МАЯТНИКОВЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ВИБРОСТЕНД Российский патент 2014 года по МПК G01M7/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров датчиков ускорений в низкочастотном диапазоне 0.5-2 Гц и может быть применено в геофизике для исследования таких параметров геофизических датчиков как чувствительность и характеристика направленности, в частности векторных приемников соколеблющегося типа, имеющих в качестве чувствительных элементов акселерометры, а также для использования в технологических циклах изготовления акселерометров, например для отбора датчиков по чувствительности.

Известно устройство разгонное для создания нормированных ускорений при поверке и тарировке акселерометров (п. РФ №2393488, МПК G01P 21/00). Устройство состоит из вертикальной рамы, разгонного механизма, приводного двигателя и механизма, обеспечивающего заданный закон изменения ускорений. Подобное устройство отличается сложностью и наличием приводного электродвигателя, увеличивающего стоимость устройства

Известен автоколебательный вибростенд (а.с. СССР №169842), содержащий автоколебательную систему и магнитную систему, выполняющую роль упругого элемента, жесткость которого определяется интенсивностью магнитного поля. Это позволяет плавно регулировать жесткость упругого элемента, за счет чего достигается изменение частоты колебаний. Однако наличие автоколебательной системы, состоящей из датчика, усилителя и возбудителя, а также системы управления током в магнитной системе усложняет конструкцию стенда. Кроме того, отсутствие в конструкции датчика ускорения делает генерируемую стендом амплитуду вибраций зависимой от массы помещенного на вибростенд объекта, и, в общем случае, неопределенной.

Известен низкочастотный вибростенд для испытаний сейсмической аппаратуры (а.с. СССР №1145257 А). Стенд воспроизводит вынужденные синусоидальные колебания, частоты и амплитуда которых задаются генератором. Однако из-за несовершенства параллелограммного подвеса при движении подвижной системы возникают ее наклоны в плоскости горизонта. При этом по оси воспроизводимых колебаний действует проекция ускорения свободного падения.

Наклоны в плоскости горизонта, имеющие место в данной конструкции, приводят как к погрешности создаваемых ускорений, особенно в низкочастотной области, так и к появлению ускорений, перпендикулярных оси чувствительности испытуемого акселерометра, что приводит к погрешностям определения параметров характеристики направленности. Кроме того, описываемое устройство отличается значительной конструктивной сложностью.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является низкочастотный вибростенд (п. РФ №2032158 C1, MHK G01M 7/04), предназначенный для испытаний сейсмометрической аппаратуры, в том числе для определения чувствительности и характеристики диаграммы направленности векторных приемников, в области инфранизких частот от 0,01 до 20 Гц. Вибростенд содержит основание, подвижную систему, возбудители колебаний, усилитель, генератор, наклономер, программируемый усилитель, блок сравнения, фильтр низких частот, блок коммутации, дешифратор.

Известное устройство позволяет уменьшить погрешность воспроизведения ускорений, связанную с наклонами подвижной системы относительно горизонта за счет установки системы стабилизации подвижной системы в плоскости горизонта и введения контура отрицательной обратной связи по перемещению подвижной системы. Однако в области низких частот вибрационные ускорения очень малы, и даже небольшие проекции ускорения от силы тяжести вызывают существенную погрешность.

Кроме того, следует отметить сложность электронной аппаратуры прототипа, вызванную необходимостью следить за горизонтальностью подвижной системы и тем, что величина и частота ускорения подвижной системы должна поддерживаться в заданных пределах с помощью специальной системы регулирования, снабженной эталонными датчиками, а также использование двух эталонных датчиков перемещения и скорости, измеряющих выходные параметры, и систем, обеспечивающих их работу, от точности которых зависит точность воспроизведения ускорения

Задачей заявляемого изобретения является расширение ассортимента вибростендов для испытаний акселерометров.

Технический результат заявляемого устройства - устранение ускорений, действующих в направлении, перпендикулярном действию создаваемого ускорения (паразитные ускорения), достигаемое за счет предлагаемой конструкции вибростенда, в котором подвижная система имеет только одну кинематическую степень свободы, и, соответственно, обеспечивается невозможность существования паразитных ускорений, существенное упрощение конструкции, а также отказ от эталонных датчиков ускорения.

Поставленная задача решается низкочастотным вибростендом для измерения параметров датчиков ускорений, состоящим из основания, выполненного с возможностью регулирования горизонтальности, подвижной системы в виде качающегося блока, установленного между двух вертикальных стоек, соединенных с основанием, и электронного блока, включающего датчик угла качания, многоканальный усилитель, АЦП и систему цифровой связи, при этом подвижная система снабжена устройством для размещения исследуемого датчика.

