Способ измерения ускорения

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 838588(22) Заявлено 19.09.79 (21) 2817434/18-10с присоединением заявки Йо(5)М. Кл. 6 01 Р 15/10 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Автор изобретения В.Е.Мельников Московский ордена Ленина авиационный институт им. Серго Орджоникидзе(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ Изобретение относится к элементам системы ориентации и навигации и может быть использовано для снижения погрешностей.в измерении линейных ускорений подвижных объектов 5 струнными дифференциальными акселерометрами.Известны способы построения дифференциальных акселерометров, выходной сигнал которых формируют по разности частот поперечных колебаний струн 11.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ измере ния ускорения, заключающийся в возбуждении поперечных автоколебаний струн акселерометра и регистрации разности частот автоколебаний струн в последовательные интервалы времени, 20 Способ позволяет улучшить некоторые характеристики струнных акселерометров, в частности температурную стабильность, за счет включения струн дифференциального акселерометра в .25 смежные плечи одной мостовой схемы что позволяет значительно улучшить стабильность электрических характеристик мостовой схемы в диапазоне температур Г 2330 2Однако данный способ не решаетдругих проблем, связанных, например,с наличием нулевого сигнала ввидуразличия физических характеристикструн дифференциального акселерометра, различием статических характеристик струн, в релаксационных процессах, протекающих в отдельных струнах,и другими факторами.Цель изобретения - уменьшениепогрешностей от нулевого сигнала итемпературы окружающей средыт 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 наугол У относительно оси, ортогональной оси чувствительности регистрируют для каждого положения корпусаразность частот автоколебаний струни формируют выходной, сигнал по алгебраической сумме результатов измерений в последовательные интервалы времени. На чертеже представлена Функциойальная схема, поясняющая данныйспособ.=к, где 1То длина струны;начальное усилие, растягивающее струну;приращение усилий, связанное с измеряемыми величинами;линейная плотность материала струны. Струнный кварцевый чувствительный элемент (ЧЭ) содержит струны 1 и 2 жестко укрепленные своими концамина стержне 3. На свободном конце стержня укреплена инерционная масса4, второй конец стержня 3 укреплен вкорпусе 5, Корпус 5 кинематически связан с двигателем б и имеет возможность поворачиваться относительно оси Х на фиксированные углы, кратные лСтруны 1 и 2 размещены в,зазоре постоянного магнита и включены в схему магнитоэлектрических авто- генераторов (на чертеже не показаны), обеспечивающих незатухающие поперечные колебания струн на частоте механического резонанса. На чертеже стрелками, отходящими от струн, условно показаны выходные сигналы соответствующих автогенераторов, поступающие 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 9.9 момент поворота корпуса 5 с ЧЭ сигналы с автогенераторов не поступают на РС. После фиксации нового положения ЧЭ и завершения переходных процессов в контурах автогенераторов вентили 7 и 8 открывают ся и сигналы поступают на вход РС, Счет разностной частоты начинается после подачи тактовых импульсов с генератора 11, определяющих 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 описанные процессы повторяются.Для идеализированного струнного дифференциального акселерометра с гибкими струнами имеют место следующие зависимости между частотами1 струн, измеряемыми величинами и параметрами струны При условии малости расстройки д Тпо отношению к То, т.