Способ измерения механических величин

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, заключающийся в пропускании излучения источника по двум дифференциально включенным каналам в виде изогнутых световодов с участком изгиба , лежащим в плоскости вектора измеряемого параметра, и определении отклонения выходных сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсации температурной погрешности, предварительно снимают экспериментальные кривые температурной зависимости светопропускания изогнутых световодов по меньшей мере при двух различных нагрузках и находят точку пересечения их линеаризованных эквивалентов , при зтом отклонение выходных сигналов, определяют относительно значения , соответствующего найденной точке, а величину измеряемого параметра вычисляют по формуле (Uo-U )/Г2и,- (Ui-UJ Йля однополярного сигнала (Л (UrUj| 2U,4U,.Uj для двухполярного сигнала, где (i сигнал , соответствующий точке пересечения температурных зависимостей, Ц, Uj - выходные сигналы соответственно первого и второго каналов. О5 -ч СД О 05

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3624349/24-10 (22) 22.07.83 (46) 15.07.85. Бюл. Р 26 (72) А.Л.Патлах, В.А.Иванов, Е.Н.Корешков, Я.И.Токарь и Ю.М.Эунапу (71) Алма-Атинский энергетический институт, Центральное проектно-конструкторское и технологическое бюро

Министерства автодорожного транспорта KasCCP (53) 531.768(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР и 794545, кл. С 01 P 15/08, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 1107054, кл. G 01 P 15/08, 1983 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН, заключающийся в пропускании излучения источника по двум дифференциально включенным каналам в виде изогнутых световодов с участком изгиба, лежащим в плоскости вектора измеряемого параметра, и определении

„„SU„„1167506 А отклонения выходных сигналов, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности sa счет компенсации температурной погрешности, предварительно снимают экспериментальные кривые температурной зависимости светопропускания изогнутых световодов по меньшей мере при двух различных нагрузках и находят точку пересечения их линеаризованных эквивалентов, при этом отклонение выходных сигналов, определяют относительно значения, соответствующего найденной . точке, а величину измеряемого параметра вычисляют по формуле (0а - u,,)I Г20о (0„° 0,))— для однополярйого сигнала," (u„-И, Ц(0,-(u„.U,))— для двухполярного сигнала, где (1 сигнал, соответствующий точке пересечения температурных зависимостей, {J, 0 — выходные сигналы соответственно первого и второго каналов.

1167506

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения ускорений.

Известен способ измерения ускорений, основанный на изменении свето- 5 пропускания изогнутого волоконного световода, вызванном изменением степени деформации изогнутого участка под действием измеряемого ускорения (11.

Недостатком такого способа является наличие существенной температурной погрешности в случае применения световодов, типа кварц-полимер.

Йаиболее близким к предлагаемому 15 по технической сущности является способ измерения усилий датчиком в измерителе скоростного напора, заключающийся в процускании излучения источника но друм дифференциально вклю-2р ченным каналам в виде изогнутых световодов с участком изгиба, лежащим в плоскости вектора измеряемого параметра, и определении отклонения выходных сигналов (2J. 25

Недостатком способа также является наличие существенной температурной погрешности в случае применения световодов типа кварц-полимер.

Необходимость применения светово- ур дов типа кварц-полимер в устройствах на основе изогнутых световодов объясняется тем, что (по сравнению со световодамн типа кварц — кварц и полимер-полимер) они обладают наилучшими З механическими и прочностными свойствами и в них нет остаточной деформации после прекращения воздействия возмущения. Кроме того, световоды типа кварц-полимер имеют относительно большой диаметр сердцевины, что облегчает ввод в световод относительно большой мощности света, в то время как чувствительность указанных устройств увеличивается с увеличением 5 мощности, введенной в световод.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации температурной погрешности.

Указанная цель достигается тем, что по способу измерения ускорения механических величин, заключающемуся в пропускании излучения источника по двум дифференциально включенным каналам в виде изогнутых световодов с 55 участком изгиба, лежащим в плоскости вектора измеряемого параметра, и определении отклонения выходных сигналов, предварительно снимают экспери" ментальные кривые температурной зависимости светопропускания изогнутых световодов по меньшей мере при двух различных нагрузках и находят точку пересечения их .линеаризованных эквивалентов, при этом отклонение выходных сигналов определяют относительно значения, соответствующего найденной точке, а величину измеряемого параметра вычисляют по формуле (uо,- -и ) (Pzuо (u„+0 )7для однополярного сигнала, (0 - Ог ) /(20о (0„+ (4 1) для двухпо.пярного сигнала, 1где 0 — сигнал, соответствующий точке пересечения температурных зависимостей, (1, U — выходные сигналы ь соответственно первого и второго каналов.

