Акселерометры Назначение Датчики предназначенные для измерения

Акселерометры

Назначение • Датчики, предназначенные для измерения линейных и угловых ускорений летательных аппаратов, называются акселерометрами • Акселерометры измеряют так называемое «кажущееся» ускорение в проекциях на определенные направления. • К акселерометрам относятся и устройства для измерения проекций кажущейся скорости летательного аппарата. • Кажущаяся скорость – это интеграл от кажущегося ускорения, поэтому такие акселерометры называются интегрирующими.

• По типу чувствительного элемента, используемого в акселерометрах, датчики делятся на гироскопические и негироскопические. • К акселерометрам относят также измерители ускорений линейных вибраций (вибродатчики, виброакселерометры).

• Существуют также конструкции акселерометров для визуального отсчета показаний. Такие акселерометры устанавливаются на некоторых типах быстроходных самолетов (например, на истребителях) для того, чтобы летчик мог судить о перегрузках, воз никающих в процессе выполнения эволюции, и не выходить за пределы, допускаемые прочностью самолета и физиологическими особенностями человеческого организма • Акселерометры являются основными элементами инерциальных систем навигации, предназначенных для определения скоростей и координат центра масс летательного аппарата посредством интегрирования ускорений, измеренных акселерометрами.

Пример акселерометра для визуального отсчета показаний

Пример акселерометра для визуального отсчета показаний

• Элементом, непосредственно воспринимающим ускорение (ЧЭ), является сейсмическая масса. У акселерометров негироскопического типа сейсмическая масса выполняется в виде твердого тела. У акселерометров гироскопического типа сейсмической массой служит сам гироскоп. • Для самолетных систем в основном применяются акселерометры с чувствительным элементом, выполненным в виде твердого тела.

Классификация • Акселерометры классифицируются по разным признакам: • по области применения; • по виду подвесов чувствительного элемента; • по способу снятия сигналов; • по числу измеряемых компонентов ускорения; • по виду выходного сигнала и т. д.

• • По характеру движения сейсмической массы различают акселерометры с поступательным и угловым ее перемещением. Акселерометры линейных ускорений с угловым перемещением сейсмической массы называются маятниковыми. Для закрепления сейсмической массы в корпусе датчика применяются различные типы подвесов. Наиболее широкое распространение получили подвесы: на шарикоподшипниках; на пружинах и торсионах; на растяжках. Существуют и другие подвесы: гидростатические, газостатические, электромагнитные и другие.

По количеству измеряемых одним акселерометром составляющих ускорения акселерометры делятся на: • однокомпонентные (одноосевые); • двухкомпонентные (двухосевые); • трехкомпонентные (трехосевые).

• Однокомпонентные акселерометры имеют одну ось чувствительности. Такие акселерометры измеряют одну составляющую линейного ускорения. Двухкомпонентные и трехкомпонентные соответственно имеют две и три оси чувствительности. Такие датчики соответственно измеряют две и три составляющие линейного ускорения.

Методы измерения 1. Инерциальный метод 2. Метод дифференцирования 3. Метод двукратного дифференцирования

Инерциальный метод • метод заключается в измерении силы, развиваемой инерционной массой при ее движении с ускорением. Приборы и датчики, основанные на этом принципе действия, называются акселерометрами. • В зависимости от способа измерения силы различают акселерометры пружинные и компенсационные.

• В пружинных акселерометрах сила, развиваемая инерционной массой, вызывает упругую деформацию пружины, которая создает противодействующую силу. Деформация пружины служит мерой измеряемого ускорения и при необходимости преобразуется в электрический сигнал. • В компенсационных акселерометрах инерционная сила уравновешивается силой, развиваемой магнитоэлектрическим или другим преобразователем. Эта сила пропорциональна силе тока, которая и служит выходным сигналом. Структурная схема таких акселерометров содержит позиционную отрицательную обратную связь.

