RU168085U1

RU168085U1 - DEVICE FOR MEASURING ANGULAR ACCELERATION

Info

Publication number: RU168085U1
Application number: RU2016131288U
Authority: RU
Inventors: Даниил Сергеевич Ложкин; Сергей Валентинович Федосеев; Григорий Саввич Жартовский; Игорь Николаевич Алёшин
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2017-01-17

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля и исследования пространственных компонент механических колебаний в задачах виброметрии. Устройство для измерения углового ускорения содержит основание с установленными на нем двумя разнесенными линейными пьезоакселерометрами, при этом оси максимальной чувствительности линейных пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения основания, а полярность линейных пьезоакселерометров противоположна, при этом выходы линейных пьезоакселерометров через сумматор зарядов соединены с измерительным устройством, максимальная продольная чувствительность линейных пьезоакселерометров одинакова, причем линейные пьезоакселерометры установлены на основании таким образом, что оси их минимальной поперечной чувствительности параллельны оси измеряемых угловых колебаний, а оси их максимальной поперечной чувствительности ориентированы встречно. Технический результат – повышение точности измерения однокомпонентного углового ускорения в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых колебаний.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to control and study the spatial components of mechanical vibrations in problems of vibrometry. The device for measuring angular acceleration contains a base with two spaced linear piezo-accelerometers installed on it, while the axes of maximum sensitivity of linear piezo-accelerometers are parallel to each other and perpendicular to the axis of rotation of the base, and the polarity of the linear piezo-accelerometers is opposite, while the outputs of the linear piezo-accelerometers are connected via a charge adder , the maximum longitudinal sensitivity of linear piezoelectric accelerometers is the same, and ineynye piezoaccelerometers mounted on the base so that their minimum transverse axis of sensitivity parallel to the axis of the measured angular vibration and the transverse axis of their maximum sensitivity oriented oppositely. EFFECT: increased accuracy of measurement of one-component angular acceleration under the influence of multicomponent linear vibrations and angular vibrations.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для контроля и исследования пространственных компонент механических колебаний в задачах виброметрии, вибродиагностики и виброиспытаний, а именно к устройствам для измерения однокомпонентного углового ускорения при наличии многокомпонентных линейных и угловых ускорений.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to control and study the spatial components of mechanical vibrations in the problems of vibrometry, vibration diagnostics and vibration tests, namely, devices for measuring one-component angular acceleration in the presence of multicomponent linear and angular accelerations.

Сущность полезной модели – параллельное электрическое подключение разнесенных нормализованных, имеющих одинаковые характеристики линейной чувствительности по трем осям, линейных пьезоакселерометров, установленных на жестком основании и определенным образом ориентированных осями чувствительности, что делает устройство чувствительным только к измеряемой компоненте углового ускорения многомерной вибрации.The essence of the utility model is the parallel electrical connection of spaced normalized, having the same linear sensitivity characteristics along three axes, linear piezoelectric accelerometers mounted on a rigid base and oriented in a certain way by the sensitivity axes, which makes the device sensitive only to the measured component of the angular acceleration of multidimensional vibration.

В различных областях науки и техники, связанных с разработкой и использованием технических устройств, эксплуатирующихся в условиях многокомпонентных линейных и угловых колебаний, широко используются устройства для измерения угловых колебаний, основанные на различных физических принципах. Однако при решении многих задач использование специализированных устройств для измерения угловых колебаний проблематично из-за несоответствия диапазона рабочих частот реальным частотам угловых колебаний, высокого порога чувствительности, недостаточной надежности и низких точностных характеристик. При этом недостаточная точность измерений часто связана с тем, что эти устройства обладают определенной чувствительностью в направлениях, перпендикулярных направлению действия измеряемого углового ускорения.In various fields of science and technology related to the development and use of technical devices operating in conditions of multicomponent linear and angular oscillations, devices for measuring angular oscillations based on various physical principles are widely used. However, when solving many problems, the use of specialized devices for measuring angular oscillations is problematic due to the mismatch of the operating frequency range with the real frequencies of angular oscillations, a high sensitivity threshold, insufficient reliability, and low accuracy characteristics. Moreover, insufficient measurement accuracy is often associated with the fact that these devices have a certain sensitivity in directions perpendicular to the direction of action of the measured angular acceleration.

Известен датчик углового ускорения (Авторское свидетельство СССР №250550, МПК G01P, опубл. 12.08.1969), содержащий выполненную в виде многовитковой спирали трубку, заполненную рабочей жидкостью, служащую инерционной массой, и дифференциальный преобразователь давления в электрический сигнал, входы которого соединены с каналами спиральной трубки. Этот датчик имеет недостаточную точность измерения из-за чувствительности к угловым ускорениям, перпендикулярным к его оси чувствительности.A known sensor of angular acceleration (USSR Author's Certificate No. 250550, IPC G01P, publ. 08/12/1969), containing a tube made in the form of a multi-turn spiral, filled with a working fluid, serving as an inertial mass, and a differential pressure transducer into an electrical signal whose inputs are connected to channels spiral tube. This sensor has insufficient measurement accuracy due to sensitivity to angular accelerations perpendicular to its sensitivity axis.

