УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ УГЛОВЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к области измерительной техники, используемой для контроля и исследования пространственных компонент механических колебаний в задачах виброметрии, вибродиагностики и виброиспытаний, а более конкретно - к устройствам для измерения многокомпонентных (преимущественно трехкомпонентных) угловых ускорений в условиях наличии многокомпонентных линейных ускорений.
Сущность полезной модели - использование трех пар электрически параллельно подключенных и разнесенных в пространстве нормализованных, имеющих одинаковые характеристики линейной чувствительности по трем осям, линейных пьезоакселерометров, установленных на жестком основании, при этом линейные пьезоакселерометры в каждой паре ориентированы таким образом, чтобы обеспечить чувствительность каждой пары линейных пьезоакселерометров только к одной измеряемой компоненте углового ускорения многомерной вибрации, а каждая пара линейных пьезоакселерометров таким образом установлена на основании, что имеет чувствительность только к одной из трех ортогональных компонент 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 датчиков угловых колебаний проблематично из-за несоответствия диапазона рабочих частот имеющим место угловым колебаниям, 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 15/08, опубл. 12.08.1969), содержащий выполненную в виде многовитковой спирали трубку, заполненную рабочей жидкостью, служащей 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. Кроме того, он не позволяет производить измерения угловых ускорений относительно каждой из трех взаимно перпендикулярным осей при многокомпонентной вибрации.
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 многокомпонентных (преимущественно трехкомпонентных) датчиков угловых колебаний, способных обеспечивать требуемые характеристики в условиях действия многомерной (пространственной) вибрации, т.е. обладающих минимальной, а по возможности, нулевой чувствительностью к линейным колебаниям, а также обеспечивающих хорошую развязку каналов измерений, а именно, исключающих влияние угловых колебаний объекта измерений вокруг осей, перпендикулярных выбранной оси, на сигнал в соответствующем выбранной оси канале измерений.
Известны способы и устройства, основанные на использовании линейных акселерометров, обеспечивающие измерение угловых ускорений. В частности, в известных книгах по виброметрии (Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963. с. 78; Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practique. 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 вибродатчиками инерционного действия. Выходной сигнал каждого датчика состоит из части, зависящей от линейной компоненты вибраций вдоль оси чувствительности, и части, зависящей от угловой компоненты вокруг одной из осей, перпендикулярных оси 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, при этом электрические сигналы, соответствующие угловому ускорению, взаимно уничтожаются. При вычитании электрических сигналов на выходе устройства получается сигнал, соответствующий угловому ускорению, при этом электрические сигналы, соответствующие линейному ускорению, взаимно уничтожаются. Разная чувствительность используемых в устройстве линейных пьезоакселерометров 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 одной компоненты сложного трехмерного колебания за счет компенсации (обнуления) сигналов, соответствующих колебаниям объекта измерений вокруг осей, перпендикулярных оси исследуемого однокомпонентного колебания. Не рассматриваются также вопросы построения датчиков, обеспечивающих высокоточное измерение угловых ускорений по трем взаимно перпендикулярным осям в условиях многокомпонентной вибрации.
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 определенных линейных и угловых компонент вибрации остается открытым. Консольное крепление обусловливает низкую прочность и высокую чувствительность биморфных элементов к не измеряемым 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.
В последнее время активно проводятся работы по созданию высокоточных датчиков угловых колебаний, обладающих высокой помехозащищенностью от воздействия не подлежащих измерению компонентов многокомпонентных линейных и угловых колебаний. В частности, в техническом решении (Патент РФ на полезную модель №168085. МПК G01P 15/09, опубл. 17.01.2017) предложено устройство для измерения углового ускорения, содержащее основание с установленными на нем двумя разнесенными линейными пьезоакселерометрами, при этом оси максимальной чувствительности линейных пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения основания, полярность линейных акселерометров противоположна, при этом выходы линейных пьезоакселерометров через сумматор зарядов соединены с измерительным устройством, максимальная продольная чувствительность линейных пьезоакселерометров одинакова. Сами линейные пьезоакселерометры установлены на основании так, что оси их минимальной поперечной чувствительности параллельны оси измеряемых угловых колебаний, а оси их максимальной поперечной чувствительности ориентированы встречно. Такое построение датчика угловых ускорений позволяет повысить точность измерения однокомпонентного углового ускорения в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых ускорений. Однако, существенным недостатком описанного устройства является невозможность измерения с высокой точностью каждой составляющей трехкомпонентных угловых ускорений в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых колебаний.
