Способ определения поперечной чувствительности акселерометра

Авторы патента:

Симчук Александр Анатольевич (RU)

Кирпичев Алексей Александрович (RU)

Смирнов Владимир Васильевич (RU)

G01P21/00 - Элементы конструкции измерительных приборов

Владельцы патента RU 2596778:

ООО "ГлобалТест" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам определения поперечной чувствительности пьезоэлектрических акселерометров. Способ определения поперечной чувствительности акселерометра с использованием диаграммы направленности заключается в том, что на поворотную платформу стенда устанавливают акселерометр плоскостью его основания в направлении воздействия возмущения, осуществляют поворот акселерометра в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы, при этом акселерометр устанавливают соосно оси вращения платформы и фиксируют его радиальное положение относительно горизонтальной оси, измеряют максимальные значения электрического напряжения при каждом повороте платформы на угол более 90°, которые используют для построения диаграммы направленности, по которой определяют максимальное значение поперечной чувствительности акселерометра, при этом значение относительного коэффициента влияния поперечного ускорения определяют из отношения значений максимальной поперечной чувствительности к осевой чувствительности, которую измеряют при установке акселерометра на поворотную платформу с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно оси вращения вала, совмещении с ней центра масс инерционного элемента акселерометра и повороте акселерометра в гравитационном поле Земли. Технический результат - исключение инструментальной погрешности воспроизведения единицы ускорения. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам определения поперечной чувствительности пьезоэлектрических акселерометров.

Пьезоэлектрические акселерометры чувствительны не только к механическим колебаниям в направлении их главной (продольной) оси, но в некоторой степени и к колебаниям в перпендикулярной к этой оси плоскости. Значение поперечной чувствительности выражается в процентах от значения чувствительности в направлении главной оси. Идеальным считался бы акселерометр с нулевой поперечной чувствительностью.

Поперечные составляющие измеряемого ускорения присутствуют практически при всех видах вибрационного или импульсного воздействия на исследуемый объект и могут достигать значений, соизмеримых с основной измеряемой величиной. Поэтому создание нечувствительных к поперечным составляющим ускорения акселерометров является одной из важных задач при их проектировании. Типовые значения поперечной чувствительности пьезоакселерометров, выражаемой через относительный коэффициент влияния поперечного ускорения (ОКВПУ), составляют до 10% от основной чувствительности, что непосредственным образом сказывается на результатах измерения при испытаниях параметров движения, силовых воздействий, динамических характеристик и т.п.

Известны способы определения поперечной чувствительности (см. Yrrgang В. «Пьезоэлектрические датчики ускорения с малой поперечной чувствительностью», ИПС №1, 1971 г.; Бабер И.С., Плотников И.В. «Метод и аппаратура для определения поперечной чувствительности измерительных преобразователей ускорения». СПб.: «Вибрационная техника», МДНТП, 1970 г.), заключающиеся в вибрационном воздействии на акселерометр в поперечном направлении с помощью электродинамических вибростендов, обладающих конструктивной инструментальной погрешностью, которая привносится в погрешность определения поперечной чувствительности.

Известно устройство для определения поперечной чувствительности акселерометров (см. а.с. СССР №309302 от 16.03.1970 г.), в котором реализован способ, заключающийся в вибрационном воздействии на акселерометр с помощью электродинамического вибростенда и позволяющий осуществлять непрерывную регистрацию диаграммы направленности без перезакрепления преобразователя. Способ осуществляется установкой разработки ВНИИМ им. Менделеева и имеет погрешность до 12%.

Вышеуказанное устройство обладает низкой точностью определения поперечной чувствительности, которая обусловлена:

- непрямолинейностью траектории движения торца балки, на которой установлен акселерометр;

- несовпадением направления изгибных колебаний балки с направлением действия возбуждающей силы;

- погрешностью измерения амплитуды виброперемещения.

Вышеуказанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа.

Решаемой технической задачей является создание способа определения поперечной чувствительности акселерометра с повышенной точностью.

Достигаемым техническим результатом заявляемого способа является исключение инструментальной погрешности воспроизведения единицы ускорения.

