RU2568956C1 - Method to calibrate angular acceleration sensor - Google Patents
Method to calibrate angular acceleration sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568956C1 RU2568956C1 RU2014133459/28A RU2014133459A RU2568956C1 RU 2568956 C1 RU2568956 C1 RU 2568956C1 RU 2014133459/28 A RU2014133459/28 A RU 2014133459/28A RU 2014133459 A RU2014133459 A RU 2014133459A RU 2568956 C1 RU2568956 C1 RU 2568956C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- angular acceleration
- pendulum
- axis
- angle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области механических измерений, в частности к измерению углового ускорения, применительно к стендам для определения моментов инерции тел.The invention relates to the field of mechanical measurements, in particular to the measurement of angular acceleration, as applied to stands for determining the moments of inertia of bodies.
В настоящее время силами специалистов ЦАГИ разработаны стенды для измерения массы, координат центра масс и моментов инерции изделий машиностроения различного назначения (Богданов В.В., Веселов Н.В., Панченко И.Н. и др. Стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия. // Датчики и системы, 2010, №6, с. 24-28), (Богданов В.В., Веселов Н.В., Панченко И.Н. и др. // Патент 2358880 РФ, Стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия), (Богданов В.В., Панченко И.Н., Някк В.А., Чумаченко Е.К. // Патент 2434213 РФ, Стенд для измерения массы, координат центра масс и тензора инерции изделия), (Богданов В.В., Панченко И.Н. К теории измерения массы, координат центра масс и моментов инерции тел.// Датчики и системы, 2013, №8, с. 12-15), (Богданов В.В., Панченко И.Н., Чумаченко Е.К. Цифровая обработка сигналов и результаты тестирования стенда. // Датчики и системы, 2010, №5, с. 29-33).Currently, TsAGI specialists have developed stands for measuring mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia of engineering products for various purposes (Bogdanov VV, Veselov NV, Panchenko IN, etc. A stand for measuring mass, center coordinates mass and inertia tensor of the product. // Sensors and Systems, 2010, No. 6, pp. 24-28), (Bogdanov V.V., Veselov N.V., Panchenko I.N. et al. // RF Patent 2358880 , A stand for measuring mass, coordinates of the center of mass and inertia tensor of a product), (Bogdanov V.V., Panchenko I.N., Nyakk V.A., Chumachenko E.K. // RF Patent 2434213, Stand for measuring rhenium mass, coordinates of the center of mass and the inertia tensor of the product), (Bogdanov V.V., Panchenko I.N. On the theory of measuring mass, coordinates of the center of mass and moments of inertia tel. 12-15), (Bogdanov V.V., Panchenko I.N., Chumachenko E.K. Digital signal processing and bench test results. // Sensors and Systems, 2010, No. 5, p. 29-33).
При измерении моментов инерции изделию задают угловые колебания вокруг неподвижных осей стенда. По параметрам, полученным от датчиков момента и датчиков угловых ускорений, вычисляют моменты инерции изделий. На практике из-за компоновки изделия на стенде не удается расположить датчики угловых ускорений на осях, вокруг которых происходит колебания, и их устанавливают на некотором расстоянии L от оси вращения (см. приложение), тогда датчик, кроме углового ускорения, испытывает и линейное ускорение. Для измерения углового ускорения разработан датчик углового ускорения (ДУУ), позволяющий с высокой точностью селектировать сигналы углового ускорения из смеси линейного и углового ускорений, одновременно действующих на датчик.When measuring the moments of inertia, the product is given angular vibrations around the stationary axes of the bench. According to the parameters obtained from the moment sensors and angular acceleration sensors, the moments of inertia of the products are calculated. In practice, due to the arrangement of the product on the stand, it is not possible to position the angular acceleration sensors on the axes around which oscillations occur, and they are installed at a certain distance L from the rotation axis (see the appendix), then the sensor, in addition to angular acceleration, also experiences linear acceleration . An angular acceleration sensor (DUU) has been developed for measuring angular acceleration, which allows high-precision selection of angular acceleration signals from a mixture of linear and angular accelerations acting simultaneously on the sensor.
Применяемые на стендах ДУУ периодически калибруют.The DUU used at the stands are periodically calibrated.
Известен способ воспроизведения и передачи рабочим средствам измерения (в том числе датчикам) размера единицы постоянного углового ускорения (см. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений постоянного углового ускорения в диапазоне , ГОСТ 8.289-78). В качестве образцовых средств измерений применяют образцовые меры, работающие на принципах: падающего в аэростатическом подвесе винта, блока с падающим грузом, управляемых электродвигателей. Образцовые средства измерений применяют для проверки рабочих угловых акселерометров методом прямых измерений. В качестве рабочих средств измерений применяют угловые акселерометры, допускаемые относительные погрешности которых доходят 15%.A known method of reproducing and transmitting to working measuring instruments (including sensors) the size of a unit of constant angular acceleration (see State primary standard and the all-Union calibration scheme for measuring instruments of constant angular acceleration in the range GOST 8.289-78). As exemplary measuring instruments, exemplary measures are applied that operate on the principles of: a propeller falling in an aerostatic suspension, a unit with a falling load, and controlled electric motors. Exemplary measuring instruments are used to test working angle accelerometers by direct measurements. As working measuring instruments, angular accelerometers are used, the permissible relative errors of which reach 15%.