Известны устройства для измерения каждой составляющей трехкомпонентных угловых ускорений в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых колебаний. Такую задачу решает устройство, описанное в принятом за прототип пьезоэлектрическом датчике угловых колебаний (Патент США №6397677, МПК G01P 15/08, G01P 15/09, G01P 15/18, опубл. 04.06.2002), в котором для измерения трехкомпонентных угловых колебаний используются три пары разнесенных линейных пьезоакселерометров. 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 каждой пары пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны соответствующей оси вращения основания, на котором они закреплены, а полярность пьезоакселерометров противоположна. Измерительная схема предусматривает объединение выходных контактов входящих в пару пьезоакселерометров между собой и их подключение к соответствующему измерительному устройству. Использование пьезокерамических пластин, работающих на сдвиг, обеспечивает рассматриваемому датчику угловых колебаний прочность, высокую частоту резонанса, позволяющую существенно расширить рабочий диапазон амплитуд и частот измерения в сторону высоких частот в сравнении с биморфными консольными пьезоэлементами.
Однако описанный пьезоэлектрический датчик угловых колебаний отличается недостаточной точностью измерения углового ускорения при угловых колебаниях объекта вокруг заданных осей. Причинами, ограничивающими точность измерения, являются:
- разброс параметра максимальной продольной чувствительности используемых в каждой паре линейных пьезоакселерометров;
- отсутствие мер по устранению влияния на выходной сигнал угловых колебаний датчика 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 датчиков 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 Practique. Research Studies Press - New York, 1984, с. 146-148). Поэтому отсутствие специальных мер по обеспечению точностных характеристик датчика, построенного на использовании компенсационного метода измерений, будет приводить к недостоверным результатам измерений отдельных компонент угловых колебаний.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения каждой составляющей трехкомпонентных угловых ускорений в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых колебаний.
Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве используются три датчика угловых ускорений для измерения угловых колебаний вокруг каждой из трех ортогональных осей, при этом в каждом из трех датчиков угловых ускорений используется пара линейных пьезоакселерометров с одинаковой максимальной продольной чувствительностью, причем пьезоакселерометры каждой пары установлены на основании в одной плоскости, расположенной перпендикулярно соответствующей оси вращения, причем пьезоакселерометры каждой пары установлены симметрично относительно указанной оси вращения таким образом, что оси их минимальной поперечной чувствительности параллельны оси измеряемых угловых колебаний, а оси их максимальной поперечной чувствительности ориентированы встречно и перпендикулярно оси измеряемых угловых колебаний.
Предлагаемое устройство для измерения трехмерных угловых ускорений позволяет устранить, либо свести к минимуму погрешность измерений при наличии многокомпонентных вибраций.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения трехмерных угловых ускорений.
На фиг. 2 показано размещение линейных пьезоакселерометров, попарно образующих датчики угловых ускорений относительно трех ортогональных осей на основании устройства:
- фиг. 2а - расположение пьезоакселерометров на основании относительно осей вращения ХХ, YY и ZZ в аксонометрии;
- фиг. 2б - расположение пьезоакселерометров на основании в трех проекциях;
- фиг. 2в - ориентация пьезоакселерометров на основании, обеспечивающая минимальную чувствительность каждого датчика углового ускорения к помеховым угловым ускорениям.
На фиг. 3 приведена номограмма для определения поперечной чувствительности линейного пьезоакселерометра.
