Устройство для измерения линейных и угловых вибраций

(51)5 6 01 Н 17/00 ЕТЕНИ ии институт им. ой социалистиариончин, А.В.Кот во СССР, 1982.во СССР3 1985,О, 1987. я определени вижения - бес ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИСА ИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Киевский политехниче50-летия Великой Октябрьческой революции(56) Авторское свидетельсМ 934391, кл, 6 01 Р 15/1Авторское свидетельсМ 1137377, кл, 6 01 Р 15/Заявка ЯпонииМ 62-28411, кл, 6 01 Н 17 Изо брет ной технике измерения и случае, по в условно неп та, соверша ния, не име щих по линеи Известн корений:угл акселеромет ные устройс рительной используют и/или кажущ разности абс и ускорения в известных вах информа мещениях н Известн параметровение относится к измеритель- и может быть использовано для араметров вибрации, в общем сем шести степеням свободы одвижного обьекта, т.е. обьекющего вибрационные движе- . ющие постоянных составляюным и угловым перемещениям. ы устройства для измерения усовые акселерометры, линейные ры и комплексные измеритель-" тва, Традиционно в виброизметехнике такие измерители ся.для измерения утлового егося ускорения (т.е, векторной олютного линейного ускорения силы тяжести), Таким образом, в броизмерительных устройстц я о линейных и угловых перее разделяется.о устройство дл я, многомерного д(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ВИБРАЦИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, Цель изобретения - повышение точности при измерениях условно неподвижного обьекта, Сигналы с линейных акселерометров поступают навходы счетно-решающего блока, где после усиления, двойного интегрирования с определенными весами, задаваемыми усилителями и фильтрации на выходах получают сигналы, несущие информацию о линейных и угловых движениях объекта. 2 ил,платформенная инерциальная навигационная система (БИНС) - построенная на основе, в общем случае, шести линейных акселерометров и позволяющая определять все необходимые параметры многомерного движения объекта - перемещения по всем шести обобщенным координатам (трем линейным и трем угловым). Причем, линейные и угловые координаты в БИНС определяются раздельно.Недостатком этого устройства, из-за которого оно не нашло практического применения для задач навигации, является малая точность определения линейных и угловых перемещений из-за значительных ошибок при выполнении операций двойного интегрирования соответствующих ускорений.За прототип принято устройство для измерения механических вибраций, например, в мотоцикле, состоящее из одного линейного акселерометра, блока преобразования (БП) и блока регистрации (БР), соединенных последовательно. Недостатком этого устройства является недостаточная точность определения линейных ускорений, т.к, акселерометр измеряет кажущееся ускорение объекта (т.е. векторную разность абсолютного линейного ускорения и ускорения силы тяжести). Таким образом, отсутствие разделения информации о линейном и угловом движении приводит к погрешности в определении линейного ускорения объекта, возникающей из-за наличия в сигнале акселерометра составляющей, соответствующей проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности акселерометра,Цель изобретения - повышение точности измерения параметров вибрации условно-неподвижного объекта.Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения линейных и угловых вибраций снабжено вторым линейнымакселерометром. измерительная ось которого параллельна измерительной оси первого акселерометра и оба акселерометра расположены на равном расстоянии В от точки, в которой проводятся измерения, счетно-решающим устройством (СРУ). первый вход которого соединен с выходом первого акселерометра, а второй вход соединен с выходом второго акселерометра, а также вторым блоком преобразования (БП), который соединен со вторым выходом СРУ, а первый выход СРУ соединен с первым БП, в свою очередь, оба выхода БП соединены с блоком регистрации (БР). Первый и второй входы СРУ являются, с одной стороны, входами первого вычитающего устройства, которое последовательно связано через усилитель с коэффициентомусиления К 1 = 1/2 Я и первый двойной интегратор с первым фильтром высоких частот(ФВЧ), а с другой стороны - входами суммирующего устройства, которое последовательно соединено через усилитель с коэффициентом усиления К 2 = 1/2, Первый выход СРУ через усилитель с коэффициентом усиления КЗ= 9,81 связан со вторым входом второго вычитающего устройства, которое в свою очередь, последовательно связано через второй двойной интегратор со вторым Ф ВЧ, выход которого является вторым выходом СРУ;Известно СРУ БИНС. которое осуществляет разделение углового и линейного перемещений движущегося объекта по сигналам акселерометра и отличается от СРУ заявляемого устройства для измерения вибрации тем, что в нем отсутствуют первый и второй ФВЧ, Недостатком схемы БИНС, из-за которогс она не нашла практического применения, является малая точность опре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 деления параметров линейного и углового движения объекта из-за ошибок при выполнении операций двойного интегрирования, Введение ФВЧ в СРУ БИНС привело бы к потере полезной информации о возможных постоянных и низкочастотных составляющих линейного и углового движения подвижных объектов, Заявляемое устройство предназначено для измерения вибрации условно-неподвижных обьектов (например, транспортных средств на стоянке), т,е, объектов, совершающих вибрационное движение, не имеющее постоянных составляющих по линейным и угловым перемещениям, При проведении виброизмерений на условно-неподвижном объекте применение в СРУ операции ВЧ-фильтрации после операции двойного интегрирования позволяет существенно увеличить точность определения параметров линейной и угловой вибрации объекта за счет устранения ошибок двойного интегрирования и не приводит к потере полезной информации, т.