СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО УСКОРЕНИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ РАКЕТ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01P15/13 

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.

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_c, с последующим измерением количества счетных импульсов n_1i и n_2i, которые преобразуют в выходные сигналы акселерометра в виде разности Δn_i=n_1i-n_2i, суммы n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i и отношения количества импульсов N_i=Δn_i/n_i, причем величину и знак входного воздействия a_вх=а_i+Δa_i, соответствующего измеряемым ускорению a_i, и погрешностям Δa_i, определяют по окончании каждого i-того периода Т_i автоколебаний с помощью выходного сигнала и по формуле N_i=K_i(а_i+Δа_i), (i=1…∞), где К_i=ml/К_дмI₀ - коэффициент преобразования входного воздействия, ml - маятниковый момент подвижной системы, К_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и поступающий от стабилизированного источника ток, величина которого ограничивает диапазон измеряемого ускорения, при этом коэффициент преобразования К_i, погрешность, например смещение нуля Δa_i=Δa₀, их стабильность определяют при помощи формулы N_ik=К_aik(а_i+Δа₀), градуировочную характеристику (ГХ) и ее стабильность (линейность) при помощи другой формулы N_ij=К_aij(a_ij+Δa_0j), 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.

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 (ИСТ₀) 8, генератор счетных импульсов стабилизированной частоты (ГСИ) 9, реверсивный (РСИ) 10 и суммирующий (ССИ) 11 счетчики импульсов и спецвычислитель (СВ) 12.

При наличии входного воздействия а_вх=а_i+Δa₀ ИЭ отклоняется на угол β и на обмотке ДУ 3 возникает сигнал в виде напряжения U_ду=К_дуβ, которое после усиления в УП в виде сигнала U_уп=K_упU_ду=К_дуК_упβ поступает на вход компаратора, выход которого связан с управляющими входами ЭК и счетчиков РСИ и ССИ. При помощи ЭК источник ИСТ₀ подключается к ДМ. Образуется электрическая цепь импульсов тока I_дм, поступающих через контакты ЭК на обмотку ДМ, в котором возникает момент импульсной отрицательной обратной связи. Выбор величины тока I₀ источника ИСТ₀ 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_i=n_1i-n_2i и сумма n_i=n_1i+n_2i=f_cT_i количества импульсов, пропорциональных входному воздействию и периоду автоколебаний T_i, а на выходе СВ получают информацию в виде N_i=Δn_i/n_i. Значения сигналов Δn_i=n_1i-n_2i и

n_i=n_1i+n_2i поступают от счетчиков на информационный вход СВ, а на его выходе получают информацию в виде числа N_i=К_i(a_i+Δа_i), 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:

- коэффициент преобразования акселерометра определяют путем измерения ускорения известной величины при наличии погрешности смещения нуля Δa_i=Δa₀. При заданном диапазоне ±a_вх=±a_max+Δa₀ удобнее фиксировать значения границ диапазона, что и является предметом измерения. На выходе устройства получают: N_max1=K_a1

(+a_max+Δa₀), -N_max2=K_a2(-a_max+Δa₀), а вычисление значений выполняют по формулам:

- смещение нуля измеряют при ускорении а_i=0, тогда на выходе устройства, а при известном коэффициенте преобразования и на входе соответственно получают:

где К_a=1/2(K_a1+К_a2) - среднее значение коэффициента преобразования;

- градуировочная характеристика измеряется в заданном диапазоне ускорений ±a_вх=±a_max+Δa₀, и на выходе устройства получают:

где a_ij+Δа_0j=а_вхj - величина ускорения и погрешность смещения нуля, которые задают в виде дискретных значений, как правило, в нескольких точках j=(1, 2…10) заданного диапазона, К_aij - 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.

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_iq≈q_maxT_i≈(500-1000)T_i, где q_mах≈(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.