На фиг. 1 представлена конструкция устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 — электрическая схема устройства, работающего с однополярным сигналом на фиг.3— электрическая схема устройства, работающего с двухполярным сигналом, на фиг.4 — экспериментальные температурные зависимости сигналов фотоприемников, выделяющихся на соответствующих сопротивлениях нагрузки, представляющие собой фактически температурные зависимости светопропускания изогнутого световода, для случаев одинаковой и различной степеней деформации. Зависимости получены при исследовании световодов кварц-полимер типа ФИАН-ИХАН с диаметром сердцевины 330 мкм и числовой апертурой

0,39. В качестве источника излучения использовался световод АЛ-107, а в качестве фотоприемника — фотодиод

ФД-26К.

Устройство содержит (фиг.1) источник 1 излучения, световоды 2 и 3 с участками изгиба, фотоприемники 4 и 5, электронный блок 6 обработки информации, инерционную массу 7, упругий элемент 8.

Электронный блок 6 содержит (фиг.2,3) неравновесный мост, в плечи которого включены фотоприемники

4 и 5, резистор 9 температурного сигнала, источники опорных сигналов: — сигнала, соответствующего фиктивной точке пересечения температур1167506 ных зависимостей светопропускания изогнутого световода и 2 LI — удвоенного аналогичного сигнала; и блок 10 деления. Резистор 9 температурного сигнала установлен последовательно с мостом (одна диагональ) межцу полюсами источника питания О . Сигнал, снимаемый с резистора 9, вычитаясь из сигнала источника 2 LI, поступает на один вход блока 10, на другой вход 10 которого подается сигнал фотоприемника, например, 4, снимаемый с резистора Я 4 (фиг.2) (он предварительно вычитается иэ сигнала () ). Блок 10 представляет собой усилитель, коэф- 15 фициент усиления которого изменяется в соответствии с сигналом 20Π— (U + 0 ), 1 т.е. пропорционально изменению температуры. Изменение коэффициента усиления в одном из вариантов осуществля-20 лось путем автоматического уменьшения напряжения питания транзисторного усилителя, в другом варианте — изменением величины сопротивлений нагрузки в плечах неравновесного моста, в 5 качестве которых использовались транзисторы.

Схема на фиг.3 отличается от схемы на фиг.2 тем, что здесь на второй .вход блока 10 подается сигнал с второй диагонали моста. При отсутствии измеряемого ускорения инерционная масса 7 неподвижна и занимает некоторое нейтральное положение, при котором световоды 2 и 3 имеют исходную

35 одйнаковую степень деформации, неравновесный мост, в плечи которого включены фотоприемники 4 и 5, сбалансирован, сигнал на выходе блока 10 не изменяется. При появлении ускорения инерционная масса 7 отклоняется от нейтрального положения. При этом, например, световод 2 более сильно деформируется, а у световода 3 степень деформации уменьшается, мост разбалансируется и на выходе блока

10 появляется сигнал, несущий информацию об измеряемом ускорении. При этом коэффициент передачи блока 10 не изменяется, так как не изменяется сигнал на резисторе 9 — температура постоянна (сигнал на резисторе определяется суммой токов фотодиодов 4 и

5. Перемещение же инерционной массы .7 вызывает уменьшение тока одного фотоприемника и увеличение на такую же величину тока другого, в результате суммарный ток через резистор не меняется). Если температура окружающей среды увеличивается, то соглас- . но фиг.4 увеличивается ток обоих фотоприемников и величина разности их сигналов вследствие появившегося ускорения уменьшается. При этом происходит увеличение сигнала на резисторе 9 температурного сигнала и увеличение коэффициента передачи блока

10, величина сигнала на выходе которого не изменяется с изменением температуры, а зависит лишь от величины измеряемого ускорения, т.е. в устройстве реализуется функция К((1 -U )/

/PU,- JU,-Ц )), где К вЂ” коэффициент передачи, который пропорционален

Это постоянный масштабный коэффицие нт.

Анализ зависимостей (фиг.4) показывает, что при неизменной величине ускорения и изменяющейся температуре разностный сигнал двух фотоприемников 4 и 5 изменяется, причем с увеличением температуры эта разность уменьшается, что эквивалентно уменьшению измеряемого ускорения, т.е. появляется температурная погрешность.