к. при исследовании и измерении вибрационных процессов обычно ограничиваются частотным диапазоном выше некоторой фиксированной частоты, например, 0,1 Гц, исходя из которой выбирают частоту среза ВЧ-фильтра. Таким образом, применение известного СРУ совместно с ФВЧ обеспечивает появление у заявляемого устройства для измерения вибрации нового свойства, а именно - высокой точности определения параметров угловой и линейной вибрации за счет разделения информации о линейном и угловом перемещении в случае пространственной вибрации условно неподвижных обьектов, а также за счет устранения ошибок операции двойного интегрирования, Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критериям существенных отличий и новизны.На фиг, 1 изображена блок-схема устройства для измерения линейных и угловых вибраций; на фиг, 2 - блок-схема СРУ,Устройство содержит по крайней мере один канал, состоящий из двух акселерометров 1 и 2, счетно-решающего устройства (СРУ) 3, двух блоков преобразования (БП) 4 и 5, а также блока регистрации (БР) б,Два идентичных с параллельными осями чувствительности линейных акселерометра 1 и 2 расположены на равных расстояниях от точки 0 (в качестве которой выбирается точка, в которой необходимо произвести виброизмерения),Счетно-решающее устройство содержит одно суммирующее устройство 7, два вычитающих устройства 8 и 9, два двойных интегратора 10 и 11, два фильтра высокихчастот 12 и 13, три усилителя с коэффициентами усиления К 1 = 1/2 В, К 2 = 1/2 и КЗ=9,81 14, 15 и 16, соответственно;Выходы блоков 1 и 2 попарно подключены к блокам 7 и 8. Блок 8 связан с блоком 54 последовательно через блоки 14, 10 и 12,Блок 7 связан с блоком 5 последовательночерез блоки 15, 9, 11 и 13, Второй выходблока 12 через блок 16 подключен ко второму входу блока 9. Выходы блоков 4 и 5 подключены к блоку 6.Работу устройства для измерения вибрации можно пояснить на примере работыодного из его каналов, например, ориентированного вдоль горизонтальной продольной оси объекта Х,Математическая модель измеряемыхакселерометрами 1 и 2 сигналов (пренебрегая инерционностью приборов) после линеаризации имеет вид: 20В а 1= Их+ 9 А - ВА, а 2 = /Чх + 9 А + РА 31+ а 2 = 2 (В/х + 9 А) Ва 2- а 1= ОВфА.(1)40 где ОВ = 2 В - расстояние между акселерометрами.Из (1) видно, что разностный сигнал несет информацию об угловом ускорении объ екта. Дважды проинтегрировав этот сигнал на первом двойном интеграторе 10, можно получить один из параметров вибрационного движения объекта - угол; 50А = 3 3 ( Зг - а 1 ) ч О Я б г д т + О А (2)- 1 о о где ОА - погрешность двойного интегрйрования, имеющая характер постоянной или медленно изменяющейся величины.Сигнал А, полученный после обработки разности сигналов двух акселерометров в соответствии с (2) при помощи первого 25 где Юх - проекция линейного ускорения точки О объекта на ось чувствительности акселерометра, А - угол отклонения объекта от вертикали, 9 - ускорение силы тяжести (9 = 9,81 м.с ), В - расстояние от точки О до 30 симметрично установленных относительно нее акселерометров 1 и 2,Сумма и разность сигналов акселерометров 1 и 2, получаемые на суммирующем 7 и первом вычитающем устройствах 8, име ют вид соответственно;двойного интегратора 10, используется также, совместно с суммарным сигналом этих же акселерометров, для вычисления линейного ускорения объекта вдоль оси ХЮх во втором устройстве вычитания 9: а 1+ а 2 х= 2 9Аналогично выражению (2) вторым двойным интегратором 11 вычисляется линейное перемещение объекта"в направлении горизонтальной оси Х:у т сХ =, Я,ббт+ОХ(3) оо где ОХ - погрешность двойного интегрирования, аналогичная ФВЧ 12 и 13 реализуютоперации высокочастотной фильтрации,применяемые после операций двойного интегрирования (2) и (3), которые устраняют:погрешности двойного интегрирования ОАи ОХ в выходных сигналах СРУ,Таким образом, в заявляемом устройстве происходит разделение информации олинейных и угловых движениях объекта, чтоповышает точность определения параметров вибрации.Кроме того, следует отметить, что в устройстве имеется информация как об угловых и линейных вибрационныхперемещениях объекта, так и об угловых илинейных скоростях и ускорениях вибрации. которая при необходимости можетбыть использована.Обьекты, на которых предполагаетсяпри помощи устройства производить виброизмерения, являются условно неподвижными, т.