Методы и средства измерения ускорений
Ускорения измеряются в метpax на секунду в квадрате (м/с2). В качестве единицы измерения ускорения часто применяют величину, связанную с ускорением земного притяжения - g. Например, ускорение, равное 0,1g; l0g и т.д. Ускорения могут быть линейными и угловыми. Средства измерения ускорений называются акселерометрами.
Инерциальный метод
Для измерения линейных ускорений применяются инерциальный метод, метод дифференцирования скорости и метод двухкратного дифференцирования расстояния до неподвижной базы.
Рис. 8.33. Средства измерения ускорений: а - схема акселерометра (1 - инерционная масса; 2 - пружина; 3 - электромагнит; 4 - корпус прибора; 5- демпфер; 6 - преобразователь; 7- ось; У- усилитель); б - схема маятникового акселерометра (1 - подвеска; 2 - жидкость; 3 - корпус; 4 - чувствительный элемент; 5 - преобразователь; У- усилитель); в - схема струнного акселерометра (7 и 5- струнный преобразователь; 2 и 4- струна; 3 - упругий подвес; 6- генератор; 7 - механизм натяжения струн; 8- регулирующее устройство); г - схема акселерометра с волоконно-оптическим преобразователем (1 - источник света; 2 - акселерометр; 3 и 8 - линза; 4 - поляризатор; 5 - фотоупрутий материал; 6 - четвертьволновая пластина; 7 - анализатор; 9 - волоконный светопровод; 10 - приемник излучения - фотодиод)
Инерциальный метод основан на измерении силы, развиваемой инерционной массой при ее движении с ускорением. Принцип действия средств измерений, реализующий инерциальный метод, состоит в следующем (рис. 8.33, а). Инерционная масса 7, связанная с корпусом прибора 4 с помощью пружины 2 и демпфера 5, может перемещаться в направлении оси 7, называемой осью чувствительности. Перемещение инерционной массы, пропорциональное измеряемому ускорению, преобразуется посредством резистивных, индуктивных или емкостных преобразователей 6 в электрический сигнал, который после усиления в усилителе поступает на электромагнит 3. Последний создает усилие F, уравновешивающее инерционную силу тах, т.е.
F = mах,
где ах - ускорение.
Методы дифференцирования
Методы одно- или двухкратного дифференцирования сводятся соответственно к дифференцированию измеренных скорости или расстояния до неподвижной базы.
Требования к точности измерения ускорений определяются областью применения. Так, в инерциальных системах погрешности не должны превышать ±0,001 %. При применении акселерометров в системах управления погрешности могут составлять ±(1 ...2) %. Погрешности средств измерения ускорений в машинах могут достигать ±4 %.
Акселерометры
Рассмотрим некоторые возможные схемы акселерометров (рис. 8.33, б, в, г).
Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс, преобразователи сигналов, моментные (силовые) устройства, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).
Для уменьшения потерь в осях подвеса, обеспечения линейной зависимости между отклонениями массы и измеряемым ускорением подвес помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента, либо устанавливают его на воздушной подушке, на струнах. Применяют также электромагнитные и криогенные подвесы.
В качестве преобразователей сигналов применяются емкостные, индуктивные, фотоэлектрические, струнные и др. Основные требования к ним: большая разрешающая способность, линейная зависимость выхода от входа, отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент.
Моментными (силовыми) устройствами для ввода сигналов обратной связи являются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагниты.
Маятниковый аеселерометр
В маятниковых акселерометрах (см. рис. 8.33, б) чувствительный элемент 4 находится в жидкости 2, заключенной в корпусе 3. Температура жидкости поддерживается с точностью до 0,01 "С, что позволяет устранить ее конвективные движения. Сигнал с чувствительного элемента снимается преобразователем 5 и подается на усилитель У. С выхода усилителя сигнал поступает на моментный двигатель, развивающий момент, зависящий от ускорения.
Струнный акселерометр
В акселерометрах со струнными преобразователями 1 и 5 (см. рис. 8.33, в) смещение массы т меняет упругие свойства струн 2 и 4. натянутых в направлении оси чувствительности. Упругий подвес 3 исключает движение массы т в поперечном направлении. Сумма частот колебаний струн 2 и 4 (f1 +f2) поддерживается постоянной посредством регулирующего устройства 8, для чего она сравнивается с эталонной частотой f0, вырабатываемой генератором 6. Разность Δf = (f1 +f2)-fo используется для управления механизмом 7 натяжения струн. При поддержании значения (f1 +f2) постоянным получается линейная зависимость между измеряемым ускорением ах и разностью частот Δf.
Струнные акселерометры находят применение в инерциальных системах управления. При диапазоне измерения ускорений до 20 g погрешность не превышает ±0,004 %.
Акселерометр с преобразователем
Акселерометр с волоконно-оптическим измерительным преобразователем основан на эффекте фотоупругости. Некоторые материалы (эпоксидная смола, нитрат лития и др.) меняют свои оптические свойства при их деформировании. На этой основе создан целый ряд средств измерения, в которых сила преобразуется в деформацию. На рис. 8.33, г источник света 1 (например, полупроводниковый лазер), проходя через линзу 3 и поляризатор 4, поступает на стержень из фотоупругого материала 5, изменяющий свое напряженное состояние в зависимости от ускорения груза акселерометра 2. Преобразуя полученный сигнал с помощью четвертьволновой пластины 6, анализатора 7 и линзы 8, он поступает по волоконному светопроводу 9 на приемник излучения (фотодиод) 10. В результате определяется величина ускорения с достаточно высокой точностью. Так, при массе груза 25 г чувствительность рассмотренного акселерометра составляет 0,01g.
