Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2625092:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)" (РГУФКСМиТ) (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана заключается в том, что подсчитывается количество шагов N, сделанных одной ногой спортсмена на движущейся со скоростью ν (м/с) в противоположную сторону бега спортсмена дорожке тредбана, за отсчитанный секундомером отрезок времени t, чтобы удержаться на начальной точке отсчета, по замеренным параметрам которых рассчитывается частота передвижения ноги ω в единицу времени:
где
ω - частота передвижения ног (рад/сек);
N - количество шагов, сделанных ногой за отрезок времени t;
t - время, затраченное спортсменом на прохождение N шагов, при этом перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливается датчик ускорения, сигнал которого поступает на вход спектроанализатора с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной угловой частотой ω, к выходу которого подключен цифровой вольтметр, показание которого «u» будет соответствовать величине ускорения датчика на угловой частоте ω, рассчитанной по формуле:
где
ν - скорость движения дорожки тредбана (м/сек);
а - ускорение датчика на частоте ω (в ед. «g»),
отношение которых дает значение коэффициента преобразования датчика на частоте ω:
Технический результат – повышение точности измерения частоты колебания ускорения (в данном случае ног). 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот.
В настоящее время подобная задача решается с помощью вибростенда. Испытуемый датчик крепится к вибростолу, который возбуждается гармоническим колебанием, исходящим от генератора стандартных сигналов (ГСС) определенной частоты. Испытуемый датчик преобразует калиброванные по амплитуде механические колебания вибростола в электрические, которые регистрируются вольтметром. Экспериментатор сразу получает искомую величину - коэффициент преобразования датчика с размерностью мВ/g (милливольт на единицу земного ускорения g=9,8 м/с2) на определенной частоте.
Недостаток этого способа - невысокая точность калибровки из-за больших нелинейных искажений колебаний вибростола на частотах ниже 20 герц, в диапазоне которых в основном и происходят двигательные действия спортсмена (бег, прыжки и т.д.). Измерения коэффициента преобразования датчика ускорения можно проводить еще и методом отскока металлического стержня с закрепленным на верхней его плоскости датчиком ускорения, поднятого на высоту Н, и при отпускании которого он совершает свободное падение до удара об упругий массив с частотой отскока ω, рассчитываемой по формуле:
, где
ω - угловая частота отскока;
λ - рабочий ход упругого массива (мм) при ударе о него металлического стержня.
В этом случае расчетная величина ускорения стержня, на котором закреплен испытуемый датчик, будет определяться формулой:
, где
а - расчетное значение ускорения стержня, падающего с высоты Н на упругий массив с угловой частотой отскока ω;
- скорость, приобретаемая стержнем, падающим с высоты Н при достижении поверхности соударения; при этом датчик вырабатывает сигнал ускорения «u», по отношению параметров обоих вычисляется его коэффициент преобразования:
, где
- коэффициент преобразования датчика (мВ/g).
Недостаток этого способа - большая погрешность в определении частоты отскока ω стержня. Повышение точности определения этого параметра требует установки в спектроанализатор полосовых фильтров с большим затуханием - порядка 40-45 децибел/октаву, что значительно усложняет схему измерительного устройства. В обоих случаях проблемным измеряемым параметром, влияющим на точность определения коэффициента преобразования датчика ускорения, является частота изменения колебаний ускорений.
Задача изобретения - повышение точности измерения частоты колебания ускорения (в данном случае ног).
Поставленная задача решается путем использования тредбана, заключающаяся в том, что подсчитывается количество шагов N, пробегаемых спортсменом на движущейся со скоростью (м/с) в противоположную сторону бега спортсмена дорожке за отсчитанные секундомером отрезок времени t, при этом не меняющего своей начальной точки отсчета, по замеренным параметрам которых определяется частота ног ω (рад/сек) в единицу времени:
, где
ω - частота ног (1/сек);
N - количество шагов;
t - время, затрачиваемое спортсменом на прохождение N шагов,
способ отличается тем, что перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливается датчик ускорения, сигнал которого поступает на вход спектранализатора с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной частотой ω, к выходу которого подключен цифровой вольтметр, показания которого «u» (вольт) будут соответствовать величине ускорения датчика на частоте ω, рассчитанной по формуле:
, где
- скорость движения дорожки тредбана (м/сек);
а - ускорение датчика на угловой частоте ω в единицах земного ускорения, отношение которого дает значение коэффициента преобразования датчика на частоте ω:
На фиг. 1 приведена схема, реализующая способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана. Спортсмен Д. бежит по бегущей дорожке 1 с фиксированной скоростью. Спидометр 2 определяет скорость движения этой дорожки. Перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливают датчик ускорения 3, сигнал которого поступает на вход спектроанализатора 4 с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной угловой частотой ω 5, к выходу которого подключен цифровой вольтметр 6. Произведенные измерения позволяют определить коэффициент преобразования датчика на частоте ω (частоте передвижения ног спортсмена).
Данный способ позволяет, используя предлагаемое устройство, добиться увеличения точности измеряемого параметра (коэффициента преобразования датчика), не прибегая к помощи вибростола.
1. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана, заключающийся в том, что подсчитывается количество шагов N, сделанных одной ногой спортсмена на движущейся со скоростью ν (м/с) в противоположную сторону бега спортсмена дорожке тредбана, за отсчитанный секундомером отрезок времени t, чтобы удержаться на начальной точке отсчета, по замеренным параметрам которых рассчитывается частота передвижения ноги ω в единицу времени:
где
ω - частота передвижения ног (рад/сек);
N - количество шагов, сделанных ногой за отрезок времени t;
t - время, затраченное спортсменом на прохождение N шагов,
отличающийся тем, что перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливается датчик ускорения, сигнал которого поступает на вход спектроанализатора с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной угловой частотой ω, к выходу которого подключен цифровой вольтметр, показание которого «u» будет соответствовать величине ускорения датчика на угловой частоте ω, рассчитанной по формуле:
где
ν - скорость движения дорожки тредбана (м/сек);
а - ускорение датчика на частоте ω (в ед. «g»),
отношение которых дает значение коэффициента преобразования датчика 
на частоте ω:
2. Измерительное устройство для реализации способа по п. 1, состоящее из датчика ускорения, установленного на голеностопе одной из ног спортсмена, подключенного ко входу спектроанализатора с перестраиваемым полосовым фильтром с помощью сменяемых RC-цепочек, к выходу которого в качестве индикатора ускорения подключен цифровой вольтметр.