Недостаток указанных способов для калибровки ДУУ заключается в следующем. В системе стенда для определения моментов инерции ДУУ измеряют переменное угловое ускорение на некоторой фиксированной частоте колебаний ƒ0. Калибровка датчика на постоянном угловом ускорении не позволяет учесть динамическую погрешность датчика, возникающую при измерении переменного ускорения. Кроме того, остается открытым вопрос о влиянии линейного ускорения на показания датчика.The disadvantage of these methods for calibrating the remote control is as follows. In the stand system for determining the moments of inertia of the remote control system, the variable angular acceleration is measured at a certain fixed frequency of oscillations ƒ 0 . Calibration of the sensor at constant angular acceleration does not allow to take into account the dynamic error of the sensor that occurs when measuring variable acceleration. In addition, the question remains of the effect of linear acceleration on the sensor readings.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ калибровки датчика переменного углового ускорения, используемый при измерении динамических моментов в электроприводах (см. Соколов М.М., Масандилов Л.Б. Измерение динамических моментов в электроприводах переменного тока, стр. 154…156 // Издательство «Энергия», Москва. 1975 г.)Closest to the proposed solution is a method for calibrating a variable angular acceleration sensor used in measuring dynamic moments in electric drives (see Sokolov M.M., Masandilov L.B. Measurement of dynamic moments in alternating current electric drives, pp. 154 ... 156 // Publisher "Energy", Moscow. 1975)
Датчик углового ускорения устанавливают на вал электродвигателя, при этом совмещают ось ДУУ с осью вращения вала электродвигателя и на валу устанавливают штатный датчик угловой скорости ω0. ДУУ подвергают действию известного углового ускорения и путем обработки выходного сигнала ДУУ находят коэффициент преобразования углового ускорения в электрический сигнал.The angular acceleration sensor is installed on the motor shaft, while the DUU axis is combined with the axis of rotation of the motor shaft and a standard angular velocity sensor ω 0 is installed on the shaft. DUU is subjected to the action of known angular acceleration and by processing the output signal DUU find the conversion coefficient of angular acceleration into an electrical signal.
Выходной сигнал датчика углового ускорения:The output signal of the angular acceleration sensor:
где: k - коэффициент преобразования углового ускорения в электрический сигнал;where: k is the conversion coefficient of angular acceleration into an electrical signal;
- мгновенное значение углового ускорения. - instantaneous value of angular acceleration.
Электропривод разгоняют, на вал действует угловое ускорение и угловая скорость растет.The electric drive is accelerated, angular acceleration acts on the shaft and the angular velocity increases.
Для определенного интервала кривой разгона записывают интеграл от левой и правой частей формулы (1):For a certain interval of the acceleration curve, write the integral from the left and right sides of formula (1):
где: t1 и t2- границы интервала кривой углового ускорения;where: t 1 and t 2 are the boundaries of the interval of the curve of angular acceleration;
ω1 и ω2 - границы интервала кривой угловой скорости.ω 1 and ω 2 are the boundaries of the interval of the angular velocity curve.
Откуда: From:
где: - площадь под кривой сигнала датчика ускорения на интервале времени с границами t1 и t2.Where: - the area under the curve of the signal of the acceleration sensor in the time interval with boundaries t 1 and t 2 .
Δω - интервал угловых скоростей с границами ω1 и ω2.Δω is the range of angular velocities with boundaries ω 1 and ω 2 .
Основной недостаток данного способа калибровки ДУУ заключается в том, что он не пригоден для знакопеременных ускорений. Если ускорение изменяется по периодическому закону, что имеет место на стендах, измеряющих моменты инерции, интегралы (2) обращаются в ноль, либо имеют слишком малую величину, непригодную для дальнейшей обработки. Кроме того, указанный способ не позволяет производить калибровку датчика при одновременном действии углового и линейного ускорений.The main disadvantage of this method of calibrating the remote control is that it is not suitable for alternating accelerations. If the acceleration varies according to the periodic law, which takes place on the stands measuring the moments of inertia, the integrals (2) turn to zero, or they are too small, unsuitable for further processing. In addition, this method does not allow calibration of the sensor under the simultaneous action of angular and linear accelerations.