Для достижения технического результата в способе определения поперечной чувствительности акселерометра с использованием диаграммы направленности, заключающемся в том, что на поворотную платформу стенда устанавливают акселерометр, осуществляют поворот акселерометра в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы, новым является то, что акселерометр устанавливают соосно оси вращения платформы и фиксируют его радиальное положение относительно горизонтальной оси, измеряют максимальные значения электрического напряжения при каждом повороте платформы на угол более 90°, которые используют для построения диаграммы направленности, по которой определяют максимальное значение поперечной чувствительности акселерометра, при этом значение относительного коэффициента влияния поперечного ускорения определяют из отношения значений максимальной поперечной чувствительности к осевой чувствительности, которую измеряют путем установки акселерометра на поворотную платформу с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно оси вращения вала, совмещения с ней центра масс инерционного элемента акселерометра и поворота акселерометра в гравитационном поле Земли.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом способе позволяет определить поперечную чувствительность акселерометра с погрешностью в 20 раз меньше по сравнению с вышеуказанными способами.

Заявляемый способ реализуется устройством, представленным на чертежах. На фиг. 1 - установка для определения поперечной чувствительности акселерометра, на фиг. 2 - способ определения осевой чувствительности акселерометра, на фиг. 3 - осциллограмма максимального значения сигнала с выхода акселерометра 2 в поперечном направлении при повороте платформы, на фиг. 4 - диаграмма направленности поперечной чувствительности акселерометра, где $U_{в ы х . \max . n}^{⊥}$ - максимальное значение электрического напряжения, снятого с акселерометра при воздействии на него нормированного ускорения в поперечном направлении для n-ного положения.

Способ реализуется следующим образом.

На поворотную платформу 1 (см. фиг. 1) установки устанавливают акселерометр 2, осуществляют его поворот в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы 1. Акселерометр 2 устанавливают соосно оси вращения платформы 1 и фиксируют его угловое положение относительно горизонтальной оси. Измеряют максимальные значения электрического напряжения при каждом повороте платформы на угол более 90°, которые используют для построения диаграммы направленности (см. фиг. 4), по которой определяют максимальное значение поперечной чувствительности акселерометра, при этом значение относительного коэффициента влияния поперечного ускорения (ОКВПУ) определяют из соотношения:

где ε_⊥ - ОКВПУ (%);

$U_{в ы х . \max}^{⊥}$ - максимальное значение электрического напряжения, снятого с акселерометра при воздействии на него нормированного ускорения в поперечном направлении в пределах 360°;

$U_{в ы х . \max}^{‖}$ - величина электрического напряжения, генерируемого акселерометром при воздействии на него нормированного ускорения вдоль оси.

Из формулы (1) видно, что точность значения ε_⊥ определяется не только погрешностью, с которой определена поперечная чувствительность ( $U_{в ы х . \max}^{⊥}$ ), но и погрешностью определения основной (осевой) чувствительности ( $U_{в ы х . \max}^{‖}$ ).

Последовательно меняя, в пределах 360°, угол между выбранным радиусом плоскости основания акселерометра 2 и горизонтальной осью и поворачивая для каждого положения датчика вал платформы на угол более 90° с измерением электрического напряжения, получают диаграмму направленности поперечной чувствительности, которая имеет вид «восьмерки» с максимальными и минимальными значениями поперечной чувствительности (см. фиг. 4).

Значение осевой чувствительности измеряют путем установки акселерометра на поворотную платформу (фиг. 2) с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно оси вращения вала и совмещения с ней центра масс инерционного элемента акселерометра и поворота акселерометра в гравитационном поле Земли.

Заявляемый способ был применен для определения поперечной чувствительности низкочастотных высокочувствительных пьезоакселерометров с массой в несколько сотен граммов. Их осевая чувствительность составляла величину более 1 B/g, а значение ОКВПУ на частоте 0,5 Гц находилось для различных образцов в пределах 0,5…3%. Реализация способа проста, не требует сложной настраиваемой системы электромагнитного возбуждения, позволяет проводить измерение ОКВПУ для акселерометров любой массы, в т.ч. весьма значительной величины.

