Способ градуировки пъезоэлектрического акселерометра на низких частотах и устройство для его осуществления



Способ градуировки пъезоэлектрического акселерометра на низких частотах и устройство для его осуществления
Способ градуировки пъезоэлектрического акселерометра на низких частотах и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2519833:

Общество с ограниченной ответственностью "ГлобалТест" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам и устройствам для определения чувствительности пьезоэлектрических акселерометров на низких частотах. Сущность способа градуировки пьезоэлектрического акселерометра на низких частотах заключается в том, что акселерометр поворачивают в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы и измеряют с помощью измерительной цепи выходное напряжение акселерометра, при этом предварительно устанавливают на поворотную платформу акселерометр с его осью чувствительности в вертикальной плоскости под любым углом к горизонтальной оси, совмещают центр масс инерционного элемента акселерометра с осью вращении, меняя частоту вращения, поворачивают акселерометр на угол более 360° на каждой частоте, определяют максимальные значения выходных сигналов на каждой из частот, по которым определяют коэффициенты преобразования для построения амплитудно-частотной характеристики акселерометра в области низких частот. Поворотная установка содержит основание, на котором установлена посредством опор вращения платформа, которая состоит из вала и насадки, имеющей горизонтальную площадку для крепления испытуемого акселерометра, при этом насадка установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси вала, на торцевых поверхностях вала нанесена координатная сетка для фиксации их взаимного положения в плоскости сопряжения. Технический результат: уменьшение погрешности калибровки, вызванной действием центробежных сил. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам и устройствам для определения чувствительности пьезоэлектрических акселерометров на низких частотах.

Диапазон частот виброускорений, составляющий доли, единицы герц, весьма информативен для оценки технического состояния промышленных объектов, анализа сейсмических процессов и других видов механических возмущений. Изменение чувствительности средств измерений в указанном диапазоне частот (амплитудно-частотная характеристика акселерометра) влияет в итоге на точность измерения ускорения, поэтому необходимо для каждого акселерометра ее определять с целью получения фактических значений чувствительности.

Известны способ и устройства градуировки акселерометров в вибрационном режиме с использованием электродинамических вибростендов. Например, калибратор типа 4294 фирмы Брюль и Къер (Дания) воспроизводит на фиксированной частоте 159,2 Гц колебательное ускорение величиной 1g с погрешностью ±3%. Вибростенд для калибровки типа 4290 той же фирмы воспроизводит колебательное ускорение величиной 0.1g в диапазоне частот 200 Гц - 20 кГц с погрешностью ±11% [Bruel & Kjer, Product Catalogue June 2004]. Недостатком данного способа является невозможность обеспечения градуировки акселерометров на низких частотах и значительная погрешность воспроизведения единицы ускорения.

Известны также способ и устройство калибровки, реализованные в калибровочном стенде APS 113-АВ фирмы SPEKTRA (Германия) с линейным перемещением платформы, на которой закрепляется акселерометр. Стенд обеспечивает параметры колебательных смещений: частота 0,2 Гц, ускорение 0.013 g, размах смещения - 0,158 м. Соответственно, для частоты 1 Гц - ускорение 0.32 g, размах - 0,158 м [APS Dynamics, Products & Services, 2008].

Недостатком данного способа градуировки является низкий уровень воспроизводимого стендом ускорения - сотые доли «g», большой размах колебаний стола, что вносит дополнительную погрешность в градуировку из-за паразитного сигнала с пьезоакселерометра вследствие пироэффекта, возникающего вследствие трения о воздух градуируемого акселерометра.

В установках с линейным перемещением платформы проявление пироэффекта в пьезоэлементах от трения акселерометра о воздух можно характеризовать (согласно теории пограничных слоев) квадратичной зависимостью от скорости смещения.

Для колебательного движения известна зависимость:

V = 2 π f S                                                                                             (1)

где: V - скорость смещения (м/с);

f - частота (Гц);

S - амплитуда смещения (м).