В этом случае температурная погрешность носит мультипликативный характер (с увеличением деформации свето1 вода чувствительность к изменению температуры увеличивается — различный наклон линий на фиг.4), а значит, устранить ее реализацией обычной диф ференциальной схемы акселерометра невозможно.

Указанные температурные зависимости (фиг.4) довольно точно аппроксимируются прямыми линиями в относительно широком интервале температур (О—

50 С), пересекающимися в одной точке с координатами 1, 1О. Это фиктивная точка пересечения температурчых зависимостей изогнутого световода. Наличие температурной погрешности в случае применения световодов типа кварц-полимер объясняется следующим образом.

Указанная температурная погрешность обусловлена увеличением светопропускания изогнутых волоконных световодов при увеличении температуры. При нагревании происходит расширение полимерной оболочки световода, в результате чего уменьшается ее показатель преломления в то время как показатель, преломпечия кварцевой сердцевины прак-, тически остается постоянным. Таким 5

11б 7506 образом, происходит увеличение числовой апертуры световода на нагретом участке. СоГласно экспериментальным исследованиям более высокоапертурные . световоды при одних и тех же значениях радиусов кривизны имеют большее светопропускание, через низкоапертур ные. В то же время известно, что на искривленном участке часть света выходит из световода наружу. При на- 10 греве же часть света, выходящая наружу, уменьшается. Этим объясняется наличие температурных зависимостей.

Указанная выше точка пересечения температурных зависимостей названа 15 фиктивной, так как в действительности зависимости в области 45 С преобретают явно нелинейный вид. Линейная же аппроксимация, дающая точку пересечения зависимостей, возможна лишь 20 при 0-.50 С с погрешностью линейности

57. Наличие фиктивной точки пересечения температурных зависимостей светопропускания изогнутого световода (фиг.4) позволяет реализовать способ,25 обеспечивающий более высокую точность измерения ускорений эа счет уменьшения температурной погрешности в интервале температур линейной аппроксимации. 30

Аппроксимирующие функции сигналов обоих фотоприемников дифференциального чувствительного элемента имеют вид

Подставляя (2), например, в (1) для

U2 и выражая Ч,, имеем

u,-u, 0, и, Ч(т 2(1 (0,(1

Таким образом, если отработать сигналы обоих фотоприемников согласно (3), то удается исключить температурную зависимость. Этот случай применим, когда необходимо работать с однополярным сигналом. Однако при указанной реализации способа на выходе устройства присутствует постоянная составляющая сигнала.

Для исключения постоянной составляющей необходимо из 0„ вычесть О а затем полученное выражение разделить на .сумму выражений (1) без 2 Dp, тогда получаем (без учета знака)

u„„-О, г

/ 1

20р (01+ Щ %о

Обрабатывая таким образом сигналы обоих фотоприемников, получаем: при сигнал соответствует 1, при ф=

=Π— минус 1, при = +/2 — нулю, т.е в этом случае постоянная составляющая

-отсутствует. Шкала прибора проградуи35 рована в единицах ускорения с учетом, что полученный результат на выходе электронного блока пропорционален

2 g /q,ð-1 (когда сигнал электронного блока равен О, — это нулевое перемещение инерционной массы 7, ускорение равно О, при Ц >0<вектор ускорения

1 имеет одно направление, при Q< g U— вектор ускорения имеет противоположное направление). Величина перемещения инерционной массы 7 определяется величиной этой массы и упругостью упругого элемента 8. где Ч вЂ” постоянный коэффициент, з ависящий от типа нрименяемо- 40

ro световода и фотоприемников, р, — наибольшее и текущее значения перемещения инерционной массы под действием ускоре-45 ния (при q,= qp сигнал одно го фотоприемника р аве н О, а другого близок к 0 ), — текущее значение температурыу 50

T — координата фиктивной точки пересечения по оси температур.

Выражения (1) для 0„ и 0 отлича-. ются, так как в дифференциальном чув- 55 ствите IbHQM элементе происходит про-, тивоположное изменение кривизны световодов при перемещении инерционной

u„=u,- ч(„- )(т,- <1;

01=0,-vq,(T,- 4), массы 7 под действием измеряемого ускорения.