е. при 1, выражения (1) и (2) можно представить в виде разложения в ряд в окрестности Т0Разность частот струн определяется изЕсли в соответствии с техническим заданием наложены ограничения на нелинейность статической характеристики Ф можно определить предельнуюи ф20 величину отношения (+ - ), аЯна следовательно, и предельную разность частотМтаХ:.1 ЭЯ, 25Таким образом, при выполненииусловия(6)можйо считать, что характеристика такого струнного акселерометра линейна с оговоренной погрешностью, не превосходящей ан ЗОьЕ: -ДТо тоРеальные струны даже в пределах одного датчика неодинаковы, различны и 35 их начальные частоты, поэтому длятаких струн соотношения (3) и (4) идругие видоизменяются40 1 Р (и 1 Г э ув2 Р 02 1 тО 8 То 16 10245,дт, ь 1 +в ., ц)- )"Ы;,)50Из (9) видно, что статическаяхарактеристика такого прибора имеет смещение нуля на величину (о о ) 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 60 Физических характеристик струн. Поэтому компенсировать нулевой сигнал схемным путем в диапазоне эксплуатационных температур вряд ли возможно. Предложенный способ решает 65 эту задачу.5Пусть для фиксированного положения струнного датчика в момент времени с зафиксированы частоты струндтлл10и 10 10дтпл.лгл 20 т,где первый индекс указывает номерструны, второй - момент времени,и определена разность частот д (,струндЕ = У 1+ --- - (лг) дтлл дт ю т 0 и т 0 Если представить слагаемые в выражении (12) в виде разложения в ряд,то,учитывая различие параметров струн, получим выражение вида (9) .После разворота корпуса на угол У изменяется ориентация струн относительно измеряемого ускорения и, сле" довательно, характер их напряженного состояния. Тогда для момента времени й имеемдтлгИ =У- У 1+ , (Ю) 1= 0 т 0 Ю т 0 Выражение (15), как и (12), можно привести к виду (9). Им свойственны те же недостатки, что и статическим характеристикам, описываемым соотношением (9) .Если в соответствии с предложенным способом сформировать алгебраическую сумму из выражений (12) и (15), отражающих приращение частоты в два последовательные моменты .времени (с. и сдля двух фиксированных положенйй струнного датчика,то получимЬЙ= - "(ДТ +дт )160 Г Л дтлл-дтлагт,0 И а Е т 0Дтл ДтЛЛДтаДЪа +Иот ++дтг)" в т +"Выражение (16) дает статическую характеристику струнного дифференциального акселерометра, реализующего предложенный способ. В каждом слагаемом, ограниченном квадратной скобкой, сопоставляются величины,838588относящиеся к одной струне дифферен-циального датчика, но для разных близко лежащих моментов времени и резкойпространственной ориентации струны.Видно, что статическая характеристи ка (16) не имеет смещения нУля. Дляанализа нелинейности статической характеристики такого устройства необходимо использовать вероятностностатические методы анализа с учетомдинамики и статических характеристик 0 объекта, динамики струнного автогенератора, динамики реверсирующейсистемы и динамики частотного съема.Для низкочастотных объектовсамолетного типа можно считать,что 15 за время, соответствующее интервалу(т -с ) не произойдет заметных из 1 /менений входного сигнала. Тогдаможно положить, что лТ 1=.ьТ-=дТ,ЬТ=ЬТг =ЬТ 1, и получимх +дтпл.25Выражение (17) практически соответствует идеализированной характеристике струнного дифференциального преобразователя в соответствии с З 0 (5)Таким образом, проведенный анализи полученные соотношения (16)и (17) ,свидетельствуют о преимуществах предложенного пособа перед известными.Как видно из (17), статическая характеристика акселерометра не имеет смещения нулевого сигнала, в значительной степени свободна от погрешностей, вызванных релакционными40 процессами в струнах, так как раз.ность частот формируют по алгебраической сумме приращений частот каждой из струн для двух фиксированных относительно измеряемой компоненты45 ускорений пространственных положенийструн.Формула изобретения50Способ измерения ускорения, заключающийся в возбуждении поперечных автоколебаний струн акселерометра и регистрации разности частот автоколебанийструн в последовательные интервалывремени, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точностиизмеренияменяют пространственнуюориентацию струн по,отношению к измеряемой компоненте входного сигнала 60 разворотом корпуса на уголТ относительно оси, ортогональной оси.чувствительности, регистрируют для каждого положения корпуса разность частотавтоколебаний струн и формируют вы ходной сигнал по алгебраической838588 Составитель И, ПолунинаРедактор О.Колесникова Техред Н. Келушак Корректор М.Демчик Заказ 4419/68 Тираж 907 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035,Москва,Ж,Раушская наб.,д.4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 сумме результатов измерений в последовательные интервалы времени. Источники инормации,принятые во внимание при экспертизе