Задачей данного изобретения является предложение способа калибровки, при котором датчик первоначально подвергают действию только углового ускорения (без действия линейного ускорения), а затем действию такого же углового ускорения и линейного ускорения одновременно.The objective of the invention is to propose a calibration method in which the sensor is initially exposed only to angular acceleration (without linear acceleration), and then to the same angular acceleration and linear acceleration at the same time.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности калибровки ДУУ в условиях, максимально приближенных к условиям его работы на стенде для измерения моментов инерции, определение коэффициента преобразования углового ускорения в выходной сигнал датчика и определение влияния вектора линейного ускорения на этот коэффициент.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy of calibrating the remote control in conditions as close as possible to the conditions of its operation on the bench for measuring moments of inertia, determining the conversion coefficient of angular acceleration into the output signal of the sensor and determining the effect of the linear acceleration vector on this coefficient.
Технический результат достигается тем, что в способе калибровки датчика углового ускорения его (датчик углового ускорения) устанавливают на вал, подвергают его действию известного углового ускорения и путем обработки выходного сигнала датчика находят коэффициент преобразования углового ускорения в электрический сигнал, при этом датчик углового ускорения устанавливают на маятнике, его ось совмещают с осью вращения маятника, а ось динамического аналога датчика - с точкой маятника, отстоящей от его оси вращения на заданном расстоянии, маятник отклоняют на допустимый по условию изохронности угол φ(t=0)≤8° и отпускают, производят дискретные отсчеты сигналов датчика угла α(n) и углового ускорения , по дискретным отсчетам сигнала датчика угла рассчитывают коэффициенты цифрового режекторного фильтра, которые используют для определения собственной круговой частоты колебаний маятника:The technical result is achieved by the fact that in the method of calibrating the angular acceleration sensor (angular acceleration sensor) is mounted on the shaft, subjected to the action of the known angular acceleration, and by processing the output signal of the sensor, the conversion coefficient of the angular acceleration into an electrical signal is found, while the angular acceleration sensor is installed on the pendulum, its axis is combined with the axis of rotation of the pendulum, and the axis of the dynamic analogue of the sensor - with the point of the pendulum, which is separated from its axis of rotation at a given distance, ma the casing is deflected by an angle φ (t = 0) ≤8 ° allowed by the isochronism condition and released, discrete readings of the signals of the angle sensor α (n) and angular acceleration are performed , from discrete samples of the angle sensor signal, the coefficients of a digital notch filter are calculated, which are used to determine the natural circular frequency of the oscillations of the pendulum:
, ,
где: ω1 - собственная круговая частота колебаний маятника;where: ω 1 is the natural circular frequency of the oscillations of the pendulum;
- угол поворота собственного вектора характеристического уравнения; - the angle of rotation of the eigenvector of the characteristic equation;
а1 и а2 - коэффициенты цифрового фильтра;and 1 and a 2 are the coefficients of the digital filter;
- оптимальное целое число шагов задержки сигнала в цифровом фильтре; - the optimal integer number of delay steps of the signal in the digital filter;
- частота дискретизации сигнала; - signal sampling rate;
- коэффициент затухания колебаний; - damping coefficient of oscillations;
по дискретным отсчетам сигналов датчиков угла и углового ускорения рассчитывают коэффициент преобразования углового ускорения в выходной электрический сигнал датчика:from the discrete samples of the signals of the angle and angular acceleration sensors, the conversion coefficient of the angular acceleration into the output electrical signal of the sensor is calculated:
, ,
где: s - коэффициент преобразования, размерностью ;where: s - conversion coefficient, dimension ;
- собственная недемпфированная частота колебаний; при этом на величину коэффициента затухания колебаний маятника накладывают ограничение: β≤0,01, после чего датчик углового ускорения и динамический аналог датчика меняют местами и снова определяют коэффициент преобразования датчика в условиях действия на него углового ускорения и вектора линейного ускорения. - intrinsic undamped oscillation frequency; at the same time, the limitation coefficient of the oscillation pendulum is limited by β≤0.01, after which the angular acceleration sensor and the dynamic analog of the sensor are interchanged and the conversion coefficient of the sensor is again determined under the conditions of the action of angular acceleration and the linear acceleration vector on it.
Для более подробного пояснения предлагаемого изобретения рассмотрим схему стенда, его конструкцию и принцип действия.For a more detailed explanation of the invention, we consider the layout of the stand, its design and principle of operation.
На фиг. 1 показана аксонометрическая проекция стенда для калибровки ДУУ;In FIG. 1 shows a perspective view of a bench for calibrating a child restraint;
На фиг. 2 показаны векторы ускорений, действующие на маятник;In FIG. 2 shows the acceleration vectors acting on the pendulum;
На фиг. 3 приведена структурная схема режекторного (нерекурсивного) цифрового фильтра.In FIG. 3 shows a block diagram of a notch (non-recursive) digital filter.