Складывая между собой (1) и выражая (Т -+), получаем

2и,-(u„u2) о- q

Рассмотрим конкретный пример на основе экспериментальнйх зависимостей. В исходном состоянии при 20 С сигналы на нагрузках фотоприемников -, 4 и 5 равны U =Ог « 4,3B, координаты фиктивной точки пересечения температурных зависимостей составляют 0 о о

=бВ, Т б5 С (они определяются экспериментально по температурным зависимостям до начала работы прибора). Со1167506

7 противления нагрузок фотодиодов 4 и

5 равны 1 МОм, сопротивление резистора температурного сигнала равно также

1 МОм, напряжение источника питания моста U =12 В. В данном случае ток каждого из фотодиодов 4 и 5 равен

4,3 мкА, суммарный ток через. резистор

9 равен 8,6 мкА. Этот ток создает на резисторе напряжение 8,6 В, а сигнал, поступающий на элемент регулировки 10 . коэффициента передачи блока 10, равен

0 3,4 В. Этот сигнал обеспечивает зйачение коэффициента передачи блока

10, равное К =0,29. Сигнал на входе блока 10, представляющий собой .U = 15

= Ц,-01, равный 1,7 В, вызывает на выходе этого блока сигнал U = KU =

=0,49 В, соответствующий ускорению, равному О. При увеличении температуры на 20 С 0 =0 =5 В,при этом сигнал 20 на резисторе 9 равен 10 В. U =2 В, U>>=1 В, K=0,5 (коэффициент передачи k изменяется обратно пропорциональ" но U> ), тогда U „,„ принимает значение 0 5 В, т.е. сигнал на выходе 25 блока 10 практически не изменяется при изменении температуры.

Предположим, что ускорение принимает определенное значение, при котором инерционная масса 7 переместит-З0 ся на 1 мм. При 20 С Ц =3,35 В, 0 =

=5,35 В, ток через резистор 9 равен

8,7 мкА (напряжение на этом резисторе 8,7 В), 0„ =3,38 В, К =0,303, (3 „ = т.е. при появлений ускорения сигнал на выходе блока 10 изменяется. При изменении температуры окружающей среды на 20 С V„ =4,5 В; 0 =5,65 В, ток резистора 9 составляет 10 05 мкА (на-4 пряжение на нем 10,05 В); U =1,85 В, т.е. сигнал на выходе блока 10 при изменении температуры изменяется всего на 57 — это и есть величина температурной погрешности предлагаемого устройства.

Аналогично описанчому работает устройство, электрическая схема которого изображена на фиг.3. Разница за" ключается лишь в том, что на вход блока 10 подается сигнал с диагонали моста, равный разности сигналов Ц;Ц на нагрузках фотоприемников 4 и 5.

Рассмотрим пример работы такого устройства при условиях и номиналах схемы, аналогичных описанным вышее, но при коэффициенте усиления блока

10 k =1 при 20 С.

При ускорении, равном О, и температуре 20 С U V =4,3 В, ток резистора 9 равен 8,6 мкА (напряжение на нем 8,6 В), 0 =3,4 В; К=1; 0 „-U

Ц =0, V KU 0 При увеличении температуры на 20 С U =(12=5В; ток резистора 9 равен 10 мкА (напряжение

1ОВ); V, =2 В; U»=0; U„„=О, т.е. сигнал на выходе блока 10 в этом случае с изменением температуры не изменяется.

Пусть измеряемое ускорение вызывает перемещение массы 7 на 1 мм, при этом О, =3,35 В О =5,35 В; ток через резистор 9 равен 8,6 мкА (напряжение 8,6 В) Uó=3,4В К=1 Uз„= нении температуры на 20 С Ц„=4,45В;

Д =5,7 В, ток резистора 9 рутвен

10 0 мкА {j =1 9 В» К=1 7 ()вм= пературная погрешность в этом случае составляет 6,57.

Температурная погрешность прототи-. па при .1„=20 С; 0 =1,4В и 4 =10 С

$„=5,1В составляет 0,87 град, т.е. изменении температуры от 0 до 50 С наибольшая погрешность составляет

40Х, в то время как при реализации предлагаемого способа в указанном интервале температурная погрешность не превышает 107..

Кроме того, предлагаемый способ при соответствующей обработке сигналов позволяет реализовать комбинированное устройство, изменяющее одновременно ускорение и температуру.

В качестве базового объекта выбран, индуктивный акселерометр МВ-26В, используемый в аппаратуре контроля виброускорений ИВ-300. Преимуществом устройства для реализации предлагаемого способа является то, что в качестве линий передачи информации используются волоконные световоды, а в базовом объекте — металлические провода (медные), что позволяет снизить массу линий передачи информации.

1167506

Фиг.2

1167506

U д о О

Сос тавитель Т. Н. Макарова

Редактор И.Рыбченко Техред O.Неце Корректор, М.Пожо

Заказ 4427/42 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä, ул.Проектная, 4