е. они соверша 1 от многомерноевибрационное движение, не содержащеепостоянных составляющих перемещений(линейных и угловых), в отличие от движущихся обьектов, на которых устанавливается Б И Н С. Отс юда следует, что,применительно к рассмотренному выше одному каналу ориентированному, например,вдоль горизонтальной оси Х объекта, пара метры Х и А вибрационного движения объекта также не. должны содержатьпостоянных составляющих. Все постоянныесоставляющие сигналов, характеризующихлинейное и угловое перемещения, получаемые"йа выходах первого и второго двойныхинтеграторов, могут быть отфильтрованы,т;к. являются либо ошибками вычисления,либо постоянными составляющими, обусловленными"погрешностью гориэонтирова-ния (например; угла А), поопределению, не10 20 25 30 40 50 относящимися к вибрации, при этом высокочастотная фильтрация не приводит к потере полезной информации. Таким образом, применение высокочастотной фильтрации совместно с разделением информации о линейном и угловом движении объекта позволяет существенно повысить точность определения параметров вибрационного движения условно неподвижного объекта.Устройство может быть реализовано следующим образом, Акселерометры серийного изготовления, нэпрймер маятниковые акселерометры типа ДА, СРУ - на элементах аналоговой техники (операционных усилителях), однако, с точки зрения точности и стабильности, предпочтительной является реализация СРУ а элементах цифровой техники. БП применяется в данном случае, как и в прототипе для предварительного анализа выходных сигналов СРУ иможет быть реализован соответственно прототипу на элементах аналоговой либо цифровой техники, БР в случае цифровой реализации - накопитель, например, на жестких или гибких магнитных дисках НГМД ИЗОТ 5701 или ГМД МС 5401). в случае аналоговой реализации БР - многоканальный магнитограф, например, типа Н 0-67. а в самом простейшем случае - осциллограф, например, типа С 1-69.В случае реализации СРУ на элементах цифровой техники, входящие в алгоритм процедуры двойного интегрирования и высокочастотной фильтрации могут быть организованы согласно известным методикам.Процедуры умножения, вычитания и суммирования я вля ются стандартными для Э В М, В случае реализации СРУ на элементах аналоговой техники, весь алгоритм может быть реализован набором стандартных динамических звеньев. В этом случае, операция ВЧ-фильтрации может быть реализована на фильтре первого или второго порядка,Технико-экономическая эффективностьзаявляемого устройства заключается в том, что погрешносгь прототипа от наличия угловых составляющих пространственной вибрации объекта увеличивается при уменьшении частоты линейного возмущения и при увеличении амплитуды углового возмущения. Так, при частоте линейного возмущения 3 рад/с и амплитуде. 0.5 мм погрешность превышает по величине полез 1 м,ный сигнал при амплитуде углового возмущения1,6 угл.мин, Точность определения параметров вибрационного движения существенно, например, оси определения вибрационного воздействия на организм человека при эксплуатации транспортных средств, станков и механизмов, для исследовательских целей - при определении условий работы навигационных приборов, э также для воспроизведения реальных вибрационных возмущений, которые могут быть измерены и зарегистрированы в заявляемом устройстве,Таким образом, в заявляемом устройстве для измерения линейной и угловой вибрации условно-неподвижных обьектов указанная цель - повышениеточности измерения параметров вибрации - достигается зэ счет разделения информации о линейном и угловом перемещении, а также за счет устранения ошибок операции двойного интегрирования. Формула изобретения Устройство для измерения линейных и угловых вибраций, содержащее соединенные последовательно первый линейный акселерометр, первый блок преобразования и блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повь:щения точности измерения параметров вибрации условно неподвижных объектов, оно снабжено вторым линейным акселерометром, измерительная ось которого параллельна измерительной оси первого акселерометра, и оба акселерометра расположены на равном расстоянии от точки, в которой проводятся измерения, счетно-решающим блоком, первый вход которого соединен с выходом первого акселерометра, а второй вход соединен с выходом второго акселерометра, вторым блоком преобразования, который соединен с вторым выходом счетно-решающего блока, первый выход которого соединен с первым блоком преобразования, выходы блоков преобразования соединены с блоком регистрации, а счетно-решающий блок выполнен в виде последовательно соединенных первого вычитающего устройства, входы которого являются входами счетно-решающего блока, первого усилителя, первого двойного ин.тегратора и первого фильтра высоких частот; выход которого является первым выходом счетно-решающего блока, последовательно соединенных суммирующего устройства, входы которого являются входами счетно-решающего блока, второго усилителя, второго вычитающего устройства, .второго двойного интегратора и второго фильтра высоких частот, выход которого является вторым выходом счетно-решающего .блока, и третьего усилителя, вход которого соединен с выходом первого фильтра высоких частот, а выход - с вторым входом второго вычитающего устройства.1781557Риг, ЯСоставитель М.Харьковаактор В.Трубченко Техред М,Моргентал Корректор 3 Салко каз 4268 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва. Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул,Гагарина, 101