На Фиг. приведена блок-схема одного из возможных вариантов осуществления заявляемого устройства, в котором в качестве датчика угла качания установлен магниторезистивный датчик и где 1 - исследуемый датчик, 2 - качающийся блок, 3 - устройство для размещения исследуемого датчика, 4 - стойка для крепления качающегося блока, 5 - основание, 6 - ось качающегося блока, 7 - винт регулировки наклона основания, 8 - стопорный винт устройства 3, 9 - держатель электронного блока, 10 - печатная плата электронного блока, 11 - магниторезистивный датчик угла качания, 12 - постоянный магнит, 13 - ось вращения поворотного устройства, 14 - фиксирующий фланец устройства 3.

В качестве датчика угла качания может быть использован любой, подходящий для этой цели, например, магниторезистивный или потенциометрический датчик.

Принцип работы предлагаемого маятникового вибростенда основан на изменении проекции веса чувствительной массы исследуемого датчика на его ось чувствительности при качании блока (2) вокруг оси (6). При этом угол отклонения качающегося блока от вертикали измеряется датчиком (11) угла качания (в данном случае магниторезистивным датчиком), закрепленном непосредственно на плате (10) электронного блока и реагирующем на изменение направления магнитного поля постоянного магнита (12), закрепленного на оси (6) и качающегося вместе с блоком (2). Печатная плата (10) посредством держателя (9) закреплена на стойке (4). Сигнал датчика (11) усиливается и оцифровывается, так же как и сигналы исследуемого датчика (1), с помощью усилителя и встроенного в микропроцессор многоканального аналогово-цифрового преобразователя, размещенных на плате (10) и входящих в состав электронного блока. Полученная информация посредством системы цифровой связи далее передается для обработки в персональный компьютер.

При качании блока (2) и ориентации оси чувствительности исследуемого датчика (1) в направлении действия переменного ускорения на его чувствительный элемент действует переменное ускорение, значение которого может быть вычислено с точностью, которая определяется лишь точностью измерения угла отклонения блока (2). Частота качания при этом определяется соотношением статического момента и момента инерции блока (2) с установленным датчиком (1) относительно оси качания.

При необходимости частоту качания можно изменять за счет изменения соотношения между статическим моментом и моментом инерции подвижного блока, за счет установки на оси (6) регулируемого противовеса, например в виде груза, перемещающегося по винту.

Устройство (3) для установки исследуемых датчиков может быть выполнено с возможностью, обеспечивающей поворот исследуемого датчика как вокруг вертикальной оси, так и вокруг горизонтальной оси (13), при этом положение такого поворотного устройства (3) и соответственно исследуемого датчика фиксируется стопорным винтом (8).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Вибростенд горизонтируется, например, с помощью регулировочных винтов 7 и уровня (на схеме не показан). Исследуемый датчик устанавливают в устройство (3), закрепляют фиксирующим фланцем (14) и подключают к каналам усилителя на плате (10) электронного блока. Для исследования характеристик разных каналов исследуемого датчика (в случае, например, векторного приемника имеется 3 канала, оси чувствительности которых ортогональны) датчик устройством (3) поворачивают вокруг вертикальной оси и вокруг горизонтальной оси (13). Используемый в стенде датчик (11) угла качания предварительно откалиброван любым приемлемым способом с целью получения зависимости выходного напряжения датчика от известного угла наклона качающегося блока.

После установки исследуемого датчика (1) в устройстве (3) качающийся блок (2) выводят из положения равновесия и отпускают, заставляя совершать затухающие колебания с частотой, зависящей от его момента инерции и размеров. При этом проекция силы тяжести чувствительного элемента исследуемого датчика (1) на ось чувствительности изменяется по закону Х=A*sin(у), где у - угол отклонения качающегося блока (2) от вертикали, измеренный датчиком угла качания (11), А - исходное значение веса чувствительного элемента исследуемого датчика (1), равное А=m*g, где m есть масса чувствительного элемента исследуемого датчика, a g есть ускорение свободного падения. Сравнивая синхронно замеряемые сигналы от исследуемого датчика (1) с расчетным значением X, получают значение чувствительности датчика. Сравнивая записанный сигнал с датчика, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости качания, с сигналом того же датчика, ось чувствительности которого установлена в плоскости качания, делают выводы о поперечной чувствительности.

Заявляемый вибростенд может быть использован для определения чувствительности и параметров характеристик направленности многоканальных датчиков типа векторных приемников соколеблющегося типа, использующих в качестве чувствительных элементов акселерометры, а также для отбора чувствительных элементов акселерометров по чувствительности.

