Способ измерения ускорения Советский патент 1981 года по МПК G01P15/10 

Изобретение относится к элементам системы ориентации и навигации и может быть использовано для снижения погрешностей.в измерении линейных ускорений подвижных объектов струнными дифференциальными акселерометрами . Известны способы построения диффе ренциальных акселерометров, выходной сигнал которых формируют по разности частот поперечных колебаний струн TI. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ измере ния ускорения, заключающийся в возбуждении поперечных автоколебаний струн акселерометра и регистрацииразности частот автоколебаний струн в последовательные интервалы време Способ позволяет улучшить некоторые характеристики струнных акселеромет ров, в частности температурную стабильность, за счет включения струн дифференциального акселерометра в смежные плечи одной мостовой схемы, что позволяет значительно улучшить стабильность электрических характер тик мостовой схеьш в диапазоне темп ратур Г2:1. Однако данный способ не решает других проблемг связанных, например, с наличием нулевого сигнала ввиду различия физических характеристик струн дифференциального акселерометра, различием статических характеристик струн, в релаксационных процессах, протекающих в отдельных струнах и другими факторами. Цель изобретения - уменьшение погрешностей от нулевого сигнала и температуры окружающей среды, снижение влияния.на выходной сигнал релаксационных процессов в струнах.Указанная цель достигается тем, .что меняют пространственную ориентацию по отношению к измеряемой компоненте входного сигнала разворотом на угол ТГ относительно оси, ортогонгшьной оси чувствительности регистрируют для каждого положения корпуса разность частот автоколебаний струн и формируют выходной ,сигнал по алгебраической сумме результатов измерений в последовательные интервалы времени. На чертежепредставлена функциональная схема, поясняющая данный СПОСО6 .

Струнный кварцевый чувствительный элемент (ЧЭ) содержит струны 1 и 2, жестко укрепленные своими концами на стержне 3. На свободном конце стержня укреплена инерционная масса 4, второй конец стержня 3 укреплен в корпусе 5. Корпус 5 кинематически .связан с двигателем 6 и имеет возможность поворачиваться относительно оси X на фиксированные углы, кратные Jf .

Струны 1 и 2 размещены в.зазоре постоянного магнита и включены в схему магнитоэлектрических автогенераторов (на чертеже не показаны) обеспечивающих незатухающие поперечные колебания струн на частоте механического резонанса. На чертеже стрелками,отходящими от струн, условно показаны выходные сигналы соответствуюодих автогенераторов, поступакяцие через управляемые вентили 7 и 8 на входы реверсивного счетчика (рс) 9. Выход последнего фиксируется на устройстве 10.

Опорный генератор 11 формирует интервалы времени и команды,на разворот ЧЭ, команды запрета на управляемые вентили 7 .и 8 и команду начала счета на реверсивный счетчик 9.

В момент поворота корпуса 5 с ЧЭ сигналыС автогенераторов не поступают на PC. После фиксации нового положения ЧЭ и завершения переходных процессов в контурах автогенераторов вентили 7 и 8 открываются и сигналы поступают на вход PC. Счет разностной частоты начинается после подачи тактовых импульсов с генератора 11, определяквдих интервал счета. Устройство 10 алгебраически суммирует результаты измерения в два последовательные интервала времени, для двух фиксированных положений корпуса (струн) относительно компоненты измеряемого ускорения. После завершения одного цикла измерения описаннь1е процессы повторяются.

Для идеализированного струнного дифференциального акселерометра с гибкими струнами имеют место следукщие зависимости между частотами f , f струн, измеряемыми величинами и параметрами струны

г . -1 J Тр+ДТ .

(1)

1 le I р 0

S. -, . -,L Л..

() 0

1 - длина струны;

Т(5 - начальное усилие, растягивающее струну;

ДТ - приращение усилий, связанное с измеряемыми величинами;

р - линейная плотность материала струны.

При условии малости расстройки а Т по отношению к Т,, т.е. при-- и 1, выражения CD и (2) можно представить в виде разложения в ряд в окрестности Т

«.(.( ..(4fr-(-lrf-

Разность частот струн определяется из

H4fr-- - йТ

,

о То

Если в соответствии с техничес,йим згщанием наложены ограничения на нелинейность статической характеристики , можно определить предельную 20 величину отношения )Y9or%, , а следовательно, и предельную разность частот

. ((,)

Таким образом, при выполнении условия(6)можйо считать, что характеристика такого струнного акселерометра линейна с оговоренной погрешностью, не превосходящей с

f of-Реальные струны даже в пределах одного датчика неодинаковы, различны и 5 их начальные частоты, поэтому для. таких струн соотношения (З) и (4) и другие видоизменяются

v-4-tv-(

VoJ4 -(-,T(--.