Преодолеть отмеченные выше недостатки датчиков угловых колебаний можно за счет применения косвенных методов измерений. Один из этих методов основан на использовании пространственно разнесенных датчиков линейных ускорений, по состоянию на сегодняшний день более совершенных, чем датчики угловых колебаний. При этом угловые ускорения определяются на основе измеренных значений линейных ускорений, определяемых при помощи механически связанных и определенным образом установленных датчиков линейных ускорений.It is possible to overcome the above-mentioned disadvantages of angular vibration sensors by using indirect measurement methods. One of these methods is based on the use of spatially separated linear acceleration sensors, which as of today are more advanced than angular vibration sensors. In this case, the angular accelerations are determined on the basis of the measured values of linear accelerations, determined using mechanically coupled and in a certain way installed linear acceleration sensors.

Создание и разработка современных средств навигации и устройств, обеспечивающих высокую точность стабилизации и пространственного позиционирования приборов и устройств, размещенных на подвижных носителях, ставит задачу разработки однокомпонентных устройств угловых колебаний, способных обеспечивать требуемые характеристики в условиях действия многомерной (разнонаправленной) вибрации, т.е. обладающих минимальной, а по возможности, нулевой чувствительностью к линейным ускорениям, а также к угловым ускорениям, оси которых перпендикулярны оси исследуемого углового колебания.The creation and development of modern navigation aids and devices providing high accuracy of stabilization and spatial positioning of instruments and devices placed on mobile carriers sets the task of developing one-component angular vibration devices capable of providing the required characteristics under conditions of multidimensional (multidirectional) vibration, i.e. having minimal, and if possible, zero sensitivity to linear accelerations, as well as to angular accelerations, the axes of which are perpendicular to the axis of the investigated angular vibration.

Известны способы и устройства, основанные на использовании линейных акселерометров, обеспечивающие измерение угловых ускорений. В частности, в (Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963, с.78), (Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press – New York, 1984, с.146–148), описаны способы измерения линейной и угловой компонент многомерной вибрации путем обработки результатов измерения двумя одинаково направленными разнесенными линейными акселерометрами инерционного действия. Выходной сигнал каждого акселерометра состоит из части, зависящей от линейной компоненты вибраций вдоль оси максимальной продольной чувствительности, и части, зависящей от угловой компоненты вокруг одной из осей, перпендикулярных оси максимальной продольной чувствительности. При работе устройств могут быть реализованы два режима измерений – режим сложения электрических сигналов и режим вычитания электрических сигналов. При сложении электрических сигналов на выходе устройства получается сигнал, соответствующий линейному ускорению, т.к. при этом электрические сигналы, соответствующие угловому ускорению, взаимно уничтожаются. При вычитании электрических сигналов на выходе устройства получается сигнал, соответствующий угловому ускорению, т.к. при этом электрические сигналы, соответствующие линейному ускорению, взаимно уничтожаются. Разная чувствительность линейных акселерометров может быть компенсирована путем регулировки входящих в схему регистрации усилителей. Временной дрейф усилителей может внести дополнительную ошибку в результаты измерений, что ограничивает точность метода.Known methods and devices based on the use of linear accelerometers that measure angular accelerations. In particular, in (Yorish Yu.I. Vibrometry. M.: Mechanical Engineering, 1963, p. 78), (DJins Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press - New York, 1984, p. 146-148), Methods for measuring the linear and angular components of multidimensional vibration are described by processing the measurement results with two equally directed linear inertial accelerometers. The output signal of each accelerometer consists of a part depending on the linear vibration component along the axis of maximum longitudinal sensitivity, and a part depending on the angular component around one of the axes perpendicular to the axis of maximum longitudinal sensitivity. When the devices are operating, two measurement modes can be implemented - the mode of adding electrical signals and the mode of subtracting electrical signals. When adding electrical signals at the output of the device, a signal corresponding to linear acceleration is obtained, because while electrical signals corresponding to angular acceleration are mutually destroyed. When subtracting electrical signals at the output of the device, a signal corresponding to angular acceleration is obtained, because while electrical signals corresponding to linear acceleration are mutually destroyed. The different sensitivity of linear accelerometers can be compensated by adjusting the amplifiers included in the registration circuit. The temporal drift of amplifiers can introduce an additional error into the measurement results, which limits the accuracy of the method.