2
3
4
5
6
7
Устройство (фиг. 1) содержит основание 1 с установленными на нем шестью разнесенными линейными пьезоакселерометрами 2, 3. 4, 5, 6, 7 с выходными контактами. При этом оси максимальной продольной чувствительности первого 2 и второго 3 линейных пьезоакселерометров соответственно Z и Z параллельны между собой, лежат в плоскости ХY и перпендикулярны осям вращения ХХ и ZZ основания 1. Оси максимальной продольной чувствительности третьего 4 и четвертого 5 линейных пьезоакселерометров соответственно X и X параллельны между собой, лежат в плоскости YZ и перпендикулярны осям вращения ХХ и YY основания 1. Оси максимальной продольной чувствительности пятого 6 и шестого 7 линейных пьезоакселерометров соответственно Y и Y параллельны между собой, лежат в плоскости ХZ и перпендикулярны осям вращения YY и ZZ основания 1. Выходные контакты первой пары линейных пьезоакселерометров 2 и 3 через первый сумматор зарядов 8 соединены с первым измерительным устройством 9. Выходные контакты второй пары линейных пьезоакселерометров 4 и 5 через второй сумматор зарядов 10 соединены со вторым измерительным устройством 11. Выходные контакты третьей пары линейных пьезоакселерометров 6 и 7 через третий сумматор зарядов 12 соединены с третьим измерительным устройством 13. Как видно из построений на фиг. 1, линейные пьезоакселерометры 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 соответственно установлены встречно, что приводит к тому, что при повороте основания 1 вокруг осей ZZ, ХХ и YY соответственно заряды на выходных контактах линейных пьезоакселерометров 2 и 3, линейных пьезоакселерометров 4, 5 и линейных пьезоакселерометров 6, 7 будут иметь один знак и при соединении указанных контактов суммироваться.
При реализации устройства могут быть использованы следующие технические решения. Основание 1 выполняется из конструкционных материалов с размерами, обеспечивающими его жесткость и соответствующую массу в условиях измерений. Пьезоакселерометры 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 - фирмы «Брюль и Къер», например, типа 4370. Сумматоры зарядов 8, 10 и 12 - высокочастотные байонетные разъемы, с выхода которых сигналы подаются соответственно на измерительные устройства 9, 11 и 13, выполненные в виде стандартных измерителей заряда, используемых в технике виброизмерений, например, типа 2635. Для соединения элементов измерительной схемы используется коаксиальный кабель, например, типа АВК-3. Приведенные данные по реализации устройства были подтверждены при создании его опытного образца, что свидетельствует о возможности его технической осуществимости.
В настоящее время ведущие мировые изготовители линейных пьезоакселерометров обеспечивают высокую воспроизводимость их основных технических характеристик в пределах одной партии.
2
Используемые в устройстве линейные пьезоэлектрические акселерометры имеют нормализованную чувствительность по заряду, отрегулированную в процессе их заводского производства на определенное круглое значение, например, 1, 10 или 1000 nКл/мс с высокой точностью. В паспортах нормализованная чувствительность каждого линейного пьезоэлектрического акселерометра указывается с точностью 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. 3), прилагаемая при паспортизации к каждому линейному пьезоакселерометру и отображающая зависимость величины поперечной чувствительности от направления ускорения (Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер» на русском языке, Дания, 1978 - 111 с.).
В зависимости от направления вектора поперечной вибрации по номограмме (фиг. 3) 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 14, как это показано на фиг. 2, 3. Следует отметить, что полярность генерируемых зарядов всех однотипных нормализованных линейных пьезоакселерометров одинаковая как в направлении оси чувствительности, так и в поперечном направлении.
Основание 1 выполняется жестким, недеформируемым в диапазоне измеряемых частот и, как это показано на фиг. 2а, может иметь кубическую форму с пазами для установки пьезоакселерометров. Линейные пьезоакселерометры в каждой паре разнесены на базовое расстояние L (фиг. 2в) и закреплены на параллельных поверхностях основания, при этом параллельность указанных поверхностей основания задается с высокой точностью для обеспечения параллельности осей максимальной продольной чувствительности линейных пьезоакселерометров 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7. При этом указанные оси каждой пары линейных пьезоакселерометров 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 лежат в одной плоскости. Линейные пьезоакселерометры 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7 попарно электрически соединены параллельно, их заряды по соответствующим кабелям поступают на сумматоры 8, 10 и 12 соответственно. 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» на русском языке, Дания, 1978 - 111 с.).