Способ определения поперечной чувствительности акселерометра с использованием диаграммы направленности, заключающийся в том, что на поворотную платформу стенда устанавливают акселерометр, осуществляют поворот акселерометра в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы, отличающийся тем, что акселерометр устанавливают соосно оси вращения платформы и фиксируют его радиальное положение относительно горизонтальной оси, измеряют максимальные значения электрического напряжения при каждом повороте платформы на угол более 90°, которые используют для построения диаграммы направленности, по которой определяют максимальное значение поперечной чувствительности акселерометра, при этом значение относительного коэффициента влияния поперечного ускорения определяют из отношения значений максимальной поперечной чувствительности к осевой чувствительности, которую измеряют путем установки акселерометра на поворотную платформу с ориентацией оси чувствительности перпендикулярно оси вращения вала, совмещения с ней центра масс инерционного элемента акселерометра и поворота акселерометра в гравитационном поле Земли.

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для определения частотных характеристик средств измерения параметров вибрации. Устройство для осуществления способа определения значения частоты установочного резонанса пьезоэлектрического вибропреобразователя содержит колебательную систему, состоящую из пьезоэлектрического вибропреобразователя и рабочего тела, прикрепленный к рабочему телу пьезоэлектрический вибратор, подсоединенный к нему генератор импульсных электрических сигналов с регулировкой импульса по длительности и амплитуде и подключенный к вибропреобразователю блок регистрации со схемой для преобразования Фурье выходного сигнала пьезоэлектрического вибропреобразователя.

Способ и система калибровки комплекса измерения скорости транспортных средств // 2592711

Группа изобретений относится к области измерений, а именно к калибровке комплекса измерения скорости транспортных средств. Система и способ калибровки комплекса измерения скорости транспортных средств (ТС) содержат электронно-вычислительное устройство (ЭВУ), соединенное с видеокамерой, с поворотной платформой и с лазерным дальномером.

Устройство контроля дополнительной нелинейности микроэлектромеханических преобразователей линейного ускорения при испытании на виброустойчивость // 2586262

Изобретение относится к метрологии и предназначено для контроля дополнительной нелинейности микроэлектромеханических преобразователей линейного ускорения (МПЛУ) при испытании на виброустойчивость.

Способ тарировки датчика микроускорений в космическом полете // 2583882

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при определении погрешности датчика микроускорений на космическом аппарате (КА). Технический результат - обеспечение тарировки датчика микроускорений в космическом полете.

Устройство определения погрешностей измерения углов атаки и скольжения // 2579551

Изобретение относится к технике определения параметров движения и к области оценки и компенсации погрешностей измерения углового положения летательного аппарата (ЛА).

Способ определения погрешности измерения воздушной скорости и устройство для его осуществления // 2579550

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям воздушной скорости, и может быть использовано для определения и компенсации погрешности измерения воздушной скорости и определения скорости ветра на высоте полета летательного аппарата.

Способ калибровки датчика углового ускорения // 2568956

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам калибровки средств измерений, применяемых на стендах для определения моментов инерции изделий ракетной, авиационной и космической техники.

Стенд для градуировки акселерометров // 2555198

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к стендам поверочным для градуировки акселерометров с использованием более точных средств измерения. Стенд для градуировки акселерометров содержит тензометрическое устройство с градуируемым акселерометром, тензодатчиками и бойком, и наковальню.

Способ измерения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров // 2553750

Изобретение относится к области пьезотехники и используется для измерения коэффициента преобразования акселерометров методом сравнения с калибровочным акселерометром.

Способ регулировки коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра // 2553422

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для обеспечения взаимозаменяемости пьезоэлектрических вибропреобразователей ускорения (вибродатчиков ускорения), входящих в состав акселерометров или измерительных систем, без дополнительной настройки электронных согласующих элементов акселерометра или измерительных систем.