Рассмотренный косвенный метод измерений позволяет определять искомую угловую компоненту вибрации. Для реальных процессов колебаний, носящих преимущественно случайный характер, способ малопригоден. При этом в отмеченных источниках не рассматриваются вопросы, направленные на повышение точности измерения однокомпонентного колебания за счет компенсации (обнуления) сигналов, соответствующих колебаниям объекта измерений вокруг осей, перпендикулярных оси исследуемого однокомпонентного колебания.The indirect method of measurements considered allows us to determine the desired angular component of vibration. For real processes of oscillations, which are mostly random in nature, the method is of little use. Moreover, the sources mentioned do not address issues aimed at improving the accuracy of measuring one-component oscillations by compensating (zeroing) the signals corresponding to oscillations of the measurement object around axes perpendicular to the axis of the studied one-component oscillation.

Известно устройство для измерения линейных и угловых ускорений (Патент США №4996878, МПК G01P 15/09, G01P 15/12, опубл. 05.03.1991), в котором использована пара пьезоэлектрических биморфных элементов, установленных симметрично относительно общей материальной оси, совпадающей с осью чувствительности и закрепленных консольно. При линейном воздействии биморфные элементы изгибаются в одном направлении, а при угловом – в противоположных направлениях по оси чувствительности. При этом пьезоэлементы генерируют заряды, часть которых вызвана однонаправленным изгибом, а часть – изгибом в противоположных направлениях. Общий выходной электрический сигнал предлагается разделять на линейную и угловую компоненты с помощью суммирующего и дифференциального (разностного) усилителей. Предложенная схема электрического включения вызывает сомнения в своей работоспособности, так как на входы обоих усилителей подаются сигналы уже после их смешения и вопрос возможности осуществления одновременного измерения линейных и угловых компонент вибрации остается открытым. Консольное крепление обусловливает низкую прочность и высокую чувствительность биморфных элементов к неизмеряемым компонентам вибрации. Следует отметить, что использование биморфных пьезоэлементов ограничивается очень малыми амплитудами деформации консолей и узким частотным диапазоном измерений (Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963, с.424). Вследствие указанных недостатков рассмотренный датчик не может быть использован для высокоточного измерения угловых колебаний вокруг заданной оси в условиях многокомпонентных линейных и угловых колебаний.A device for measuring linear and angular accelerations is known (US Patent No. 4996878, IPC G01P 15/09, G01P 15/12, publ. 03/05/1991), which uses a pair of piezoelectric bimorph elements installed symmetrically with respect to the common material axis coinciding with the axis sensitivity and pinned cantilever. With a linear action, the bimorph elements are bent in one direction, and with an angular effect, they are bent in opposite directions along the sensitivity axis. In this case, piezoelectric elements generate charges, part of which is caused by unidirectional bending, and part - by bending in opposite directions. The general electrical output signal is proposed to be divided into linear and angular components using summing and differential (differential) amplifiers. The proposed electrical switching circuit raises doubts about its operability, since the signals are fed to the inputs of both amplifiers after they are mixed and the question of the possibility of simultaneously measuring linear and angular vibration components remains open. Cantilever mounting provides low strength and high sensitivity of bimorph elements to unmeasured vibration components. It should be noted that the use of bimorph piezoelectric elements is limited to very small amplitudes of the deformation of the consoles and a narrow frequency range of measurements (Iorish Yu.I. Vibrometriya. M: Mashinostroenie, 1963, p. 424). Due to these drawbacks, the considered sensor cannot be used for high-precision measurement of angular oscillations around a given axis in the conditions of multicomponent linear and angular oscillations.

