Способ определения нестационарной силы и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2743778:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и позволяет определять нестационарные силы с помощью динамометров с высокой точностью в широком диапазоне частот как в инерциальной, так и в неинерциальной системах координат. Сущность: осуществляют приложение силы к динамометру и использование показаний динамометра и устройства измерения ускорения. Устройство измерения ускорения устанавливают на элементе соединения динамометра с основанием, а для определения искомой силы используют формулу, учитывающую суммарную массу элемента приложения силы динамометра и груза или модели, коэффициент жесткости динамометра, первую и вторую производные по времени показаний динамометра, коэффициент демпфирования динамометра, показания динамометра, ускорение элемента соединения динамометра с основанием, измеренное акселерометром, угол тангажа. Устройство состоит из устройства измерения ускорения, динамометра, включающего элемент соединения с основанием, элемента приложения силы, чувствительного элемента и тензорезисторов преобразования деформации чувствительного элемента в электрический сигнал. Устройство измерения ускорения прикреплено к элементу соединения динамометра с основанием в направлении работы динамометра. Технический результат: повышение точности определения динамической нагрузки и обеспечение определения нестационарных нагрузок в неинерциальной системе координат. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, связанной с определением нестационарных сил и моментов. Изобретение предназначено для определения нестационарных сил с помощью динамометров с высокой точностью.
Изобретение может применяться для определения нестационарных аэродинамических нагрузок, действующих на модели летательных аппаратов и их элементы в аэродинамических трубах; для определения массы грузов в движении (автомобильные и железнодорожные перевозки, упаковочные линии); для определения нагрузок при испытаниях изделий на удар о препятствие; для определения нагрузок, действующих на автомобильные шины на испытательных стендах.
Известны устройства для определения компонентов силы и момента, которые в общем случае называются динамометрами. К ним относятся датчики силы, датчики момента и тензометрические весы. Динамометр (см. В.В. Богданов, B.C. Волобуев. Многокомпонентные тензометрические весы. «Датчики и системы», 2004, №3, стр. 3), состоит из элемента соединения с основанием, элемента приложения силы, чувствительных элементов и тензо-резисторов преобразования деформации чувствительных элементов в электрические сигналы.
Известен способ определения силы с использованием показаний динамометра и его уравнений измерения (см. B.C. Волобуев, А.Р. Горбушин, И.А. Судакова, В.И. Тихомиров. Два способа калибровки тензометрических весов на калибровочных стендах ЦАГИ. Ученые записки ЦАГИ, том XLVIII, №2, 2017, стр. 62-70). Электрические сигналы компонент динамометра, измеренные с помощью вольтметров, подставляют в уравнения измерения и получают значения компонент силы в физических единицах. Описанные устройство и способ не позволяют определять нестационарную силу, приложенную к динамометру, и применимы только в случае, когда система координат динамометра является инерциальной.
Прототипами изобретения являются способ и устройство «Methods and systems for dynamic force measurement)) («Методы и системы для определения динамической силы», патент США №6,606,569, международный номер заявки на изобретение PCT/US00/19326 от 17.07.2000 и соответствующий номер международной публикации WO 01/06208 А1 от 25.01.2001). Нестационарную силу прикладывают к конструкции, которую прикрепляют к элементу приложения нагрузки (силы) динамометра. К элементу приложения нагрузки динамометра прикрепляют устройство измерения ускорения (акселерометр). Динамометр прикрепляют к неподвижному основанию с помощью элемента соединения динамометра с основанием. Для определения силы, приложенной к элементу приложения нагрузки динамометра, показания динамометра комбинируют с суммой произведения показаний акселерометра (устройство измерения ускорения) на массу конструкции, которая прикреплена к элементу приложения нагрузки динамометра. В качестве устройства для определения нестационарной силы используют устройство измерения ускорения, динамометр, состоящий из элемента соединения с основанием, элемента приложения силы, чувствительного элемента и тензорезисторов преобразования деформации чувствительного элемента в электрический сигнал.
Недостатками рассмотренного в прототипе способа являются:
1. Этот способ не позволяет определять нагрузки, когда устройство находится в неинерциальной системе координат, т.к. определение динамической силы осуществляют с помощью устройства, установленного на неподвижном основании, то есть находящегося в инерциальной системе координат.
2. Использование показаний дополнительных приборов (акселерометров) вносит дополнительные погрешности в определение динамической силы, т.к. поправку на инерционные силы, обусловленную колеблющимися массами, определяют интегрированием показаний акселерометров.
3. Способ, предложенный в этом изобретении, не учитывает массу элемента приложения силы динамометра, что снижает точность измерений.