Например, величина выходного сигнала при измерении ускорения в соответствии с известным способом определяется равенством N_i=K_i(a_i+Δa_i) и пропорциональна входному сигналу в виде измеряемого ускорения и погрешностей, возникающих вследствие влияния возмущений. Однако коэффициент преобразования K_i 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].

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 ΔN₀=K_aΔa₀, 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.

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_i0=±K₀a_max, которые больше величины погрешности смещения нуля Δa₀, но меньше величин границ заданного диапазона ±a_i0<<±a_mах, и кратны им, определяют коэффициент кратности этого диапазона K₀=a_i0/a_max<<1, запоминают его и определяют величину тока I₀₀=K₀I₀ диапазона смещения нуля, повышают величину коэффициента преобразования акселерометра на этом диапазоне, для чего вместо тока I₀ в дополнительной обмотке датчика момента формируют ток диапазона смещения нуля I₀₀ и регулируют его величину с помощью регулятора так, чтобы граничным значениям ускорения ±a_i0=K₀a_max соответствовали максимальные значения выходного сигнала ±N_i0=±N_max0 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

: +a_вх01=+g×sinα+Δa₀=+0,0001g+Δa₀ и -a_вх01=-g×sinα+Δa₀=-0,001g+Δa₀, где α - угол между измерительной осью прибора и , полученные значения выходного сигнала N_mах01=K_a01(+a_i0+Δa₀) и -N_max02=K_a02(-a_i0+Δa₀) суммируют алгебраически и делят на удвоенное значение ускорения границы диапазона смещения нуля (N_max01-(-N_mах02))/2a_i0=K_а0, а затем суммируют арифметически и делят пополам

(N_max01+(-N_max02))/2=K_а0Δa₀, определяют стабильное значение коэффициента преобразования K_a0 и значение погрешности смещения нуля на выходе с учетом знака ΔN₀₀=K_a0Δa₀₀, погрешность смещения нуля на входе компенсируют непосредственно до уровня остаточной δΔa₀₀ путем формирования в дополнительной обмотке датчика момента тока компенсации I_K0, и регулируют его величину при условии a_i0=0, пока на выходе акселерометра в процессе измерений не появится минимальное значение δΔN₀₀=K_a0δΔa₀₀, где δΔa₀₀ - 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 I₀ 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_вх1=+a_max+δΔa₀, a_вх2=-a_max+δΔa₀, полученные значения выходных сигналов

N_mах1=K_a1(+a_max+δΔa₀) и -N_max2=К_a2(-a_max+δΔa₀) суммируют алгебраически и делят на удвоенное значение ускорения границы заданного диапазона

(N_max1-(-N_max2))/2a_max=К_a, а затем суммируют арифметически и делят пополам

(N_max1+(-N_mах2))/2=K_aδΔa₀, определяют стабильное значение коэффициента преобразования для заданного диапазона К_a, остаточную погрешность смещения нуля на выходе δΔN₀=К_aδΔa₀ и на входе δΔa₀=δΔN₀/K_a, стабильность полученных значений вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм (N_mах1-N_mах2)/(N_mах1+N_mах2)=K_aδΔa₀/K_аa_max=δΔa₀/a_mах, где δΔa₀/a_mах - относительная величина скомпенсированной погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔ_a0100%/a_max=γ_δΔa0 характеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность ГХ одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования K_a=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_ai=K_a(a_i+δΔa₀) при меньшем значении остаточной погрешности смещения нуля δΔa₀<<Δa₀.

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 δΔa₀<<Δa₀, соответствующей известным способам и устройствам.