Известен принятый за прототип пьезоэлектрический акселерометр угловых колебаний (Патент США №6397677, МПК G01P 15/08, G01P 15/09, G01P 15/18, опубл. 04.06.2002), в котором для измерения одной компоненты угловых колебаний используются два разнесенных линейных пьезоакселерометра. При этом каждый линейный пьезоакселерометр состоит из двух пьезокерамических пластин и двух инерционных масс, прижатых с помощью болта попарно друг к другу и к общему основанию без механического контакта между основанием и инерционными массами. Продольно поляризованные пьезокерамические пластины чувствительны к деформации сдвига. В линейных пьезоакселерометрах они установлены осями чувствительности параллельно и встречно так, чтобы при действии линейной компоненты колебаний и суммировании их зарядов последние взаимно компенсировались, а при действии угловых колебаний складывались. Таким образом, оси максимальной чувствительности используемой пары линейных пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения основания, на котором они закреплены, а полярность линейных пьезоакселерометров противоположна. Измерительная схема предусматривает объединение выходных контактов линейных пьезоакселерометров между собой и их подключение к измерительному устройству. Использование пьезокерамических пластин, работающих на сдвиг, обеспечивает рассматриваемому акселерометру угловых колебаний прочность, высокую частоту резонанса, позволяющую существенно расширить рабочий диапазон амплитуд и частот измерения в сравнении с биморфными консольными пьезоэлементами. Однако описанный пьезоэлектрический акселерометр угловых колебаний отличается недостаточной точностью измерения углового ускорения при угловых колебаниях объекта вокруг заданной оси, что связано с разбросом параметра максимальной продольной чувствительности используемых в пьезоэлектрическом акселерометре угловых колебаний линейных пьезоакселерометров, а также отсутствием мер по устранению влияния угловых колебаний вокруг осей, перпендикулярных оси измеряемых угловых колебаний. Заявленная в прототипе высокая точность измерения отдельных компонент угловых колебаний, которую он может обеспечивать в условиях действия многомерной вибрации, не подтверждена какими-либо конструктивными или техническими решениями, гарантирующими ее повышение в сравнении с известными и апробированными линейными пьезоакселерометрами, имеющими паспортные характеристики, в том числе – метрологические. Используемое техническое решение по объединению инерционных элементов в один общий инерционный элемент линейного пьезоакселерометра способно устранить некоторые методические погрешности, но не исключает образования или увеличения погрешностей других видов, учет и минимизация которых определяются конструкцией общей колебательной системы. При этом следует принять во внимание, что на практике выходные сигналы линейных пьезоакселерометров угловых колебаний, вызываемые поступательными (линейными) колебаниями, превышают на порядок и более выходные сигналы, соответствующие угловым колебаниям объекта измерений (Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press – New York, 1984, с.146–148). Поэтому отсутствие специальных мер по обеспечению точностных характеристик пьезоэлектрического акселерометра угловых колебаний, построенного на использовании компенсационного метода измерений, будет приводить к недостоверным результатам измерений отдельных компонент угловых колебаний, что является его недостатком.Known adopted for the prototype piezoelectric accelerometer of angular oscillations (US Patent No. 6397677, IPC G01P 15/08, G01P 15/09, G01P 15/18, publ. 04.06.2002), in which two spaced linear piezoelectric accelerometers are used to measure one component of angular oscillations . Moreover, each linear piezoelectric accelerometer consists of two piezoceramic plates and two inertial masses, pressed with a bolt in pairs to each other and to a common base without mechanical contact between the base and inertial masses. Longitudinally polarized piezoceramic plates are sensitive to shear strain. In linear piezoelectric accelerometers, they are set by the axes of sensitivity in parallel and counterclockwise so that under the action of the linear component of the oscillations and the summation of their charges, the latter are mutually compensated, and when angular oscillations occur, they add up. Thus, the axes of maximum sensitivity of the used pair of linear piezo-accelerometers are parallel to each other and perpendicular to the axis of rotation of the base on which they are mounted, and the polarity of the linear piezo-accelerometers is opposite. The measuring circuit provides for combining the output contacts of the linear piezoelectric accelerometers with each other and their connection to the measuring device. The use of shear piezoceramic plates provides strength, a high resonance frequency to the considered angular vibration accelerometer, which allows significantly expanding the working range of amplitudes and measurement frequencies in comparison with bimorph cantilever piezoelectric elements. However, the described piezoelectric angular vibration accelerometer is characterized by insufficient accuracy in measuring angular acceleration during angular oscillations of an object around a given axis, which is associated with a spread in the parameter of maximum longitudinal sensitivity of linear piezoelectric accelerometers used in a piezoelectric accelerometer, as well as the absence of measures to eliminate the influence of angular oscillations around axes perpendicular the axis of the measured angular oscillations. The high accuracy of the measurement of the individual components of the angular oscillations declared in the prototype, which it can provide under conditions of multidimensional vibration, is not confirmed by any structural or technical solutions that guarantee its increase in comparison with the well-known and approved linear piezoelectric accelerometers with nameplate characteristics, including - metrological. The technical solution used to combine inertial elements into one common inertial element of a linear piezoelectric accelerometer can eliminate some methodological errors, but does not exclude the formation or increase of errors of other types, the consideration and minimization of which are determined by the design of the general oscillatory system. It should be borne in mind that in practice, the output signals of linear piezoelectric accelerometers of angular oscillations caused by translational (linear) oscillations exceed the output signals corresponding to the angular oscillations of the measurement object by an order of magnitude or more (Еwins DJ Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press - New York, 1984, pp. 146-148). Therefore, the absence of special measures to ensure the accuracy characteristics of the piezoelectric angular vibration accelerometer, based on the use of the compensation method of measurement, will lead to unreliable measurement results of individual components of the angular oscillations, which is its drawback.

