Способ определения угла наклона Советский патент 1990 года по МПК G01C9/12 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения углов наклона объектов в условиях действия вибраций и импульсных перегрузок.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния ошибок, обусловленных действием вибраций.

На фиг. 1 изображено устройство для реализации способа; на фиг. 2 и 3 - графики угловой скорости, иллюстрирующие измерения и требования, предъявляемые при выборе интервалов измерений.

При рассмотрении фиг. 2 приняты следующие обозначения: d(t), t/(t) - текущие значения угла отклонения от нормали и угловой скорости движения магнитного

t, t0 oie-,Јй, Ј;

TVт

it,

чувствительного элемента (МЧЭ) соответственно;

текущее время и время начала измерений соответственно; измеряемое значение угла наклона; максимальное значение угловой скорости движения МЧЭ; интервалы измерения мгновенной угловой скорости;

период колебаний МЧЭ; период колебаний сигнала вибрации.

сл

w

ю

СП

С/0

Выбранные интервалы измерений Ј удовлетворяют следующим требованиям.

Участки длительностью Ј, не должны содержать выбросов от действия импульсных перегрузок.

Для исключения списывания инфор- нации о скорости движения МЧЭ при суммировании мгновенных значений угловой скорости (при перемене знака движения) длительностью любого временного интервала Ј, должна ле-

жать в пределах t, -Ј .

С другой стороны, на временном участке t, должно содержаться целое число периодов сигнала вибрации, т.е выполняется равенство t, аТ6, где а - целое положительное число.

В ранных расчетах принималось, что период колебаний МЧЭ Тк значительно больше периода сигнала вибра- ции Т6 (с целью исключения возникновения биений). В результате суммирования мгновенных значений угловой скорости oi(t) будет информироваться выходной интеграл I несущий информа цию о значении угла наклона. Удобно ввести в рассмотрение коэффициент п, равный отношению суммы времен интервалов измерения угловой скорости i к одной четвертой периода колебаний МЧЭ, т.е.

и,

- с п -

Тк

Ь,1-Н

сумма интервалов измерений угловой скорости (к - количество интервалов) .

Физический смысл данного коэффициента воспроизведения п показывает во сколько раз значение выходного интеграла С отличается от величины угла наклона , т.е. I пЫ„. При

гр

Ј. значение выходного интег

о. Значение выходного интегскладывается из составляющих 50

i L.i{,

IX

I; (t)dt значение интеграла угловой скорости движения МЧЭ при времени интегрирования

t;

g

5

0 5 0

5

0

,

0

5

Предполагается, что угол нак-гона еЈ0 за время Измерений (в одном цльле) остается постоянным. После проведения одного цикла измерений МЧЭ жестко фиксируется с корпусом объекта, что опять повышает помехоустойчивость измерений (так как в это время могут действовать большие по величине импульсные перегрузки). Выбором длительности цикла измерений и интервала Фиксации МЧЭ - корпус объекта выбирается необходимая частота отслеживания изменения угла наклона.

Устройство, реализующее способ, состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) (фиг. 1) в виде маятника 1, магнита 2, обмотки формирования выходного сигнала 3,, замкового устройства 4. Обмотка формирования выходного сигнала нагружена на гальванометр светолучевого осциллографа 5. Измерения начинаются с установки корпуса датчика на объект и подачи команды на срабатывание замкового устройства 4. Освобожденный от силовых связей с корпусом маятник приходит в движение. При движении маятника на объект действуют импульсные перегрузки вибрации. На фиг. За показана запись угловой скорости ЧЭ. Очевидно, используя способ определения угла наклона по максимальному значению угловой скорости в момент (прототип способа), весьма сложно получить значение искомой величины. Полученный сигнал необходимо подвергнуть сложной фильтрации, чтобы попучить среднее значение угловой скорости. Можно проинтегрировать запись угловой скорости и получить зависимость угла наклона во времени (фиг. Зб).

При реализации изобретения для сохранения точности угловых измерений при действии перегрузок и вибрации интегрируют абсолютные величины угловой скорости. В этом случае при смене знака угловой скорости -ie происходит обнуления суммы, что позволяет накапливать информацию о величине угла оЈв с Например, интегрируя значение угловой скорости оС (t) за период Т к с учетом знака, получим в с/м- ме нулевое значение &.й. Если интегрировать абсолютные значения угловой скорости (t), то суммарный интеграл будет равен . Это способствует физической картине колебаний ЧЭ, когда он проходит положение равновЈ