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 PTI₀₀ с измерителем тока диапазона смещения нуля mA₀₀, дополнительный регулятор РТI_0K с измерителем тока компенсации, в датчик момента введена дополнительная обмотка, входы регуляторов электрически связаны с источником стабилизированного тока (8), выход регулятора тока компенсации РТI_0K через измеритель тока и нормально разомкнутые контакты блока управления связан с дополнительной обмоткой датчика момента, а выход регулятора с измерителем тока PTI₀ 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 PTI₀, а подключают к этой обмотке дополнительный регулятор с измерителем тока PTI₀₀ диапазона смещения нуля, в режиме компенсации дополнительную обмотку датчика момента при помощи контактов БУ электрически связывают с регулятором и измерителем тока компенсации РТI_0K. Кроме выходного параметра N_i, устройство и способ позволяют одновременно определять и получать на выходе основные ТХ: стабильный коэффициент преобразования К_a, остаточную погрешность смещения нуля δΔa₀ и относительную скомпенсированную погрешность смещения нуля γ_δΔa0 - для дальнейшего их учета в моделях погрешностей для систем управления движением и навигации подвижных объектов.

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 PTI₀₀ с измерителем тока диапазона смещения нуля mA₀₀, где формируют значение тока I₀₀=K₀I₀. При настройке этого режима величину тока регулируют, пока выходной сигнал не примет максимальное значение N_i0=N_mах0, пропорциональное величине входного воздействия границы диапазона смещения нуля. Выбирают значение тока I₀₀=K₀I₀ и создают возможность для повышения величины коэффициента преобразования на меньшем диапазоне.

Для сравнительного анализа на фиг.3 представлены графики градуировочных характеристик: характеристика X1 соответствует заданному диапазону ±а_mах=±1g, характеристика Х2 - диапазону смещения нуля с граничными значениями ±а_вх0=±а_maх×10^-3=±1×10^-3 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_вx0=a_max×10^-3 g, равной границам диапазона смещения нуля. Сравнение полученных ГХ показывает существенное отличие значений коэффициента преобразования, измеренной погрешности на выходе ΔN₀=K_aΔa₀ (точка 4) для заданного диапазона (градуировочная характеристика XI) и на диапазоне смещения нуля ΔN₀₀=K_а0Δa₀ (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 δΔN₀₀=К_a0δΔа₀₀ (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 I₀ и I_K0 одновременно, т.е. реализован режим компенсации погрешности смещения нуля до уровня остаточной, ГХ Х2' трансформируется в ГХ X1', a δΔN₀ будет соответствовать точка 5 на фиг.3 при погрешности смещения нуля на входе δΔa₀ (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.

Компенсацию измеренной погрешности ΔN₀₀=K_a0Δa₀ на диапазоне смещения нуля выполняют при условии a_i0=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 ΔN₀₀=N_min0=K_а0δΔa₀₀, которое измеряют и запоминают, где δΔa₀₀ - значение скомпенсированной погрешности смещения нуля по входу; когда это значение будет скомпенсировано на диапазоне смещения нуля, контакты КЗ БУ оставляют включенными.

После этого по команде БУ вместо тока I₀₀ в дополнительной обмотке датчика момента в основной обмотке восстанавливают ток I₀ заданного диапазона, повторяют калибровку акселерометра на заданном диапазоне, для чего повторяют измерения на границах заданного диапазона N_max1=K_a1(+a_max+δΔa₀), -N_max2=K_a2(-a_max+δΔa₀), вычисляют арифметическую (N_max1+(-N_max2))/2=K_aδΔa₀ и алгебраическую (N_max1-(-N_max2))/2=K_a суммы полученных сигналов, уточняют стабильное значение коэффициента преобразования К_a, погрешности смещения нуля на выходе δΔN₀=К_aδΔа₀ и на входе δΔa₀=δΔN₀/К_a, стабильность полученных погрешностей вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм (N_max1-N_max2)/(N_max1+N_max2)=K_aδΔa₀/K_aa_max=δΔa₀/a_max, где δΔa₀/a_mах - относительная величина скомпенсированной погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔa₀100%/a_max=γ_δΔa0 характеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность градуировочной характеристики одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования К_a=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_ai=K_a(a_i+δΔa₀) при меньшем значении остаточной погрешности смещения нуля δΔa₀<<Δa₀.