Недостатком рассмотренного в прототипе устройства является то, что к элементу приложения нагрузки динамометра прикрепляют дополнительные элементы: акселерометр и электрические провода, соединяющие акселерометр с измерительной системой. Электрические провода обладают конечной жесткостью, что приводит к искажению результатов измерений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения динамической нагрузки и обеспечение определения нестационарных нагрузок в неинерциальной системе координат.
Технический результат достигается тем, что в способе определения нестационарной силы с использованием соединенного с основанием динамометра и устройства измерения ускорения, включающем приложение силы к динамометру и использование показаний динамометра и устройства измерения ускорения, устройство измерения ускорения устанавливают на элементе соединения динамометра с основанием, а для определения искомой силы используют формулу:
где Fx - искомая нестационарная сила;
Μ - суммарная масса элемента приложения силы динамометра и груза или модели;
kx - коэффициент жесткости динамометра;
- первая и вторая производные по времени показаний динамометра;
β - коэффициент демпфирования динамометра;
AF - показания динамометра;
- ускорение элемента соединения динамометра с основанием, измеренное акселерометром;
θ - угол тангажа;
g - ускорение свободного падения;
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для определения нестационарной силы, содержащем устройство измерения ускорения, динамометр, включающий элемент соединения с основанием, элемент приложения силы, чувствительный элемент и тензорезисторы преобразования деформации чувствительного элемента в электрический сигнал, устройство измерения ускорения прикреплено к элементу соединения динамометра с основанием в направлении работы динамометра.
В качестве устройства измерения ускорения может быть использован акселерометр.
Перечень фигур, иллюстрирующих предложенный способ и устройство:
На фиг. 1 показана схема устройства и действующие на динамометр силы.
На фиг. 2 показано устройство для определения нестационарной силы.
На фиг. 3 приведены результаты измерения динамометром приложенного к нему одного из канонических видов нестационарной нагрузки - ступенчатой силы.
На фиг. 4 приведены результаты вычисления приложенной к динамометру ступенчатой силы с использованием предложенного способа.
На схемах приняты следующие обозначения и условно показаны:
Μ1 масса модели летательного аппарата;
М2 масса элемента приложения силы динамометра;
Μ=Μ1+Μ2 сумма масс модели летательного аппарата и элемента приложения силы;
θ угол тангажа;
g ускорение свободного падения;
N ньютон;
t (s) время (с);
kx коэффициент жесткости чувствительного элемента динамометра;
x1 смещение элемента соединения с основанием динамометра вдоль оси ОХ;
x2 смещение элемента приложения силы динамометра вдоль оси ОХ;
AF, X продольная сила, измеренная динамометром;
Fx искомая нестационарная сила;
D сила демпфирования;
OXYZ система координат динамометра;
OXgYgZg нормальная система координат;
1 динамометр (шестикомпонентные тензометрические весы);
2 подвижное основание (поддерживающее устройство);
3 модель летательного аппарата;
4 трос;
5 подвижный блок;
6 груз;
7 горелка для пережигания троса 4;
8 элемент приложения силы;
9 акселерометр, установленный на элементе соединения динамометра с основанием;
10 устройство для крепления подвижного основания 2.
Способ определения нестационарной силы с использованием соединенного с основанием динамометра и устройства измерения ускорения, включающий приложение силы к динамометру и использование показаний динамометра и устройства измерения ускорения, устройство измерения ускорения устанавливают на элементе соединения динамометра с основанием, а для определения искомой силы используют формулу:
где Fx - искомая нестационарная сила;
Μ - суммарная масса элемента приложения силы динамометра и груза или модели.
kx - коэффициент жесткости динамометра;
- первая и вторая производные по времени показаний динамометра;
β - коэффициент демпфирования динамометра;
AF - показания динамометра;
- ускорение элемента соединения динамометра с основанием, измеренное акселерометром;
Способ определения нестационарной силы базируется на показаниях динамометра и акселерометра, установленного на элементе соединения динамометра с основанием. Коэффициенты жесткости kx и демпфирования β динамометра, необходимые для определения нестационарной силы, определяют или по результатам частотных испытаний динамометра на вибростенде, или по результатам свободных колебаний динамометра. Массы груза и элемента приложения силы динамометра определяют по показаниям динамометра при изменении угла тангажа динамометра.
Способ, на котором основано рассматриваемое изобретение, реализуется следующим образом:
1. К элементу приложения силы динамометра прикладывают искомую нестационарную силу Fx.
2. Массы элемента приложения силы динамометра М2 и груза (или модели летательного аппарата) М1 определяют по показаниям динамометра при изменении угла тангажа θ (Фиг. 1) по формуле: 
Более подробно этот метод изложен в статье: А.Р. Горбушин. Метод учета влияния веса модели и веса динамометра на показания тензометрических весов. Ученые записки ЦАГИ, т. XL, №4, 2009, с. 63-70.