сия (один угол ), отклоняется в противоположную сторону (второй уголсУо), вновь проходит положение равновесия (третий угол Ы) и возвращается в исходное состояние (четвертый угол сУ„). Полагаем, что затухание ЧЭ за один период достаточно мало. На фиг. Зв показана зависимость общего интеграла I от времени. Очевидно, что с ростом времени наблюдений (числа колебаний ЧЭ) его значение возрастает. Поскольку период колебаний Т практически не зависит от угла наклона, то, измерив по фиг. Зв значение угла Х0 (относительно угла tf0, на графике 36), получим значение, относительная погрешность которого 3%. Значение оЈ0 по графику Зв может быть найдено как отношение интеграла I при времени наблюдений ЗТк. к числу п„ равному

п - ЗТ

тГм

12,

где Зтк - общее время наблюдений; Tt/4 время, при котором значение интеграла I &-й.

Коэффициент воспроизведения п показывает во сколько раз значение интеграла I отличается от угла наклона о/0. Поскольку закон движения маятника постоянен (по периоду), то за время Тц/4 значение интеграла ч I °4. Если время наблюдений больше Ту,/4 то 1 о и наоборот. Если поI 1

лученное значение -rj умножить на разницу в масштабах осей ординат (36 и Зя), то достигается повышение точности полученного результата. Объясняется это тем, что интеграл I по отношению к углу наклона является интегральной характеристикой, позволяющей сгладить выбросы, точно также, как значение угла наклона (36) является интегральной характеристикой угловой скорости (За). В то же время в расчетах значение интеграла (при нахождении угла 0) делится на число п, имеющее высокую степень точности (так как период колебаний Тц и время наблюдений можно измерять с очень малой погрешностью.

Разобьем полученную эпюру угловой скорости на участки, каждый из которых удовлетворяет следующим требованиям: не содержит импульсных выбро

9531

сов

; сигнал вибрации на этом участке имеет близкое к нулю среднее значение; длительность участка L , аТ&. где а - целое положительное число; Т в, - период сигнала вибрации на

Тк

1-м участке

(Јi

На практике удовлетворить поставленным требованиям не сложно, так .. как изменяющийся во времени сигнал вибрации на отдельных участках можно представить моногармоническим.

На фиг. За, например, выделено шесть таких участков (txrtfc) соответ ственно . Докажем, что погрешность измерений в этом случае определяется погрешностью интегрирования. Для этого найдем интегралы путем графического интегрирования фиг. За и вычислен ные по Лормуле

25

35

40

45

Ч

I-k J (0 sin t,

ч

+ | ot

-Ц где I

2Ј Т,

tdt +

ь sin

е30

€, te- - ti

модуль значения интеграла текущей угловой скорости на i-ом временном интервале;

о 6Э

длительность 1-го временного интервала; значение угла наклона; круговая частота движения ЧЭ;

Т к. - период колебаний ЧЭ;

oib - максимальное значение

угловой скорости сигнала вибрации;

Тв - период сигнала вибрации.

Поскольку при выполнении условий, сформулированных выше, значение инfЈ И

теграла J sin tdt будет равно

t« B нулю, можно получить значение интеграла I-, (в единицах ), задав временные границы из фиг. За.

Формула изобретения

Способ определения угла наклона, при котором маятниковый чувствительный элемент с периодом колебаний Тк отклоняют в плоскости измерения от положения равновесия, измеряют мгновенную угловую скорость его свободных колебаний и обрабатывают результаты измерений9 отличаю щи й- с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния ошибок, обусловленных действием вибрации, предварительно определяют период вибрационных колебаний Тв, измерения производят в течение интервала времени t,1, определяемого соотчошело, при измерениях, производимых многократно, получают интегральные значения мгновенной угловой скорости I, за время Ј;, а при обработке результатов измерений значение угла наклона находят из соотношения

сЛ

t

ttT

ы

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости измерений при действии вибрации и импульсных перегрузок. В основе способа измерений лежит свойство периодических функций с нулевым средним значением, интеграл от такой функции за целое число периодов равен нулю. Сигнал вибрации представляет собой такую функцию. При работе измеряют мгновенную угловую скорость движения маятника, первоначально отклоненного от положения равновесия на измеряемый угол, далее интегрируют полученные значения угловой скорости на выбранных временных интервалах и по полученной сумме определяют угол наклона. 3 ил.

П-. Т s Д л чги-ли

нием i,t alftfr-j , где а - целое дас- измерений

где k - число

/// /77/// ////777 / /// /// /// //

Фиг.1

Положен да

О равнове

А

Поfoxen ie paBnoSei un

Л/пк

Положение нчз

Sufpotfua + импульсные перегрузи

1 Д л чги-ли

измерений

где k - число выполненных многократ J i

0,5d0tff

-±nW

-to I

Ф