Способ определения момента тяжения компенсационного акселерометра с гибкой обратной связью

 

Изобретение относится к технике измерения малых моментов и предназначено для увеличения точности измерения начальной величины паразитного момента (начального момента) акселерометра с электрической силовой обратной связью. Сущность: определение момента тяжения компенсационного акселерометра с гибкой обратной связью осуществляют путем поворота его оси чувствительности на 180°, предварительно наклоняя ось чувствительности относительно плоскости горизонта на угол, превышающий порог чувствительности акселерометра. Технический результат: ослабление влияния момента трения на результат измерений. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технике измерения малых моментов и предназначено для увеличения точности измерения начальной величины паразитного момента (начального момента) акселерометров с электрической силовой обратной связью.

Маятниковые или линейные акселерометры с электрической силовой обратной связью являются одним из наиболее распространенных типов акселерометров, нашедших широкое применение в системах инерциальной навигации.

Одним из основных источников погрешности маятниковых акселерометров этого типа является начальная величина паразитного момента М _нач (или силы F_нач - для линейного акселерометра). Дальнейшие рассуждения ведутся для маятникового акселерометра, однако все они справедливы и для линейного. Начальная величина паразитного момента представляет собой момент, приложенный к подвижной части акселерометра по оси чувствительности при таком положении подвижной части, когда выходной электрический сигнал равен нулю, а также равны нулю все внешние моменты.

Известно несколько способов измерения начального момента (Thomas Evans, Terformance Characteristics and Methods of Testing of Force Feedback Accelerometers, Aeronantical Rescack Council Reports and Memorancla N3601, Ministery of Technology, 1967 г.).

Их общим недостатком является существенное влияние на точность измерения М _нач момента трения в опорах прибора. Покажем это. Обычно основным элементом определения этого момента является его измерение при двух положениях: при прямом и перевернутом точно на 180° положении оси, перпендикулярной оси чувствительности акселерометра. Для маятникового акселерометра - это ось вращения подвижной части. Для этих случаев, как следует из фиг.1, можно записать уравнение моментов, действующих по оси чувствительности при условии точного поворота оси вращения на 180° и вертикальности ее в перпендикулярной плоскости.

где М_нач - начальная величина паразитного момента;

М_ψ=mlogsinψ - момент от невертикальности оси вращения маятника по оси чувствительности;

M_трi - момент трения в опорах прибора.

Складывая уравнения (1) и (2), получаем уравнение для определения М_нач

Поскольку величины М_нач и М_тр для современных акселерометров (не только сухих, но и жидкостных) довольно близки, то из уравнения (3) видно, что момент трения в опорах может составить довольно существенную часть погрешности измерения М_нач .

Структурная блок-схема, в которой обычно производится измерение основных точностных параметров акселерометров, приведена на фиг.2. Выходным сигналом может быть и U_вых (как правило, режим гибкой обратной связи) и I _ос (как правило, режим жесткой обратной связи) в зависимости от режима использования акселерометра.

Для названной схемы

Параметры системы выбираются так, чтобы в рабочем диапазоне частот удовлетворялось условие:

Тогда из (4) и (5) следует

или по отношению к моменту, действующему по оси чувствительности,

где К_эм - электромеханический коэффициент датчика момента акселерометра.

Таким образом, измерение момента, действующего на подвижную часть акселерометра, возможно либо в эквивалентном токе (формула (7'), режим жесткой обратной связи, обмотка датчика момента через делитель или непосредственно включена на выход усилителя), либо в эквивалентном напряжении (формула (7), режим движения подвижной части при ступенчатом возмущении определяется видом оператора К_ос (р)).

При измерении М_нач по схеме с гибкой обратной связью, т.е. при включении в цепь обратной связи последовательно с обмоткой датчика момента акселерометра емкости С_ос (см. фиг.2) К _ос(р)≈рС_ос, из уравнений (4) и (7) можно получить выражение для определения момента М, действующего на подвижную часть акселерометра, с точностью до малых второго порядка, и, переходя сразу от изображений к оригиналам, для ступенчатого возмущения и для нулевых начальных условий записать:

где Δ - относительное демпфирование акселерометра за счет собственного коэффициента затухания 2β:

t - время измерения U_вых с момента перехода с режима жесткой обратной связи на режим гибкой обратной связи.

При выводе формулы (8) апериодическое звено заменено чисто интегрирующим. При этом методическая погрешность составляет

где - постоянная времени устройства;

С _о - крутизна упругого паразитного момента на оси подвижной части акселерометра.

Легко добиться выбором параметров схемы (К_ус, С_ос), чтобы удовлетворялось условие δ_м≤0,005.

Из формул (1)-(3) и (8) можно записать

где

U₁, U₂ - выходное напряжение схемы за время t при прямом и перевернутом на 180° положении акселерометра;

Очевидно, что при данной методике измерения подвижная часть акселерометра перемещается со скоростью, определяемой величиной М.

Целью изобретения является повышение точности измерения начального момента акселерометра при использовании описанного выше способа за счет уменьшения погрешности, вызываемой трением в опорах прибора. Согласно предложенному способу производят измерение начального момента от вертикального положения акселерометра; определяют по полуразности напряжений U₁ и U₂ необходимый угол наклона по вертикали ψ_o такой, чтобы знаки выходных напряжений U₁ и U₂ в прямом и перевернутом на 180° положении оси чувствительности акселерометра были различными, отклоняют ось чувствительности на упомянутый угол и производят повторное измерение начального момента. Скорость подвижной части акселерометра при данном способе измерения М _нач пропорциональна U_вых. Следовательно, скорости подвижной части прибора при измерении М ₀ и М₁₈₀ имеют разные знаки (различны знаки U₁ и U₂). Момент трения всегда направлен против скорости движения, т.е. знаки моментов трения в уравнениях (1) и (2) будут различны. Следовательно, величина ΔМ_тр, как правило, будет меньше, чем в случае измерения с произвольными и неконтролируемыми знаками U₁ и U₂.

Изложенная сущность изобретения поясняется фиг.1 и следующими преобразованиями уравнений (1) и (2):

Складывая уравнения (13), (14) и принимая во внимание уравнение (8) и указание о знаках U₁ и U₂, получаем в уравнении (10) величину составляющей погрешности от трения в опорах

Из уравнений (12) и (15) следует, что в случае M_тр0=M_тр180 ΔМ_тр=0, т.е. погрешность от трения в опорах существенно уменьшилась для всех случаев, кроме единственного, когда момент трения в одном из положений акселерометра существенно больше, чем в другом положении. В этом случае погрешности от M_тр одинаковы для обоих способов измерения.

Следует отметить, что данный способ уменьшения погрешности измерения М_нач от трения в опорах не может быть реализован при измерении М_нач на жесткой обратной связи, поскольку в этом случае неопределенен знак скорости подхода подвижной части акселерометра к установившемуся положению, соответствующему моменту М.

Формула изобретения

Способ определения момента тяжения компенсационного акселерометра с гибкой обратной связью путем поворота его оси чувствительности на 180°, отличающийся тем, что, с целью ослабления влияния момента трения на результат измерений, предварительно наклоняют ось чувствительности относительно плоскости горизонта на угол, превышающий порог чувствительности акселерометра.

РИСУНКИ