• Инерциальный метод используется также и в интегрирующих акселерометрах, сигнал которых пропорционален интегралу от линейного ускорения за определенный промежуток времени. • Интегрирующие акселерометры отличаются тем, что противодействующая сила является не позиционной, а скоростной. Интегрирующие акселерометры могут быть прямого измерения, в которых противодействующая сила создается демпфером со стабильным коэффициентом демпфирования, и компенсационные, в которых для создания противодействующей силы применяется скоростная обратная связь. • Существуют также компенсационные акселерометры с двукратным интегрированием ускорений; противодействующая сила создается обратной связью по относительному ускорению инерционной массы.

Метод дифференцирования • Метод дифференцирования скорости полета заключается в дифференцировании одним из известных способов сигнала датчика скорости полета. Возможно дифференцирование не только электрических сигналов, но и пневматических. Например, если подать полное давление встречного потока воздуха в вариометр, то показания последнего будут функцией продольного ускорения.

Метод двукратного дифференцирования • Метод двукратного дифференцирования расстояния до неподвижной базы пригоден в основном для измерения вертикального ускорения и заключается в двукратном дифференцировании одним из известных способов сигнала высотомера.

• Измерение угловых ускорений возможно аналогичными методами. • При инерциальном методе измерения инерционная масса подвешивается на оси с одной степенью свободы, проходящей через центр тяжести этой массы. Измеряется момент инерционных сил, развиваемый массой при ее вращении с угловым ускорением. Применимы те же два способа измерения инерционных сил, что и в линейных акселерометрах, – пружинный и компенсационный. • При определении угловых ускорений методом дифференциро вания производится дифференцирование сигнала гироскопического датчика угловых скоростей. • Для определения угловых ускорений методом двукратного дифференцирования используется сигнал гироскопического датчика угла. • На летательных аппаратах основное применение нашел инерциальный метод измерения ускорений. • В пилотажных системах датчики должны выдавать информацию о линейных ускорениях по осям х, у, z, связанным с летательным аппаратом; поэтому датчики линейных ускорений пилотажных систем жестко связываются с летательным аппаратом

Принцип действия акселерометра основан практически на измерении силы инерции, развиваемой сейсмической массой при ее движении с ускорением.

Акселерометр линейных ускорений 1 – масса; 2 – пружина; 3 – корпус; 4 – демпфер; 5 – потенциометр

Акселерометр линейных ускорений • В качестве чувствительного (инерционного) элемента акселерометра используется масса 1, подвешенная на двух пружинах 2 • Проходящая через эти точки А и В линия, называемая измерительной осью, или осью чувствительности датчика, параллельна той оси, вдоль которой требуется измерить ускорение.

• Если летательный аппарат движется с постоянным ускорением ах, направленным вдоль измерительной оси, то равновесному положению измерительной системы соответствует такое смещение s инерционного элемента от нейтрали, при котором сила упругой деформации пружин сообщает массе абсолютное ускорение, равное ускорению движущегося летательного аппарата: где: су — суммарный коэффициент жесткости двух пружин; т — масса инерционного элемента. • Перемещение s преобразует ся потенциометрическим, индуктивным, емкостным или каким либо другим датчиком в электрический сигнал Uвых. • Для успокоения колеба ний измерительной системы в переходном режиме служит демпфер 5, при помощи которого на массу 1 накладывается сила ( ), пропорциональная скорости перемещения массы относительно корпуса 3, жестко связанного с летательным аппаратом: где: Кд — коэффициент демпфирования. • Обычно применяют магнитоиндукционные, жидкостные или воздушные демпферы. У воздушных демпферов из за сжимаемости воздуха демпфирующая сила появляется не одновременно с возникновением скорости перемещения поршня, а с некоторым запаздыванием, что является их недостатком.