Задачей полезной модели является повышение точности измерения однокомпонентного углового ускорения в условиях воздействия многокомпонентных линейных вибраций и угловых колебаний.The objective of the utility model is to increase the accuracy of measuring one-component angular acceleration under the influence of multicomponent linear vibrations and angular vibrations.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения углового ускорения содержит основание с установленными на нем двумя разнесенными линейными пьезоакселерометрами, при этом оси максимальной чувствительности линейных пьезоакселерометров параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения основания, а полярность линейных пьезоакселерометров противоположна, при этом выходы линейных пьезоакселерометров через сумматор зарядов соединены с измерительным устройством, при этом максимальная продольная чувствительность линейных пьезоакселерометров одинакова. Линейные пьезоакселерометры установлены на основании таким образом, что оси их минимальной поперечной чувствительности параллельны оси измеряемых угловых колебаний, а оси их максимальной поперечной чувствительности ориентированы встречно.The problem is solved due to the fact that the device for measuring angular acceleration contains a base with two spaced linear piezo-accelerometers installed on it, while the axes of maximum sensitivity of linear piezo-accelerometers are parallel to each other and perpendicular to the axis of rotation of the base, and the polarity of linear piezo-accelerometers is opposite, while the outputs of linear piezoelectric accelerometers are connected to a measuring device via a charge adder, with the maximum longitudinal sensor Nost linear piezoaccelerometers same. Linear piezoelectric accelerometers are installed on the basis in such a way that the axes of their minimum transverse sensitivity are parallel to the axes of the measured angular oscillations, and the axes of their maximum transverse sensitivity are oriented counterclockwise.

Предлагаемое устройство для измерения углового ускорения позволяет минимизировать погрешность измерений при наличии многокомпонентных вибраций.The proposed device for measuring angular acceleration minimizes the measurement error in the presence of multicomponent vibrations.

Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами:The inventive utility model is illustrated by the following drawings:

– на фиг.1 представлена конструкция устройства для измерения углового ускорения;- figure 1 shows the design of a device for measuring angular acceleration;

– на фиг.2 приведена номограмма для определения поперечной чувствительности линейного пьезоакселерометра.- figure 2 shows a nomogram for determining the transverse sensitivity of a linear piezoelectric accelerometer.

Устройство (фиг.1) содержит основание 1 с установленными на нем двумя разнесенными первым линейным пьезоакселерометром 2 и вторым линейным пьезоакселерометром 3, при этом оси максимальной продольной чувствительности первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3 соответственно Y₂ и Y₃ параллельны между собой и перпендикулярны оси вращения Z основания 1. Генерируемые при колебаниях выходные заряды первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3 через сумматор зарядов 4 подаются на измерительное устройство 5. Первый линейный пьзоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 установлены встречно, и при вращении основания 1 вокруг оси Z их заряды будут иметь один знак и складываться на сумматоре зарядов 4.The device (Fig. 1) comprises a base 1 with two spaced apart first linear piezo-accelerometer 2 and a second linear piezo-accelerometer 3 mounted on it, while the axes of maximum longitudinal sensitivity of the first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3, respectively, Y ₂ and Y _{3 are} parallel to each other and perpendicular to the axis of rotation Z of the base 1. The output charges generated by the oscillations of the first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 through the charge adder 4 tsya to the measuring device 5. The first linear pzoakselerometr 2 and second linear piezoaccelerometers 3 set opposite, and at 1 rotation around the Z axis base their charges will have one sign and the shape charges in the adder 4.

При реализации устройства могут быть использованы следующие технические решения. Основание 1 выполняется из конструкционной стали с размерами, обеспечивающими его жесткость в условиях измерений. Первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 – фирмы «Брюль и Къер», например, типа 4370. Сумматор зарядов 4 – высокочастотный байонетный разъем, например, типа СВ-50-95ФВ, с выхода которого сигнал подается на измерительное устройство 5 в виде стандартного измерителя заряда, используемого в технике виброизмерений, например, типа 2635. Для соединения элементов измерительной схемы используется коаксиальный кабель, например, типа АВК-3. Приведенные данные по реализации устройства подтверждают возможность его технической осуществимости.When implementing the device, the following technical solutions can be used. The base 1 is made of structural steel with dimensions that ensure its rigidity in the conditions of measurement. The first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 are Bruhl & Kjерr, for example, type 4370. Charge accumulator 4 is a high-frequency bayonet connector, for example, type SV-50-95FV, from which the signal is sent to measuring device 5 in the form a standard charge meter used in the technique of vibration measurements, for example, type 2635. To connect the elements of the measuring circuit, a coaxial cable, for example, type AVK-3, is used. The data on the implementation of the device confirm the possibility of its technical feasibility.

В настоящее время ведущие мировые изготовители линейных акселерометров обеспечивают высокую воспроизводимость их основных технических характеристик в пределах одной партии.Currently, the world's leading manufacturers of linear accelerometers provide high reproducibility of their basic technical characteristics within one batch.