Тогда электрический заряд от пироэффекта на электродах пьезоэлемента будет иметь следующую пропорциональность:

Q ~ A ( 2 π f S ) 2                                                                                    (2)

где: Q - электрический заряд (Кл);

f - частота (Гц);

S - амплитуда смещения (м);

А - коэффициент пирочувствительности.

Из (2) видно, что при прочих равных условиях, паразитный электрический заряд, наводимый от проявления пироэффекта, будет пропорционален квадрату амплитуды смещения.

Согласно (2) пироэлектрический заряд при калибровке на установках с линейным перемещением платформы для f=1 Гц и S=0,079 м составит величину Q~0,25A.

Известен способ градуировки пьезоэлектрических акселерометров путем поворота в гравитационном поле земли и устройство для его осуществления (см. АС №1295344 от 14.01.85, опубликованное в БИ №9 от 07.03.87). Способ заключается в том, что акселерометр поворачивают в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы из горизонтального положения его оси чувствительности на заданный угол относительно плоскости горизонта и измеряют с помощью измерительной цепи изменение выходного напряжения пьезоакселерометра на добавочной электрической емкости, подсоединенной к его выходу. Предварительно замыкают накоротко выход акселерометра, с началом поворота размыкают его, и подсоединяют к измерительной цепи, а приращение выходного напряжения акселерометра измеряют за время поворота на заданный угол, меньшее постоянной времени измерительной цепи. В этом способе отсутствует устройство воспроизведения единицы ускорения и, как следствие, дополнительная погрешность. Абсолютное значение ускорения свободного падения (≈9,8 м/с2) в привязке к конкретной географической точке Земли известно с очень большой точностью, поэтому погрешность градуировки будет формироваться только средствами измерения электрических величин.

Вышеуказанные способ и устройство являются наиболее близкими по технической сущности к заявляемому способу и устройству, и поэтому выбраны в качестве прототипа.

Недостатками вышеуказанного способа и устройства являются:

- чувствительность градуируемого акселерометра к центробежным силам при вращении;

- невозможность определения чувствительности акселерометра в диапазоне низких частот.

Уровень влияния центробежных сил по вышеуказанному способу можно оценить из известной зависимости:

α = ( 2 π f ) 2 L                                                                                            (3)

где: α - ускорение (м/с2);

f- частота вращения (Гц);

L - плечо от оси вращения до центра масс инерционного элемента акселерометра (м).

Даже при весьма незначительных габаритных параметрах акселерометра и размерах поворотной платформы, реализующих L≈0,05 м, согласно (3), для частоты f=0,5 Гц, на пьезоэлемент акселерометра будет действовать сила, соответствующая ускорению α≈0,5 м/с2, а для частоты f=1 Гц - ускорению α≈2 м/с2, что вносит погрешность по отношению к ускорению свободного падения соответственно 5% и 20%, переносимую соответственно в расчет чувствительности акселерометра.

Решаемой технической задачей является создание более точного способа градуировки пьезоэлектрического акселерометра в поле ускорения свободного падения на низких частотах и устройство для его осуществления.

Достигаемым техническим результатом является уменьшение погрешности калибровки, вызванной действием центробежных сил.

Для достижения технического результата, в способе градуировки пьезоэлектрических акселерометров на низких частотах, заключающемся в том, что акселерометр поворачивают в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы и измеряют с помощью измерительной цепи выходное напряжение акселерометра, новым является то, что предварительно устанавливают на поворотную платформу акселерометр с его осью чувствительности в вертикальной плоскости под любым углом к горизонтальной оси, совмещают центр масс инерционного элемента акселерометра с осью вращения, меняя частоту вращения, поворачивают акселерометр на угол более 360° на каждой частоте, определяют максимальные значения выходных сигналов на каждой из частот, по которым определяют коэффициенты преобразования для построения амплитудно-частотной характеристики акселерометра в области низких частот.