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,

±a_max=±1g, было определено значение тока I₀=3,5 mА, который требуется подавать в обмотку датчика момента от источника для обеспечения режима автоколебаний. Такой макет является прототипом предлагаемому устройству.

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_KaΣ%=4,28%, нелинейность ГХ γ_ГХ=3,46%, погрешность смещения нуля на выходе ΔN₀=-0,00132 [б/р], погрешность смещения нуля на входе Δa₀=-0,0133 [м/с²], нестабильность погрешности смещения нуля σ_aх0=1,7*10^-5 [м/с²] 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_iq≈pqT_i≈110 с, где p - количество точек измерения, q=500 - количество периодов автоколебаний в каждой точке. T_i≈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_и≈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

±a_i0=±K₀a_max=1×10^-3 g, коэффициент кратности этого диапазона К₀=a_i0/a_max=1×10^-3 и величину тока

I₀₀=K₀I₀=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_вх1=+а_i0+Δа₀ и а_вх2=-a_i0+Δа₀ на выходе соответствуют значения выходных сигналов N_mах01=K_a01(+a_i0+Δa₀)=0,8873433 [б/р], -N_mах02=K_a02(-a_i0+Δa₀)=-0,9039534 [б/р], при помощи которых определяют значения коэффициента преобразования K_a0=[N_max01-(-N_max02)]/2a_i0=91,29953 [c²/м], значения смещения нуля на выходе ΔN₀₀=(N_max01+(-N_max02))/2=-0,008305076 [б/р] и на входе

Δa₀₀=ΔN₀₀/K_a0=-0,91*10^-4 [м/с²].

Погрешность смещения нуля компенсируют на диапазоне смещения нуля непосредственным образом до уровня остаточной δΔa₀₀ при условии а_i0=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 δΔN₀₀=К_a0δΔa₀₀≈δΔN₀10³=-0,83*10^-5 [б/р], где δΔa₀₀≈-1/*10^-6 [м/с²] - 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_mахi1=K_ai1(+a_max+δΔa₀)=0,895648334, -N_maxi2=К_ai2(-a_max+δΔa₀)=-0,895648351, вычисляют арифметическую (N_maxi1+(-N_maxi2))/2=К_aδΔа₀ и алгебраическую (N_maxi1-(-N_maxi2))/2a_max=K_a суммы полученных сигналов, определяют стабильное значение коэффициента преобразования К_a=0,09129953 [с²/м], погрешности смещения нуля на выходе

δΔN₀=К_aδΔa₀=(N_maxi1+(-N_maxi2))/2=-0,83*10^-8 [б/p] и на входе δΔa₀=δΔN₀/K_a=-0,91*10^-7 [м/c²]. Стабильность полученных погрешностей вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм (N_maxi1-N_mахi2)/(N_mахi1+N_mахi2)=K_аδΔa₀/K_aa_maх, где δΔa₀/a_mах - относительная величина погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔa₀100%/а_max=γ_δΔa0=-9,27*10^-7% характеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность ГХ одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования К_a=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 ΔN₀, [б/р] -0,00132 δΔN₀, [б/р] -0,83*10^-8 Δa₀, [м/с²] -0,0133 δΔa₀, [м/c²] -0,91*10^-7 , [c²/м] 0,09871999 K_a0, [с²/м] 91,29953 К_a, [с²/м] 0,09129953 σ_KaΣ, [%] 4,28 γ_δΔa0, [%] -9,27*10^-7% γ_ГХ, % 3,46 σ_aвх0, [м/с²] 1,7*10^-5 суммарное время измерений Т_u, с ≈3000 суммарное время измерений Т_u, с 20 суммарное время вычислений T_в,с ≈200 суммарное время вычислений Т_в, с ≈20 суммарное время T_Σ=T_u+T_в, с ≈3200 суммарное время T_Σ=T_u+T_в, с ≈40

Получено стабильное значение коэффициента преобразования K_а=0,09129953, при одинаковой стабильности погрешности смещения нуля на входе и ГХ на уровне относительной ошибки δΔa₀100%/а_max=γ_δΔa0=-9,27*10^-7%.