Используемые в устройстве линейные пьезоакселерометры имеют нормализованную чувствительность по заряду, отрегулированную в процессе их заводского производства на определенное круглое значение, например, 1, 10 или 1000 пКл/мс^-2с высокой точностью. В паспортах нормализованная чувствительность каждого линейного пьезоакселерометра указывается до третьей значащей цифры, что позволяет подбирать однотипные линейные пьезоакселерометры с одинаковым ее значением и отказаться от схемного, при помощи регулируемых электрометрических усилителей, или конструктивного, путем дополнительного подбора инерционных масс, выравнивания чувствительностей разнесенных линейных пьезоакселерометров и исключать одну из существенных составляющих погрешностей измерения. Другой важной составляющей погрешностей измерения является чувствительность линейных пьезоакселерометров к неизмеряемым компонентам вибрации, в первую очередь – поперечная чувствительность. Для определения величины поперечной чувствительности по заданному направлению используется номограмма (фиг.2) (Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978).The linear piezoelectric accelerometers used in the device have a normalized charge sensitivity, adjusted during their factory production to a certain round value, for example, 1, 10 or 1000 pC / ms ^-2 with high accuracy. In the passports, the normalized sensitivity of each linear piezoaccelerometer is indicated up to the third significant digit, which allows you to select the same type of linear piezoelectric accelerometers with the same value and abandon the circuit, using adjustable electrometric amplifiers, or constructive, by additional selection of inertial masses, alignment of the sensitivities of the spaced linear piezo axes one of the essential components of measurement errors. Another important component of measurement errors is the sensitivity of linear piezoelectric accelerometers to unmeasured vibration components, primarily transverse sensitivity. To determine the magnitude of the transverse sensitivity in a given direction, a nomogram is used (Fig. 2) (Piezoelectric accelerometers and preamplifiers: A Handbook of Theory and Operation. Publishing House of Bruehl & Kjерr, Denmark, 1978).

В зависимости от направления вектора поперечной вибрации по номограмме (фиг.2) определяют ее долю от паспортизуемого максимального значения поперечной чувствительности, установленного при заводских испытаниях. Как видно из номограммы, векторы максимальной (ось 0°–180°) и минимальной (ось 90°–270°) поперечной чувствительности находятся под углом 90°. Определенное при заводских испытаниях направление минимальной поперечной чувствительности отмечается на корпусе линейного пьезоакселерометра определенным индексом, а именно, в линейных пьезоакселерометрах фирмы «Брюль и Къер» – красными точками 6, как это показано на фиг.1, 2. Следует отметить, что полярность генерируемых зарядов всех однотипных нормализованных линейных пьезоакселерометров одинаковая как в направлении оси чувствительности, так и в поперечном направлении.Depending on the direction of the transverse vibration vector, the nomogram (figure 2) determines its share of the certified maximum value of the transverse sensitivity established during factory tests. As can be seen from the nomogram, the vectors of maximum (axis 0 ° –180 °) and minimum (axis 90 ° –270 °) transverse sensitivity are at an angle of 90 °. The direction of the minimum lateral sensitivity determined during factory tests is marked on the linear piezoelectric accelerometer housing with a specific index, namely, in the Bruhl & Kjерr linear piezoelectric accelerometers — red dots 6, as shown in Figs. 1, 2. It should be noted that the polarity of the generated charges all the same type of normalized linear piezoelectric accelerometers are the same both in the direction of the sensitivity axis and in the transverse direction.

Основание 1 (фиг.1) выполняется жестким, недеформируемым в диапазоне измеряемых частот. Разнесенные на базовое расстояние L линейные первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 закреплены на параллельных поверхностях А и В основания 1, при этом параллельность поверхностей А и В задается с высокой точностью для обеспечения параллельности осей максимальной продольной чувствительности первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3. Поверхность (плоскость) С основания 1 выполнена перпендикулярно поверхностям А и В и оси Z измерения углового ускорения. Плоскость С служит для установки датчика на объекте измерения.The base 1 (figure 1) is rigid, undeformable in the range of measured frequencies. Distanced to the base distance L linear, the first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 are mounted on parallel surfaces A and B of the base 1, while the parallelism of surfaces A and B is set with high accuracy to ensure parallelism of the axes of maximum longitudinal sensitivity of the first linear piezoelectric accelerometer 2 and the second linear piezoelectric accelerometer 3. Surface (plane) C the base 1 is made perpendicular to the surfaces A and B and the axis Z of measuring angular acceleration. Plane C is used to mount the sensor on the measurement object.

Первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 соединены электрически параллельно, их заряды по кабелю поступают на сумматор зарядов 4. Для линейных пьезоакселерометров с нормализованной по заряду чувствительностью можно не учитывать присоединенную емкость кабеля и, таким образом, не налагать ограничений на его длину (Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978).The first linear piezoelectric accelerometer 2 and the second linear piezoelectric accelerometer 3 are connected electrically in parallel, their charges are sent via cable to the charge accumulator 4. For linear piezoelectric accelerometers with a charge-normalized sensitivity, the connected capacitance of the cable can be disregarded and, therefore, no restrictions can be placed on its length (piezoelectric Accelerometers and Preamps: A Handbook of Theory and Operation, Publishing House of Bruhl & Kjерr, Denmark, 1978).

Как следует из фиг.1, первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 установлены на основании 1 осями чувствительности Y₂ и Y₃ встречно и перпендикулярно оси Z углового измерения. При воздействии на основание 1 линейного ускорения вдоль оси Y заряды линейных пьезоакселерометров с нормализованной чувствительностью на сумматоре зарядов 4 взаимно компенсируются. При угловых колебаниях основания 1 вокруг оси Z с выхода сумматора зарядов 4 на измерительное устройство 5 поступает удвоенный (суммарный) заряд первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3, тем больший, чем больше базовое расстояние L.As follows from figure 1, the first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 are installed on the base 1 with the sensitivity axes Y ₂ and Y ₃ opposite and perpendicular to the Z axis of the angular measurement. When exposed to the base 1 of linear acceleration along the Y axis, the charges of linear piezoelectric accelerometers with normalized sensitivity on the adder of charges 4 are mutually compensated. With angular vibrations of the base 1 around the Z axis, the output of the charge accumulator 4 receives the doubled (total) charge of the first linear piezoelectric accelerometer 2 and the second linear piezoelectric accelerometer 3 from the output of charge 4, the larger the larger the base distance L.

Для повышения помехозащищенности устройства для измерения углового ускорения от неизмеряемых компонент многомерной вибрации первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 закреплены на основании 1 так, чтобы оси их минимальной поперечной чувствительности (ось 90°–270°) на фиг.2 были параллельными оси Z измерения углового ускорения с односторонним расположением красных точек 6 на корпусах, как показано на фиг.1. Это обеспечивает минимальную поперечную чувствительность устройства для измерения углового ускорения в направлении осей Z и Х. Вдоль оси Х минимизация поперечной чувствительности обеспечивается за счет взаимокомпенсации соответствующих сигналов линейных пьезоакселерометров, оказывающихся в противофазе из-за разворота лепестков номограммы на фиг.2.To increase the noise immunity of the device for measuring angular acceleration from unmeasurable components of multidimensional vibration, the first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 are fixed on the base 1 so that the axes of their minimum transverse sensitivity (axis 90 ° –270 °) in FIG. 2 are parallel to the Z axis measuring angular acceleration with a one-sided arrangement of red dots 6 on the cases, as shown in figure 1. This ensures the minimum lateral sensitivity of the device for measuring angular acceleration in the direction of the Z and X axes. Along the X axis, the minimization of the lateral sensitivity is ensured by the mutual compensation of the corresponding signals of the linear piezoelectric accelerometers, which are out of phase due to the reversal of the petals of the nomogram in Fig. 2.

Чувствительность предлагаемого устройства к неизмеряемым компонентам угловых колебаний зависит от чувствительности к неизмеряемым линейным компонентам. Минимизация последней обеспечивает его помехозащищенность к неизмеряемым компонентам угловых колебаний.The sensitivity of the proposed device to unmeasured components of angular oscillations depends on the sensitivity to unmeasured linear components. Minimization of the latter ensures its noise immunity to unmeasured components of angular oscillations.

Проведенное макетирование устройства и практическое использование макета при измерениях подтверждают его осуществимость. В настоящее время оно используется для оценки и контроля колебаний линии визирования научной аппаратуры в системах высокоточного наведения.Conducted prototyping of the device and the practical use of the layout in the measurements confirm its feasibility. Currently, it is used to assess and control fluctuations in the line of sight of scientific equipment in high-precision guidance systems.

Существенными признаками предлагаемого устройства являются:Salient features of the proposed device are:

- применение линейных пьезоакселерометров с нормализованной (одинаковой) продольной линейной чувствительностью;- the use of linear piezoelectric accelerometers with normalized (identical) longitudinal linear sensitivity;

- установка линейных пьезоакселерометров на основании осями, соответствующими направлению их минимальной поперечной чувствительности, параллельно оси измерения углового ускорения;- installation of linear piezoelectric accelerometers based on axes corresponding to the direction of their minimum transverse sensitivity, parallel to the axis of measurement of angular acceleration;

- установка линейных пьезоакселерометров на основании осями, соответствующими направлению их максимальной поперечной чувствительности, встречно.- installation of linear piezoelectric accelerometers on the basis of the axes corresponding to the direction of their maximum transverse sensitivity, counter.