2
3
Линейные пьезоакселерометры 2 и 3 установлены на основании 1 осями чувствительности Z и Z встречно и перпендикулярно оси углового измерения ZZ (фиг. 1). При воздействии на основание 1 линейного ускорения (вдоль оси YY) заряды линейных пьезоакселерометров 2 и 3 с нормализованной чувствительностью на сумматоре 8 взаимно компенсируются. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси ZZ с выхода сумматора 8 на измеритель заряда 9 поступает удвоенный (суммарный) заряд линейных пьезоакселерометров 2, 3, тем больший, чем больше базовый размер L.
Для повышения помехозащищенности устройства для измерения трехмерных угловых ускорений от неизмеряемых компонент многомерной вибрации линейные пьезоакселерометры 2 и 3 закреплены на основании 1 так, чтобы оси их минимальной поперечной чувствительности (ось 90°-270° на фиг. 3) были параллельными оси измерения углового ускорения (ось ZZ) с односторонним расположением красных точек 14 на корпусах линейных пьезоакселерометров (фиг. 2в). Это обеспечивает минимальную поперечную чувствительность датчика угловых ускорений, образованного линейными пьезоакселерометрами 2 и 3, в направлении осей ZZ и ХХ. Вдоль оси ХХ минимизация поперечной чувствительности обеспечивается за счет взаимокомпенсации соответствующих сигналов линейных пьезоакселерометров, оказывающихся в противофазе из-за разворота лепестков номограммы на фиг. 3. Датчик угловых ускорений, образованный линейными пьезоакселерометрами 2 и 3, нечувствителен к повороту вокруг оси YY вследствие ориентации осей минимальной (нулевой) чувствительности линейных пьезоакселерометров 2 и 3 перпендикулярно указанной оси. Нечувствительность указанного датчика угловых ускорений к повороту вокруг оси ХХ обусловлена малой (нулевой) поперечной чувствительностью линейных акселерометров 2 и 3 вдоль оси ZZ, а составляющие их поперечной чувствительности вдоль оси XX участия не принимают.
4
5
Линейные пьезоакселерометры 4 и 5 установлены на основании 1 осями чувствительности X и X встречно и перпендикулярно оси углового измерения ХХ (фиг. 1). При воздействии на основание 1 линейного ускорения (вдоль оси ZZ) заряды линейных пьезоакселерометров 4 и 5 с нормализованной чувствительностью на сумматоре 10 взаимно компенсируются. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси ZZ с выхода сумматора 10 на измеритель заряда 11 поступает удвоенный (суммарный) заряд линейных пьезоакселерометров 4 и 5 тем больший, чем больше базовый размер L.
Линейные пьезоакселерометры 4 и 5 закреплены на основании 1 так, что оси их минимальной поперечной чувствительности (ось 90°-270° на фиг. 3) были параллельными оси измерения углового ускорения (ось Х) с односторонним расположением красных точек 14 на корпусах, как показано на фиг. 2в. Это обеспечивает минимальную поперечную чувствительность датчика угловых ускорений, образованного пьезоакселерометрами 4 и 5, в направлении осей ХХи YY. Вдоль оси YYминимизация поперечной чувствительности обеспечивается за счет взаимокомпенсаций соответствующих сигналов линейных пьезоакселерометров, оказывающихся в противофазе из-за разворота лепестков номограммы на фиг. 3. Датчик угловых ускорений, образованный линейными пьезоакселерометрами 4 и 5, нечувствителен к повороту вокруг оси ZZ вследствие ориентации осей минимальной (нулевой) чувствительности линейных пьезоакселерометров 4 и 5 перпендикулярно указанной оси. Нечувствительность указанного датчика угловых ускорений к повороту вокруг оси YY обусловлена малой (нулевой) поперечной чувствительностью линейных пьезоакселерометров 4 и 5 вдоль оси XX, а составляющие их поперечной чувствительности вдоль оси YY участия не принимают.