Для осуществления предлагаемого способа достаточно иметь горизонтируемое виброустойчивое основание и уровень с ценой деления не более 10''. Уменьшаются суммарные временные затраты T_Σ=T_u+T_в, 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.

Изобретение может быть использовано в области измерительной техники, которая занимается вопросами измерения линейных ускорений в системах инерциальной навигации. Повышение точности измерения ускорения в заданном диапазоне достигается при помощи устройства на основе автоколебательного акселерометра 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 стабильности технических характеристик путем одновременного определения коэффициента преобразования, смещения нуля и градуировочной характеристики за счет короткого по времени и однократного измерения известных величин ускорения. Вместо шести технических характеристик, вычисленных по существующим методикам (из них три нестабильности), изобретение позволяет получить одновременно три: коэффициент преобразования, смещение нуля и относительную величину погрешности. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ измерения линейного ускорения на основе свойств автоколебательного акселерометра, заключающийся в том, что ускорение преобразуют в отклонение подвижной системы акселерометра с последующим преобразованием отклонения в электрический сигнал, его усиливают и преобразуют 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_c, с последующим измерением количества счетных импульсов n_1i и n_2i, которые преобразуют в выходные сигналы акселерометра в виде разности Δn_i=n_1i-n_2i, суммы n_i=n_1i+n_2i=f_сТ_i и отношения количества импульсов N_i=Δn_i/n_i, причем величину и знак входного воздействия a_вх=a_i+Δa_i, соответствующего измеряемым ускорению а_i и погрешностям Δa_i, определяют по окончании каждого i-того периода Т_i автоколебаний с помощью выходного сигнала и по формуле N_i=K_i(a_i+Δa_i), (i=1…∞), где K_i=ml/K_дмI₀ - коэффициент преобразования входного воздействия, ml - маятниковый момент подвижной системы, К_дм и I₀ - коэффициент передачи датчика момента и поступающий от стабилизированного источника ток, величина которого ограничивает диапазон измеряемого ускорения, при этом коэффициент преобразования К_i, погрешность, например смещение нуля Δa_i=Δa₀, их стабильность, определяют при помощи формулы N_ik=K_aik(a_i+Δa₀), градуировочную характеристику и ее нестабильность (нелинейность) при помощи другой формулы N_ij=K_aij(a_ij+Δa_0j), определяют заранее и каждую раздельно по результатам калибровки в условиях гравитационного поля Земли при вертикальном и горизонтальном положениях измерительной оси акселерометра, причем измерения каждой технической характеристики выполняют на интервале времени сотен периодов автоколебаний, чтобы применить статистическую обработку и фильтрацию результатов измерений, которые используют при измерении ускорения, отличающийся тем, что на основе заданного значения линейности градуировочной характеристики, 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_i0=±K₀a_max, которые больше величины измеренной погрешности смещения нуля Δa₀, но меньше величин границ заданного диапазона ±a_i0<<±a_max, и кратны им, определяют коэффициент кратности этого диапазона К₀=а_i0/a_max<<1, повышают величину коэффициента преобразования акселерометра на этом диапазоне, выполняют калибровку акселерометра на диапазоне смещения нуля в условиях гравитационного поля Земли при горизонтальном положении измерительной оси акселерометра путем измерения ускорения на границах диапазона смещения нуля, при этом коэффициент преобразования, погрешность смещения нуля и их стабильность, соответствующие диапазону смещения нуля определяют одновременно при коротком по времени однократном измерении двух известных величин входного ускорения, соответствующих границам диапазона смещения нуля +a_вx01=+g·sinα+Δa₀=+0,001g+Δa₀ и -a_вx01=-g·sinα+Δa₀=-0,001g+Δa₀, где α - угол между измерительной осью прибора и , полученные значения выходного сигнала
N_max01=K_a01(+a_i0+Δa₀) и -N_max02=К_a02(-a_i0+Δa₀) суммируют алгебраически и делят на удвоенное значение ускорения границы диапазона смещения нуля (N_max01-(-N_max02))/2a_i0=K_a0, а затем суммируют арифметически и делят пополам (N_max01+(-N_max02))/2=K_a0Δa₀, определяют стабильное значение коэффициента преобразования
К_a0 и значение погрешности смещения нуля на выходе ΔN₀₀=K_a0Δa₀₀, погрешность смещения нуля на входе компенсируют непосредственно до уровня остаточной δΔа₀₀ на входе и δΔN₀₀ на выходе, повторяют калибровку акселерометра на заданном диапазоне в условиях гравитационного поля Земли при вертикальном положении измерительной оси акселерометра путем короткого по времени однократного измерения двух известных величин входного ускорения, например, на границах заданного диапазона с учетом скомпенсированной погрешности смещения нуля a_вх1=+a_max+δΔa₀, a_вx2=-a_max+δΔa₀, полученные значения выходных сигналов N_max1=K_a1(+a_max+δΔa₀) и -N_max2=К_a2(-a_max+δΔa₀) суммируют алгебраически и делят на удвоенное значение ускорения границы заданного диапазона (N_max1-(-N_max2))/2a_max=K_a, а затем суммируют арифметически и делят пополам (N_max1+(-N_max2))/2=K_aδΔa₀, определяют стабильное значение коэффициента преобразования для заданного диапазона К_а, остаточную погрешность смещения нуля на выходе δΔN₀=K_aδΔa₀ и на входе
δΔa₀=δΔN₀/K_a, стабильность полученных значений вычисляют при помощи отношения измеренных и вычисленных алгебраической и арифметической сумм
(N_max1-N_max2)/(N_max1+N_max2)=K_aδΔa₀/K_aa_max=δΔa₀/a_max, где δΔa₀/a_max - относительная величина скомпенсированной погрешности на заданном диапазоне, а представленная в процентах δΔa₀100%/a_max=γ_δΔa0 характеризует стабильность измеренной погрешности и стабильность ГХ одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования K_a=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_аi=К_а(а_i+δΔа₀) при меньшем значении остаточной погрешности смещения нуля δΔa₀<<Δа₀.

