СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ АКСЕЛЕРОМЕТРА Российский патент 2016 года по МПК G01P21/00 

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 $$U_{вых.\max .n}^{\perp }$$ - 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 (%);

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

$$U_{вых.\max }^{\Vert }$$ - 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 ( $$U_{вых.\max }^{\perp }$$ ), но и погрешностью определения основной (осевой) чувствительности ( $$U_{вых.\max }^{\Vert }$$ ).

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.

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.

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.