Способ и устройство калибровки инерциальных измерительных модулей // 2602736

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы для проведения калибровки инерциальных измерительных модулей (ИИМ), в состав которых входят датчики угловой скорости (ДУС) и акселерометры. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого способ калибровки ИИМ включает установку ИИМ с блоком записи информации на платформу устройства для калибровки, обеспечивающего задание угловой скорости двигателем вокруг трех приблизительно ортогональных осей (отклонение от ортогональности не должно превышать 5°), связанных с ИИМ, вращение ИИМ вокруг приблизительно горизонтальной оси (отклонение оси вращения от плоскости горизонта не должно превышать 20°) с переменными угловыми скоростями и идентификацию математических моделей ошибок датчиков ИИМ. При этом вращения вокруг трех приблизительно ортогональных осей системы координат, связанной с ИИМ, осуществляются после однократного закрепления ИИМ на платформе устройства, а оценивание составляющих как моделей ошибок ДУС, так и моделей ошибок акселерометров осуществляется на основе сопоставления углов разворота ИИМ по показаниям акселерометров и ДУС в результате единого цикла калибровочных движений. Записанные данные инерциальных датчиков используют для идентификации математических моделей ошибок датчиков ИИМ, в частности постоянных составляющих нулевых сигналов и погрешностей масштабных коэффициентов ДУС и акселерометров, углов отклонения измерительных осей ИИМ от оси вращения устройства для калибровки и коэффициентов g-чувствительности ДУС. Устройство, реализующее данный способ, содержит двигатель, который вращает внешнюю рамку карданового подвеса (КП), фиксатор внутренней рамки, позволяющий устанавливать в определенные угловые положения внутреннюю рамку КП относительно внешней рамки, фиксатор платформы, позволяющий устанавливать в определенные угловые положения платформу относительно внутренней рамки КП. На платформе устройства располагается испытуемый ИИМ с устройством записи информации. Платформа устройства может быть снабжена интерфейсом беспроводной передачи информации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения // 2618481

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения заключается в поднятии штока, имеющего свободный или скользящий ход по отношению к трубке, внутри которой он движется, на высоту Н. При отпускании шток совершает свободное падение до удара об упругий массив с частотой отскока, определяемой формулой где w0 - угловая частота отскока штока (рад/с); g=9,8 м/с2; λ0 - рабочий ход упругого массива, мм, при ударе об него штока, падающего с высоты Н. Расчетная величина ускорения будет определяться формулой (2),где а0 - расчетное значение ускорения штока, падающего с высоты Н, при собственной частоте колебаний упругого массива w0=2πf0. Датчик, который закреплен на верхнем торце штока с помощью коаксиального кабеля, подключен к входу спектранализатора с установленным в нем полосовым фильтром с центральной частотой w0, к выходу которого подключен вольтметр; он вырабатывает сигнал напряжения u0, соответствующий расчетной величине ускорения а0 при равенстве параметров w0 и wn, по которым вычисляется коэффициент преобразования датчика. Заявляемый способ позволяет без применения вибростенда оперативно и достоверно определять качество покрытия упругого массива по коэффициенту преобразования датчика ускорения в требуемой полосе частот. 1 табл., 1 ил.

Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового широкодиапазонного акселерометра компенсационного типа // 2627970

Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового широкодиапазонного акселерометра компенсационного типа относится к измерительной технике и может быть использован в области производства приборов для измерения линейного ускорения. В процессе наладки устанавливают акселерометр на центрифугу, задают последовательно ряд линейных ускорений в диапазоне измерения акселерометра, измеряют выходной сигнал акселерометра в зависимости от величины заданного линейного ускорения, корректируют параметры системы, обеспечивая линейность зависимости выходного сигнала от заданного линейного ускорения. Согласно изобретению после измерения последовательности значений зависимости выходной информации Qвых n от заданных линейных ускорений an=g⋅n, где n - значение перегрузки, определяют значения корректирующих коэффициентов Ккорр(n)=Qвых 1⋅n/Qвых n, где Qвых 1 - выходная информация при действии линейного ускорения a1=g, Qвых 1⋅n - значение выходной информации, которое должно было быть получено при условии линейности масштабного коэффициента; посредством внешнего компьютера выполняют аппроксимацию функции Ккорр(n), вводят в память микроконтроллера обратной связи акселерометра данные аппроксимирующего полинома, при эксплуатации акселерометра определяют микроконтроллером частичные отрезки полинома, к которым относятся измеренные акселерометром ускорения, определяют посредством микроконтроллера для измеренных ускорений корректирующие коэффициенты и выполняют корректировку микроконтроллером измеренной выходной информации путем ее умножения на соответствующие корректирующие коэффициенты. Технический результат изобретения – обеспечение линейности масштабного коэффициента широкодиапазонного маятникового акселерометра компенсационного типа. 5 ил.