2. Устройство для измерения ускорения, содержащее автоколебательный акселерометр, в состав которого входят: инерционный элемент, датчики угла и момента, механически связанные друг с другом, выход датчика угла электрически связан через усилитель-преобразователь и компаратор с входом электронного переключателя, через контакты которого обмотка датчика момента связана через регулятор и измеритель с источником тока, в состав устройства также входят: генератор счетных импульсов стабилизированной частоты, выход которого через контакты электронного переключателя связан со счетными входами реверсивного и суммирующего счетчиков импульсов, а их выходы, в свою очередь, связаны с информационным входом спецвычислителя, на выходе которого получают информацию о величине и знаке измеряемого ускорения, отличающееся тем, что введены: блок управления, дополнительный регулятор с измерителем тока диапазона смещения нуля, дополнительный регулятор с измерителем тока компенсации, в датчик момента введена дополнительная обмотка, входы регуляторов электрически связаны с источником стабилизированного тока, выход регулятора тока компенсации через измеритель тока и нормально разомкнутые контакты блока управления связан с дополнительной обмоткой датчика момента, а на выходе устройства одновременно определяют основные ТХ: выходной параметр N_i, стабильный коэффициент преобразования К_а, остаточную погрешность смещения нуля δΔа₀ и относительную скомпенсированную погрешность смещения нуля γ_δΔa0 - для дальнейшего их учета в моделях погрешностей для систем управления движением и навигации подвижных объектов.