Для достижения технического результата в поворотной установке, содержащей основание, на котором установлена посредством опор вращения платформа, новым является то, что платформа состоит из вала и насадки, которая имеет горизонтальную площадку для крепления испытуемого акселерометра, при этом насадка установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси вала, на торцевой поверхности вала нанесена координатная сетка для фиксации их взаимного положения в плоскости сопряжения.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом способе и устройстве позволяет повысить точность градуировки акселерометра за счет уменьшения погрешности калибровки, вызванной действиями центробежных сил, и практически снять ограничения по реализации минимальной частоты градуировки.

Способ реализуется устройством, представленным на фигуре 1.

На фигуре 2 представлена типовая амплитудно-частотная характеристика акселерометра, на которой выделена область низких частот, в которой реализован данный способ.

Поворотная установка содержит основание 1, на котором установлена посредством опор вращения 2 платформа 3, которая состоит из вала 4 и насадки 5, имеющей горизонтальную площадку 6 для крепления испытуемого акселерометра 7, при этом насадка 5 установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси вала, на торцевой поверхности вала нанесена координатная сетка 8 для фиксации их взаимного положения в плоскости сопряжения.

Соединение насадки с валом со стороны плоской ее части выполнено с возможностью их относительного смещения (например, при помощи магнита 9), что позволяет перемещать закрепленный на горизонтальной площадке насадки акселерометр и совмещать центр масс инерционного элемента 10 акселерометра с осью вращения вала 11. Тем самым реализуется нечувствительность акселерометра к действию центробежных сил и повышение точности градуировки. Способ реализуется следующим образом.

Способ градуировки пьезоэлектрического акселерометра в гравитационном поле Земли на низких частотах заключается в том, что акселерометр закрепляют на горизонтальной площадке насадки, совмещают центр масс инерционного элемента 10 пьезоэлектрического акселерометра с осью 11 вращения платформы 3, после чего непрерывно поворачивают вал и акселерометр 7 на угол более 360 градусов на каждой необходимой частоте, определяют максимальные значения выходных сигналов на каждой из частот, по которым определяют коэффициенты преобразования для построения амплитудно-частотной характеристики акселерометра в области низких частот.

Оценку возможного влияния пироэффекта в предлагаемом способе от поворота акселерометра в гравитационном поле Земли можно выполнить, использую известную зависимость

V = 2 π f S                                                                                              (4)

где: V - линейная скорость вращения по окружности (м/с);

f - частота (Гц);

R - радиус вращения (м).

Для акселерометра с размером по высоте ≈3 см радиус R наиболее удаленной части конструкции составит ≈1,5 см, тогда, согласно (2) и (4) для f=1 Гц:

Q ~ A ( 2 π f R ) 2 0 ,0088A                                                                               (5 )

Можно видеть, что для одной и той же частоты (f=1 Гц) генерируемый электрический заряд при повороте акселерометра в гравитационном поле земли при совмещении с осью вращения центра масс инерционного элемента, по сравнению с установками с линейным перемещением платформы (Q~0,25A), меньше почти в 20 раз.

Предлагаемый способ градуировки пьезоэлектрических акселерометров и устройство для его осуществления на низких частотах позволяет уменьшить погрешность калибровки, вызванную действиями центробежных сил, а также обеспечить, меняя частоту вращения, определение амплитудно-частотной характеристики.

В сравнении со способом, реализованном в калибровочном стенде APS 113-АВ фирмы Spektra, заявляемый способ, позволяет практически снять ограничения по минимальной частоте определения АЧХ, а также исключить дополнительную погрешность от воспроизведения задаваемой величины ускорения.

Был изготовлен опытный образец, который подтвердил практическое осуществление заявленного способа и устройства.