На основе вышеперечисленных принципов был изготовлен маятниковый вибростенд для проверки и настройки комбинированных векторных приемников, блок-схема которого приведена на Фиг. Основные технические характеристики: габаритные размеры - 220×220×220; диапазон частот - 1-2 Гц; максимальный диаметр корпуса исследуемого датчика - 120 мм. Количество цифровых каналов передачи информации - 5, из них 4 канала для подключения исследуемого датчика, 1 канал - угол отклонения качающегося блока от вертикали. Параметры созданного стенда определялись задачей исследования, а именно, определением чувствительности и характеристики направленности векторных приемников в низкочастотной области, поэтому частота колебаний подвижного блока была выбрана порядка 1.5 Гц, что определило расстояние от центра испытуемого акселерометра до оси качания равным 90 мм. Стенд был оснащен поворотным устройством (3), выполненным в виде кольца, способного поворачиваться вокруг горизонтальной оси (13), что позволяет менять ориентацию каналов приемника относительно действующих ускорений с целью исследовать характеристики различных каналов. Векторный приемник закрепляют в кольце устройства (3) с помощью фланца (14), притягиваемого к кольцу болтами. Если необходимо получить характеристики одного отдельного датчика, он может быть закреплен в поворотном устройстве (3) с использованием любой приемлемой схемы крепления в зависимости от конструкции исследуемого датчика. Затем производят определение чувствительности каналов приемника и настройку дифференциальных усилителей каналов приемника с целью получения минимального значения боковой чувствительности для достижения качественной характеристики направленности. В качестве датчика угла качания был установлен магниторезистивный датчик НМС1512. В качестве усилителя сигналов магниторезистивного датчика использован усилитель INA118, а оцифровка сигналов датчика и каналов исследуемого векторного приемника микропроцессором Atmega16 со встроенным многоканальным АЦП. В процессе работ была определена чувствительность каналов исследуемого приемника к силе - как результат воздействия известного ускорения на известную инерционную массу датчика - получено среднее значение 0.56 В/Н, и определены параметры характеристики направленности - величина К_д (находится в диапазоне (20-26) дБ.

Конкретное аппаратурное наполнение вибростенда, включая размеры стенда, тип датчика угла качания и элементы электронного блока зависит от конкретной задачи исследований, исходя из требуемой точности измеряемых параметров и размеров стенда.

Таким образом, новое конструкторское решение заявляемого устройства, в котором: величина ускорения определяется расчетным путем с высокой точностью за счет кинематически строго определенного закона движения качающегося блока, принципиально отсутствуют паразитные ускорения, благодаря отсутствию соответствующих кинематических степеней свободы, содержится только один конструктивно простой и надежный, благодаря отсутствию подвижных частей, датчик, позволяет оценивать параметры трехосных акселерометров и их компонентов в процессе производства и эксплуатации с высокой точностью и оперативностью, при этом он прост в производстве и эксплуатации, не имеет существенных зависимостей от параметров окружающей среды, а калибровка датчика угла поворота может быть осуществлена в любое время с помощью стандартных промышленного производства средств измерения размеров, без применения сертифицированного поверочного оборудования.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров датчиков ускорений в низкочастотном диапазоне. Стенд состоит из основания, выполненного с возможностью регулирования горизонтальности, подвижной системы в виде качающегося блока, установленного между двух вертикальных стоек, соединенных с основанием, и электронного блока, включающего датчик угла качания, многоканальный усилитель, АЦП и систему цифровой связи. Для размещения исследуемого датчика подвижная система снабжена устройством, которое имеет возможность поворота вокруг горизонтальной и/или вертикальной оси. Технический результат заключается в устранении ускорений, действующих в направлении, перпендикулярном действию создаваемого ускорения, и повышении точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Низкочастотный вибростенд для измерения параметров датчиков ускорений, состоящий из основания, выполненного с возможностью регулирования горизонтальности, подвижной системы в виде качающегося блока, установленного на оси между двух вертикальных стоек, соединенных с основанием, и электронного блока, включающего датчик угла качания, многоканальный усилитель, АЦП и систему цифровой связи, при этом подвижная система имеет только одну кинематическую степень свободы и снабжена устройством для крепления исследуемого датчика.

2. Низкочастотный вибростенд по п.1, отличающийся тем, что устройство для крепления исследуемого датчика выполнено в виде кольца, закрепленного на качающемся блоке с возможностью поворота датчика вокруг горизонтальной и/или вертикальной оси.

3. Низкочастотный вибростенд по п.1, отличающийся тем, что на оси установлен противовес с возможностью перемещения.