(fo-i oa)f FOI oaT .

C9)

(9) видно, что статическая характеристика такого прибора иМеет смещение нуля на величину (fg-foa) и значительно большую нелинейность статической характеристики. Можно показать, что нулевой сигнал такого прибора не остается неизменным с течением .времени и при изменении температуры окружающей среды из-за различия геометрических размеров и 0 физических характеристик струн. Поэтому компенсировать нулевой сигнал схемным путем в диапазоне эксплуатационных TeMnepaijyp вряд ли возможно. Предложенный способ решает эту задачу. Пусть для фиксированного полож ния струнного датчика в момент времени t зафиксированы частоты струн - -.П-, a 2о где первый индекс указывает номер струны, второй - момент времени, и определена разность частот д t, струн Если представить слагаемые в выражении (12) в виде разложения в ряд,то,учитывая различие параме ров струн, получим выражение вида (9). После разворота корпуса на угол изменяется ориентация струн относи тельно измеряемого ускорения и, сл довательно , характер их напряженного состояния. Тогда для момента времени t,j имеем . Выргикение (15), как и (12) , мож привести к виду (9). Им свойствен те же недостатки, что и статиче ким характеристикам, описываемым соотношением (9,) . Если в соответствии с предложе ным способом сформировать алгеб ическую сумму из выражений (12) и (15), отражающих приращение часто в два последовательные моменты.в мени (ц и tj) для двух фиксиров ных положений струнного датчика, получим «(V-«)-i 1 &т.-йт:,|а-гм1 лти . ь -Т, Выражение (16) дает статическую характеристику струнного дифферен циального акселерометра, реализующего предложенный способ, В каждом слагаемом, ограничелном квадратной скобкой, сопоставляются величины, относящиеся к одной струне диффбренциального датчика, но для разных близко лежащих моментов времени и резкой пространственной ориентации струны. Видно , что статическая характеристика (16) не имеет смещения нуля. Для анализа нелинейности статической характеристики такого устройства необходимо использовать вероятностностатические методы анализа с учетом дикс1мики и статических характеристик объекта, динамики струнного автогенератора, дин 1мики реверсирующей системы и динамики частотного съема. Для низкочастотных объектов самолетного типа можно считать,что за время, соответствующее интервалу (t,,-t)He произойдет заметных изменений входного сигнаша. Тогда можно положить, что ЛТ-, ЛТ,ЛТ2,51 ДТ2. , и получим .. -1 / ДТ1 1 1.„ АТо ( Чо L -(о I J Выражение (17) практически соответствует идеализированной характеристике струнного дифференциального преобразователя в соответствии с С5) . Таким образом, проведенный анализ и полученные соотношения (1б)и (П) свидетельствуют о преимуществах предложенного способа перед известными. Как видно из (1) , статическая характеристика акселерометра не имеет смещения нулевого сигнала, в значительной степени свободна от погрешностей, вызванных релакционными процессами в струнах, так как раз.ность частот формируют по алгебраической сумме приращений частот каждой из струн для двух фиксированных относительно измеряемой компоненты ускорений пространственных положений струн. Формула изобретения Способ измерения ускорения,заключакицийся в возбуждении поперечных автоколебаний струн акселерометра и регистрации разности частот автоколебаний струн в последовательные интервгшы времени, отличающийся тем, что, с цельюповышения точности измерения, меняют пространственную ориентацию струн по. отношению к измеряемой компоненте входного сигнала разворотом корпуса на уголЗГ относительно оси, ортогональной оси. чувствительности, регистрируют для каждого положения корпуса разность частот автоколебаний струн и формируют выходной сигнйл по алгебраической

сумме результатов измерений в последовательные интервалы времени.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторскоесвидетельство СССР № 535513, кл. G01 Р 15/10, 19.06,75.

2.Авторскоесвидетельство СССР № 647610, кл. G01 Р 15/08, 01.04.77 (прототип).