Ни одним из указанных полезных свойств прототип не обладает, что свидетельствует о новизне предлагаемого технического решения.The prototype does not possess any of these useful properties, which indicates the novelty of the proposed technical solution.

Поскольку устройства, предназначенные для измерения угловых виброускорений, хотя и широко используются в технике, но развиты недостаточно, возможность использования для этой цели материальной части надежных, точных и хорошо воспроизводимых в условиях массового производства линейных акселерометров несомненно является полезным свойством заявляемого технического решения, делающим целесообразным его практическое использование.Since the devices designed to measure angular vibration accelerations, although widely used in technology, are not sufficiently developed, the possibility of using reliable, accurate and well reproducible linear accelerometers for this purpose in mass production is undoubtedly a useful property of the claimed technical solution, which makes it expedient practical use.

Устройство для измерения углового ускорения работает следующим образом.A device for measuring angular acceleration operates as follows.

Основание 1 закрепляют на исследуемом изделии. Элементы крепления устройства не приведены и могут иметь различную конструкцию в зависимости от конструкции изделия.The base 1 is fixed on the test product. The mounting elements of the device are not shown and may have a different design depending on the design of the product.

Первый линейный пьезоакселерометр 2 и второй линейный пьезоакселерометр 3 подключают электрически через сумматор зарядов 4 к измерительному устройству 5. При колебаниях основания 1 вокруг оси Z заряды первого линейного пьезоакселерометра 2 и второго линейного пьезоакселерометра 3 суммируются, а при действии остальных компонент колебаний взаимно компенсируются и производится измерение углового ускорения исследуемого изделия.The first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 are connected electrically through the charge adder 4 to the measuring device 5. When the base 1 oscillates around the Z axis, the charges of the first linear piezo-accelerometer 2 and the second linear piezo-accelerometer 3 are summed up, and when the remaining components of the oscillations are mutually compensated and measured angular acceleration of the investigated product.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения углового ускорения, работающее на использовании двух разнесенных линейных пьезоакселерометров нормализованной чувствительности и определенным образом закрепленных на основании, обеспечивает высокоточное измерение одной компоненты углового ускорения. Этим достигается поставленный технический результат.Thus, the proposed device for measuring angular acceleration, using two spaced linear piezoelectric accelerometers of normalized sensitivity and in a certain way fixed on the base, provides highly accurate measurement of one component of angular acceleration. This achieves the set technical result.

Перечень источников, рассмотренных при патентном поиске.The list of sources considered in a patent search.

1. Авторское свидетельство СССР №250550 «Датчик углового ускорения», МПК G01P, опубл. 12.08.1969.1. USSR author's certificate No. 250550 "Angular acceleration sensor", IPC G01P, publ. 08/12/1969.

2. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машиностроение, 1963 – 756 с.2. Iorish Yu.I. Vibrometry. M.: Mechanical Engineering, 1963 - 756 p.

3. Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press – New York, 1984 – 277 с.3. Еwins D.J. Modal Testing: Theory and Practice. Research Studies Press - New York, 1984 - 277 p.

4. Патент США №4996878 «Transducer element for measuring angular and linear acceleration», МПК G01P15/09, G01P15/12, опубл. 05.03.1991.4. US patent No. 4996878 "Transducer element for measuring angular and linear acceleration", IPC G01P15 / 09, G01P15 / 12, publ. 03/05/1991.

5. Патент США №6397677 «Piezoelectric rotational accelerometer», МПК G01P15/08, G01P15/09, G01P15/18, опубл. 04.06.2002 (прототип).5. US patent No. 6397677 "Piezoelectric rotational accelerometer", IPC G01P15 / 08, G01P15 / 09, G01P15 / 18, publ. 06/04/2002 (prototype).

6. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители: Справочник по теории и эксплуатации. Изд. фирмы «Брюль и Къер», Дания, 1978 – 111 с.6. Piezoelectric accelerometers and preamps: A guide to theory and operation. Ed. Bruhl & Kjr, Denmark, 1978 - 111 p.

Claims

A device for measuring angular acceleration, containing a base with two spaced linear piezo-accelerometers installed on it, while the axes of maximum sensitivity of the linear piezo-accelerometers are parallel to each other and perpendicular to the axis of rotation of the base, and the polarity of the linear piezo-accelerometers is opposite, while the outputs of the linear piezo-accelerometers are connected through the adder device, characterized in that the maximum longitudinal sensitivity of the linear piezoelectric accelerator it is the same, and linear piezoelectric accelerometers are mounted on the base in such a way that the axes of their minimum transverse sensitivity are parallel to the axes of the measured angular oscillations, and the axes of their maximum transverse sensitivity are oriented in the opposite direction.