1. Способ градуировки пьезоэлектрического акселерометра на низких частотах, заключающийся в том, что акселерометр поворачивают в гравитационном поле Земли с помощью поворотной платформы и измеряют с помощью измерительной цепи выходное напряжение акселерометра, отличающийся тем, что предварительно устанавливают на поворотную платформу акселерометр с его осью чувствительности в вертикальной плоскости под любым углом к горизонтальной оси, совмещают центр масс инерционного элемента акселерометра с осью вращении, меняя частоту вращения, поворачивают акселерометр на угол более 360° на каждой частоте, определяют максимальные значения выходных сигналов на каждой из частот, по которым определяют коэффициенты преобразования для построения амплитудно-частотной характеристики акселерометра в области низких частот.

2. Поворотная установка, содержащая основание, на котором установлена посредством опор вращения платформа, отличающаяся тем, что платформа состоит из вала и насадки, имеющей горизонтальную площадку для крепления испытуемого акселерометра, при этом насадка установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси вала, на торцевых поверхностях вала нанесена координатная сетка для фиксации их взаимного положения в плоскости сопряжения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к коррекции систематических ошибок в сенсорном устройстве. Сущность изобретения заключается в том, что производится коррекция систематической ошибки сенсорного устройства, имеющего множества акселерометров, сконфигурированных для измерения ускорения силы тяжести.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для установки и предварительной оценки заявленных технических характеристик приборов для измерения угловой скорости и углового положения.

Изобретение относится к области приборостроения бесплатформенных инерциальных систем ориентации и навигации летательных аппаратов, морских и наземных подвижных объектов, внутритрубных инспектирующих снарядов магистральных трубопроводов и других подвижных объектов.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для калибровки термоанемометрических датчиков скорости потока жидкости и может быть использовано для повышения информативности геофизических исследований скважин, проводимых с применением термоанемометрических датчиков.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может применяться для поверки класса измерителей скорости (ИС) движения транспортных средств (ТС), использующих видеокамеру.

Изобретение относится к способу и устройству для возбуждения волн в стержнях с целью калибровки датчиков ускорения и датчиков силы, в частности, с большими амплитудами.

Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости (ДУС), в частности к производству и технологии балансировки пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента ДУС.

Изобретение относится к способу калибровки масштабного коэффициента осесимметричного вибрационного гиродатчика угловой скорости, работающего при подаче сигнала (СА) управления амплитудой и сигнала (СР) управления прецессией на вибратор (1), совершающий колебания с заданной частотой.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения нелинейности выходной характеристики акселерометров. .

Изобретение относится к измерительной технике и технике воздухоплавания, а именно к измерителям параметров полета летательного аппарата (ЛА), и может быть использовано в летных испытаниях летательного аппарата для определения действительных значений воздушных параметров и оценки средств определения воздушных параметров ЛА.

Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для испытаний и градуировок акселерометрических датчиков и другой навигационной аппаратуры, определяющей параметры движения различных по назначению объектов. Центрифуга содержит платформу в виде консольной балки с площадкой для изделия на свободном конце, смонтированной другим концом на вращаемом шпинделе. Консольная балка выполнена телескопической. Подвижная часть консольной балки, несущая площадку, связана с другой частью посредством гибкой связи. Достигается разделение радиальных и поперечных нагрузок, воспринимаемых платформой, между двумя ее элементами: гибкой связью и телескопической балкой. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к струнным акселерометрам для автономного определения параметров движения летательных аппаратов и может быть использовано при производстве струнных акселерометров. Сущность изобретения достигается тем, что способ настройки струнного акселерометра, содержащего струну прямоугольного сечения и консольно-закрепленный пластинчатый подвес с грузом, включающий закрепление концов струны между двух плоскостей, предварительно механически обработанных в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек и вдоль струны, и отличается тем, что струну выставляют по оси симметрии подвеса перпендикулярно его плоскости, закрепляют последовательно концы струны на грузе и корпусе при совмещении поверхностей крепления в одну плоскость, сравнивают частоту автоколебаний струны с заданной и при необходимости корректируют длину струны, исходя из выражения: Δ l = ( f − f 0 ) f   l l 2 y + 1 , где Δl - изменение длины струны; f и f0 - фактическая и заданная частота колебаний струны; l и y - длина струны и прогиб подвеса при расположении струны в одной плоскости, при этом вновь механически обрабатывают поверхности крепления до расположения их в одной плоскости, причем длину струны уменьшают, если частота меньше заданной, и увеличивают, если больше, затем прикладывают к грузу в месте крепления струны усилие, плавно изменяющее натяжение струны в рабочем диапазоне частот, и оценивают изменение амплитуды сигнала со струны, добиваясь точной установкой струны попадания частоты и амплитуды сигнала в заданный допуск, после чего проводят термомеханическое старение акселерометра. Изобретение позволяет сократить длительность стабилизации параметров, время сборки и увеличить выход годных струнных акселерометров при изготовлении. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения динамических характеристик датчиков угловой скорости в условиях воздействия на них статических ускорений. Способ основан на использовании двойной центрифуги с независимыми приводами двух платформ - ротора и установленного на нем поворотного стола. Исследуемый датчик угловой скорости устанавливается на поворотный стол таким образом, что ось вращения малого стола совпадает с осью чувствительности датчика угловой скорости. При задании скорости вращения ротора для обеспечения воздействия статического ускорения и скорости вращения поворотного стола, изменяющейся по гармоническому закону, в направлении, противоположном направлению вращения ротора центрифуги, на исследуемый датчик угловых скоростей будет поступать модулированный сигнал угловой скорости заданной частоты. Определение амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик датчика производится путем последовательного изменения частоты задаваемой гармонической угловой скорости, а также сравнения сигналов на входе и выходе исследуемого датчика. Технический результат заключается в возможности оценки динамических характеристик датчиков угловой скорости при воздействии на них статических ускорений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров кварцевых маятниковых акселерометров. Согласно заявленному способу в одну из точек замкнутого контура акселерометра подают синусоидальные, калиброванные сигналы Uг. Для всего требуемого диапазона частот и амплитуд сигналов Uг измеряют выходной сигнал смещения Uсм и выходной сигнал Uвых устройства обратной связи и по отношению их амплитуд к амплитуде сигнала Uг определяют динамические характеристики акселерометра. По первому варианту подают сигнал Uг в датчик силы либо через эталонную нагрузку, либо через дополнительный вход усилителя мощности цифрового устройства обратной связи, соединяя свободный вывод эталонной нагрузки с общей шиной, а сигналы Uсм и Uвых измеряют соответственно со стороны выходов следующих элементов цифрового устройства обратной связи: усилителя-преобразователя и интегро-дифференциирующего усилителя. По второму варианту подают сигнал Uг в датчик силы через эталонную нагрузку, а сигнал Uвых измеряют со стороны выхода интегро-дифференциирующего усилителя устройства обратной связи и подают на активный фильтр, с выхода которого измеряют выходной сигнал U в ы х * . Сигнал Uсм измеряют со стороны выхода усилителя-преобразователя устройства обратной связи. Технический результат - повышение точности измерения динамических характеристик акселерометра. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, и может быть использовано для определения параметров кварцевых маятниковых акселерометров. Согласно способу акселерометр располагают в первом положении на подвижном основании, при котором ось чувствительности пластины акселерометра лежит в плоскости горизонта перпендикулярно горизонтальной оси вращения основания, при этом подают калиброванные по уровню и знаку электрические сигналы Uсм на первый вход устройства обратной связи, для каждого сигнала Uсм измеряют сигнал Uвых на выходе и сигнал U с м ∗ смещения на втором входе устройства обратной связи и определяют зависимость Uвых от U с м ∗ , (статическую характеристику акселерометра «выходной сигнал» - «сигнал смещения»), поворачивают основание на малый угол и повторяют указанные действия, затем вычисляют параметры акселерометра. Техническим результатом является возможность прогнозирования стабильности положения оси чувствительности при смещении центра масс чувствительного элемента из-за дрейфа нуля со стороны входа устройства обратной связи, а также уровня выходного сигнала акселерометра в отсутствие ускорения силы тяжести. 4 ил.

