейности, строят ее график и закон распределения вероятностей появления ее значений.
В заключение следует отметить, что повышение точности метода контроля дополнительной нелинейности МПЛУ при воздействии вибрации заключается не только в том, чтобы точнее измерять эти значения, но и в том, что при контроле с помощью предложенного устройства измерение i-го значения выходного сигнала МПЛУ при воздействии вибрации производится сразу (через несколько секунд) после измерения в нормальных условиях без каких-либо переподключений и перезакреплений. Благодаря чему практически не проявляются зависящие от этого и от времени погрешности.
Источники информации
1 - Технические условия ИФДЖ.. 402139.006ТУ. Акселерометр AT1105.
2 - Авторское свидетельство СССР 528510.
3 - Афанасьев А.С. Метод контроля виброустойчивости микроэлектромеханических преобразователей линейного ускорения во множестве пространственных ориентаций / А.С. Афанасьев, В.Г. Домрачев, Е.Г. Комаров, В.М. Полушкин // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - М.: МГУЛ. - 2013. - №2. - С. 135-140.