6
7
Линейные пьезоакселерометры 6 и 7 установлены на основании 1 осями чувствительности Y и Y встречно и перпендикулярно оси углового измерения YY (фиг. 1). При воздействии на основание 1 линейного ускорения (вдоль оси XX) заряды линейных пьезоакселерометров 6 и 7 с нормализованной чувствительностью на сумматоре 12 взаимно компенсируются. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси YYс выхода сумматора 12 на измеритель заряда 13 поступает удвоенный (суммарный) заряд линейных пьезоакселерометров 6 и 7 тем больший, чем больше базовый размер L.
Линейные пьезоакселерометры 6 и 7 закреплены на основании 1 так, чтобы оси их минимальной поперечной чувствительности (ось 90°-270° на фиг. 3) были параллельными оси измерения углового ускорения (ось YY) с односторонним расположением красных точек 14 на корпусах, как показано на фиг. 2в. Это обеспечивает минимальную поперечную чувствительность датчика угловых ускорений, образованного линейными пьезоакселерометрами 6 и 7, в направлении осей YY и ZZ. Вдоль оси ZZ минимизация поперечной чувствительности обеспечивается за счет взаимокомпенсаций соответствующих сигналов линейных пьезоакселерометров, оказывающихся в противофазе из-за разворота лепестков номограммы на фиг. 3. Датчик угловых ускорений, образованный линейными пьезоакселерометрами 6 и 7, нечувствителен к повороту вокруг оси ХХ вследствие ориентации осей минимальной (нулевой) чувствительности линейных пьезоакселерометров 6 и 7 перпендикулярно указанной оси. Нечувствительность указанного датчика угловых ускорений к повороту вокруг оси ZZ обусловлена малой (нулевой) поперечной чувствительностью линейных пьезоакселерометров 6 и 7 вдоль оси YY, а составляющие их поперечной чувствительности вдоль оси ZZ участия не принимают.
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:
а) применение линейных пьезоакселерометров с нормализованной (одинаковой продольной линейной) чувствительностью;
б) установка входящих в пару линейных пьезоакселерометров на основании осями, соответствующими направлению их минимальной поперечной чувствительности, параллельно оси измерения углового ускорения;
в) установка входящих в пару 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 трехмерных угловых ускорений работает следующим образом.
Основание 1 закрепляют на исследуемом изделии. Элементы крепления устройства не приведены и могут иметь различную конструкцию в зависимости от конструкции изделия.
Линейные пьезоакселерометры 2 и 3 подключают электрически через сумматор зарядов 8 к измерительному устройству 9. Линейные пьезоакселерометры 4 и 5 подключают электрически через сумматор зарядов 10 к измерительному устройству 11. Линейные пьезоакселерометры 6 и 7 подключают электрически через сумматор зарядов 12 к измерительному устройству 13. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси ZZ заряды линейного пьезоакселерометра 2 и линейного пьезоакселерометра 3 суммируются, а при действии остальных компонент колебаний взаимно компенсируются и по показаниям измерительного устройства 9 производится измерение углового ускорения исследуемого изделия при его вращении вокруг оси ZZ. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси XХ заряды линейного пьезоакселерометра 4 и линейного пьезоакселерометра 5 суммируются, а при действии остальных компонент колебаний взаимно компенсируются и по показаниям измерительного устройства 11 производится измерение углового ускорения исследуемого изделия при его вращении вокруг оси ХX. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси YY заряды линейного пьезоакселерометра 6 и линейного пьезоакселерометра 7 суммируются, а при действии остальных компонент колебаний взаимно компенсируются и по показаниям измерительного устройства 13 производится измерение углового ускорения исследуемого изделия при его вращении вокруг оси YY.
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения трехмерных угловых ускорений, работа которого основана на использовании трех пар разнесенных линейных пьезоакселерометров нормализованной чувствительности и определенным образом закрепленных на основании, обеспечивает высокоточное измерение трех ортогональных компонент 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 РФ на полезную модель №168085 «Устройство для измерения углового ускорения», МПК G01P 15/09, опубл. 17.01.2017.
5 Патент США №6397677, МПК G01P 15/08, G01P 15/09, G01P 15/18, опубл. 04.06.2002 (прототип).
6 Патент США №4996878, МПК G01P 15/09, G01P 15/12, опубл. 05.03.1991.
7 Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978 - 111 с.