Акселерометр для измерения угловых ускорений 1. 2. 3. 4. 5. Масса Пружина Корпус Потенциометр Демпфер

Акселерометр для измерения угловых ускорений • • отличается тем, что масса 1 не совершает поступательного движения относительно движущегося летательного аппарата, а лишь вращается вокруг оси АВ, представляющей собой измерительную ось акселерометра. Для того чтобы устранить влияние линейных ускорений, масса 1 должна быть уравновешена относительно оси вращения. Пружина 2 связана одним концом с массой, а другим с корпусом 3, жестко установленным на летательном аппарате, ускорение которого измеряется. При отсутствии угловых ускорений пружина 2 удерживает массу1 в положении, которое принимается за нулевое. При угло вых ускорениях система будет находиться в равновесном положении, если угловое ускорение массы 1 равно угловому ускоре нию )летательного ( аппарата: где: • • Су — коэффициент угловой жесткости пружины; J — момент подвижной системы; ϕ— угол отклонения инерционной массы от нулевого поло жения. Установившееся отклонение массы при постоянном ускорении пропорционально этому ускорению: Для успокоения колебаний и преобразования отклонения инер ционной массы в электрический сигнал в акселерометре устанав ливаются демпфер5 и потенциометр 4 или другой электрический датчик.

Способы подвески инерционного элемента • Способ подвеса играет определяющую роль для акселерометра, он задает методический способ измерения с присущими ему достоинствами и недостатками, характерными погрешностями в работе.

Подвеска массы на направляющих (осевой) отличается простотой конструкции. Однако ей свойственна большая зона нечувствительности, величина которой пропорциональна составляющей ускорения ( ay), направленной перпендикулярно оси чувствительности и прижимающей массу к направляющим.

Подвеска массы на направляющих с трением качения Инерционный элемент имеет вид тележки, установленной на четырех парах роликов, которые могут катиться по неподвижному направляющему стержню. По сравнению с подвеска массы на направляющих конструкцией, зона нечувствительности при роликовых опорах для одинаковой массы уменьшается примерно в R / r раз (R — радиус ролика, r— радиус опорной цапфы ролика).

Маятниковый подвес (рычажный) 1. 2. 3. Маятник Пружина Корпус Принцип действия Ось Oy параллельно g Ось Oх –измерительная ось Уравнение моментов относительно оси Oz: m – масса маятника; Cy – коэффициент угловой жесткости S – чувствительность датчика Преимуществом рычажной подвески по сравнению с подвеской на направляющих с трением скольжения является меньшая зона нечувствительности при одинаковой массе т (примерно в L/r раз, где r — радиус опорной цапфы маятника). Трение можно еще больше уменьшить, если поместить маят ник внутрь цилиндрического пустотелого поплавка, погруженного в жидкость. Объем поплавка выбирают из того расчета, чтобы его подъемная сипа равнялась весу подвижной системы. Трение поверхности цилиндрического поплавка о жидкость можно использовать для создания демпфирующей силы

Погрешности маятникового подвеса При отклонении от нейтрали на маятник влияет поперечное ускорение(ay), направленное перпендикулярно измерительной оси Ох, что является недостатком рычажной подвески При одновременном действии продольного и поперечного ускорений ах и аy условием равновесия системы будет равенство нулю алгебраической суммы моментов инерционных сил и сил упругости пружины Таким образом, относительная ошибка будет тем меньше, чем меньше чувствительность S, т. е. чем меньше угол отклонения маятника на единицу измеряемого ускорения (ax)

Способы компенсации погрешности подвеса • • Погрешность, возникающая под влиянием ускорения (ay), ком пенсируется в системе, состоящей из двух встречно параллельных маятников, кинематически связанных между собой рычажной передачей (фиг. 17. 4, а) или парой зубчатых колес (см. фиг. 17. 4, б). В пружинной подвеске плоские пружины (фиг. 17. 5) совмещают функции упругого элемента и направляющего устройства. Преимуществом такой подвески является отсутствие люфтов и сухого трения, что заметно снижает зону нечувствительности датчика. Сравнивая подвески на двух консольно закрепленных пружинах и на двух пружинах, закрепленных с обоих концов (см. фиг. 17, 5, а и б), можно установить, что при одинаковой массе и равной длине пружин первая система дает в пределах допустимых деформаций больший ход, но она подвержена влиянию боковых ускорений (ay). В акселерометрах, измеряющих угловые ускорения, для упру гой подвески можно использовать крестообразную пружину, работающую на кручение (фиг. 17. 6, а), или систему плоских пружин, образующей крест и работающих на изгиб (см. фиг. 17. 6, б).

Компенсационные акселерометры

Поплавковые маятниковые акселерометры