Изобретение относится к области пьезотехники, а конкретно к измерению параметров пьезоэлектрических акселерометров, вибродатчиков, сейсмодатчиков и других устройств, реагирующих на ускорение (вибрацию). Измерительный стенд для определения коэффициента преобразования пьезокерамических акселерометров состоит из рабочей поверхности с размещенными на ней калибруемым и калибровочным акселерометрами и источника основного внешнего воздействия - заданных ее вибраций, а также из контрольно-измерительного рабочего места, размещенного на остальной его части, для определения отношения коэффициентов преобразования калибруемого и калибровочного акселерометров, при этом калибруемый и калибровочный акселерометры размещены в рабочем объеме камеры дополнительных внешних воздействий, размещенной на рабочей поверхности стенда, а в качестве калибровочного акселерометра использован акселерометр с известной зависимостью коэффициента преобразования от дополнительных внешних воздействий. Технический результат - расширение функциональных возможностей стенда. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения погрешностей инерциальных измерительных приборов, в частности лазерных гироскопов и маятниковых акселерометров, при стендовых испытаниях на ударные и вибрационные воздействия. Технический результат - повышение точности. Для этого измерение показаний инерциальных измерительных приборов производят в три этапа с одинаковой продолжительностью по времени при различной для каждого из этапов пространственной ориентации инерциальных измерительных приборов, причем на первом этапе производят измерение показаний инерциальных измерительных приборов для определения начальной ориентации и интегрирования уравнения навигации, на втором этапе производят измерение показаний инерциальных измерительных приборов для интегрирования уравнений навигации, когда инерциальные измерительные приборы подвергают ударным и/или вибрационным воздействиям, а на третьем этапе производят измерение показаний инерциальных измерительных приборов для начальной ориентации и интегрирования уравнения навигации после ударных и/или вибрационных воздействий. 10 ил.

Изобретение относится к калибровке датчика ускорения. Способ калибровки датчика ускорения для определения показателей ускорения транспортного средства содержит этап определения характеристической постоянной для датчика ускорения. При этом устанавливают путем сравнения первого уровня топлива и второго уровня топлива, состоялась ли заправка транспортного средства. Во время заправки определяют упомянутую постоянную, которая служит в качестве нулевого уровня для датчика ускорения. Устройство калибровки датчика ускорения, определяющее характеристическую постоянную для датчика ускорения, содержит средство установления, состоялась ли заправка транспортного средства и средство определения упомянутой постоянной во время заправки. Моторное транспортное средство оснащено упомянутым устройством. Достигается оптимизация калибровки. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство (12) определения ускорения содержит блок (21) корректировки нулевой точки для корректировки положения нулевой точки значения сигнала (Gsen) датчика, используя величину корректировки (абсолютное значение для значения (Gd) корректировки) на основе ускорения (Gout), когда транспортное средство переходит от остановленного состояния на наклонной дороге к состоянию движения, и блок (20) ограничения величины корректировки для ограничения величины корректировки, тем самым пресекая вычисление избыточной величины корректировки вследствие неровностей поверхности дороги или перемещения пассажира. Достигается улучшение точности корректировки, ограничение величины корректировки или установление предела корректировки. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований и касается устройства контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей. Устройство включает в себя излучающий элемент, исследуемый сейсмоакустический преобразователь, опорное зеркало, оптический фотоприемник, оптически квантовый генератор и оптическую призму с полупрозрачным зеркалом, расположенным под углом 45° к основанию. Призма расположена между излучающим элементом и исследуемым сейсмоакустическим преобразователем. В качестве излучающего и контролирующего элементов используется пьезокерамическое кольцо, концентрично с которым установлен оптический фотоприемник. Опорное зеркало и оптический фотоприемник акустически развязаны с излучающим элементом и призмой. Технический результат заключается в повышении чувствительности и упрощении конструкции устройства. 1 ил.
Наверх