2. Коэффициенты демпфирования β и жесткости kx динамометра определяют двумя способами.
a) Динамометр монтируют на вибростенд элементом соединения динамометра с основанием. На элемент соединения динамометра с основанием устанавливают устройство измерения ускорения, например, акселерометр. Вибростенд задает установившиеся колебания элемента соединения динамометра с основанием при различных значениях частоты. Коэффициенты β и kx определяют по показаниям динамометра и акселерометра с использованием следующих уравнений: 
где Δϕ - разность фаз колебаний элемента приложения силы динамометра относительно элемента соединения динамометра с основанием; ω - угловая частота колебаний элемента соединения динамометра с основанием, задаваемая вибростендом; ω0 - собственная угловая частота колебаний динамометра с прикрепленным к нему грузом; 
- амплитуда ускорения элемента соединения динамометра с основанием, измеренная акселерометром.
b) Элемент соединения динамометра с основанием прикрепляют к основанию. К элементу приложения силы прикладывают ступенчатую силу, которая вызывает свободные затухающие колебания динамометра. Коэффициент демпфирования β определяют по затуханию амплитуды показаний динамометра 
а коэффициент жесткости kx - из выражения 
где AFa - амплитуда показаний динамометра; AF0 -начальная амплитуда показаний динамометра; Τ - период колебаний; n - целое число; 
частота свободных колебаний.
3. Искомую нестационарную силу определяют по формуле:
где 
- первая и вторая производные по времени показаний динамометра.
Устройство, на котором основано рассматриваемое изобретение, реализуется следующим образом. Устройство для определения нестационарной силы содержит динамометр, включающий элемент соединения с основанием, элемент приложения силы, чувствительный элемент и тензорезисторы преобразования деформации чувствительного элемента в электрический сигнал, к элементу соединения динамометра с основанием прикреплено устройство измерения ускорения 
(акселерометр) элемента соединения с основанием в направлении работы динамометра (в направлении искомой нестационарной силы).
Достоинства предлагаемого способа определения нестационарной силы и устройства, его реализующего, состоят в следующем:
1. Способ позволяет определять нестационарную нагрузку с помощью динамометра во всем его рабочем диапазоне частот, включая собственную; верхний предел частотного диапазона для тензометрических весов составляет ~ 30 кГц.
2. Учитывается масса элемента приложения силы динамометра.
3. Обеспечивается определение динамической нагрузки с высокой точностью в инерциальной системе координат, поскольку в уравнении (1) используют только показания непосредственно динамометра.
4. Искомая произвольная нагрузка может быть определена в любой произвольный момент времени; требуются лишь результаты измерений в окрестности заданного момента времени для вычисления первой и второй производных по времени от нагрузки, измеренной динамометром.
5. Данный способ позволяет определять нагрузки, когда устройство находится в неинерциальной системе координат. Это обеспечивается акселерометром, установленным на элементе соединения динамометра с основанием.
Наличие перечисленных выше достоинств предлагаемого способа определения нестационарной силы и предлагаемого устройства повышает точность измерений и обеспечивает определение нестационарных нагрузок и в неинерциальной системе координат. Получено подтверждение результатами экспериментальных исследований.
1. Способ определения нестационарной силы с использованием соединенного с основанием динамометра и устройства измерения ускорения, включающий приложение силы к динамометру и использование показаний динамометра и устройства измерения ускорения, отличающийся тем, что устройство измерения ускорения устанавливают на элементе соединения динамометра с основанием, а для определения искомой силы используют формулу
где Fx - искомая нестационарная сила;
Μ - суммарная масса элемента приложения силы динамометра и груза или модели;
kx - коэффициент жесткости динамометра;
первая и вторая производные по времени показаний динамометра;
β - коэффициент демпфирования динамометра;
AF - показания динамометра;
- ускорение элемента соединения динамометра с основанием, измеренное акселерометром;
где θ - угол тангажа;
g - ускорение свободного падения.
2. Устройство для определения нестационарной силы, содержащее устройство измерения ускорения, динамометр, включающий элемент соединения с основанием, элемент приложения силы, чувствительный элемент и тензорезисторы преобразования деформации чувствительного элемента в электрический сигнал, отличающееся тем, что устройство измерения ускорения прикреплено к элементу соединения динамометра с основанием в направлении работы динамометра.
3. Устройство для определения нестационарной силы по п. 2, отличающееся тем, что в качестве устройства измерения ускорения используют акселерометр.