Стенд (см. фиг. 1) состоит из станины 1, на которой закреплен узел поворота 2, на его валу с одной стороны установлен датчик угла 3, а на другой - стержень 4, к которому закреплен груз 5. Стержень и груз образуют маятник. На стержне 4 устанавливают ДУУ 6 и динамический аналог датчика (ДАД) 7, имеющий такие же, как у ДУУ, массу, момент инерции и угловую жесткость. Если на оси вращения устанавливают ДУУ 6, то на расстоянии L от оси вращения закрепляют ДАД 7, причем ось ДУУ 6 совмещают с осью вращения маятника, а ось ДАД 7 - с точкой маятника, отстоящей от оси вращения на заданное расстояние. При установке ДУУ 6 на расстоянии L, на оси вращения устанавливают ДАД 7. Перемещением груза 5 по стержню 4 подбирают необходимую частоту колебаний маятника. ДУУ 6 подвергают действию известного углового ускорения путем колебательных движений маятника. Маятник отклоняют на допустимый по условию изохронности угол φ(t=0)≅8° (см. фиг. 2) от положения равновесия и отпускают.The stand (see Fig. 1) consists of a bed 1, on which the
Производят дискретные отсчеты сигналов датчика угла α(n) и углового ускорения , по дискретным отсчетам сигнала датчика угла рассчитывают коэффициенты цифрового режекторного фильтра, которые используют для определения собственной круговой частоты колебаний маятника:Discrete readings of the signals of the angle sensor α (n) and angular acceleration , from discrete samples of the angle sensor signal, the coefficients of a digital notch filter are calculated, which are used to determine the natural circular frequency of the oscillations of the pendulum:
, ,
где: ω1 - собственная круговая частота колебаний маятника;where: ω 1 is the natural circular frequency of the oscillations of the pendulum;
- угол поворота собственного вектора характеристического уравнения; - the angle of rotation of the eigenvector of the characteristic equation;
а1 и а2 - коэффициенты цифрового фильтра;and 1 and a 2 are the coefficients of the digital filter;
- оптимальное целое число шагов задержки сигнала в цифровом фильтре; - the optimal integer number of delay steps of the signal in the digital filter;
- частота дискретизации сигнала; - signal sampling rate;
- коэффициент затухания колебаний; - damping coefficient of oscillations;
по дискретным отсчетам сигналов датчиков угла и углового ускорения рассчитывают коэффициент преобразования углового ускорения в выходной электрический сигнал датчика:from the discrete samples of the signals of the angle and angular acceleration sensors, the conversion coefficient of the angular acceleration into the output electrical signal of the sensor is calculated:
, ,
где: s - коэффициент преобразования, размерностью ;where: s - conversion coefficient, dimension ;
- собственная недемпфированная частота колебаний; при этом на величину коэффициента затухания колебаний маятника накладывают ограничение: β≤0,01, после чего датчик углового ускорения и динамический аналог датчика меняют местами и снова определяют коэффициент преобразования датчика в условиях действия на него углового ускорения и вектора линейного ускорения. - intrinsic undamped oscillation frequency; at the same time, the limitation coefficient of the oscillation pendulum is limited by β≤0.01, after which the angular acceleration sensor and the dynamic analog of the sensor are interchanged and the conversion coefficient of the sensor is again determined under the conditions of the action of angular acceleration and the linear acceleration vector on it.
Дифференциальное уравнение свободных колебаний маятника вокруг оси вращения (ОВ), параллельной оси Ζ (фиг. 2).The differential equation of free oscillations of the pendulum around the axis of rotation (OB) parallel to the axis Ζ (Fig. 2).
где: Jz - момент инерции маятника относительно оси Z;where: Jz is the moment of inertia of the pendulum relative to the Z axis;
l - расстояние между центром масс (ЦМ) маятника и ОВ;l is the distance between the center of mass (CM) of the pendulum and OM;
g - ускорение свободного падения;g is the acceleration of gravity;
φ - угол поворота маятника.φ is the angle of rotation of the pendulum.
Уравнение (3) позволяет найти собственную частоту колебаний маятника, которая в силу нелинейности уравнения зависит от амплитуды угла поворота.Equation (3) allows you to find the natural frequency of the pendulum, which, due to the nonlinearity of the equation, depends on the amplitude of the angle of rotation.
Для малых углов поворота собственная частота маятника определяется зависимостью (см. Маркеев А.П. Теоретическая механика. // М. «Наука», 1990, стр. 155):For small rotation angles, the natural frequency of the pendulum is determined by the dependence (see Markeev A.P. Theoretical Mechanics. // M. "Science", 1990, p. 155):
где: - приведенная длина маятника: ;Where: - reduced length of the pendulum: ;
φm = максимальный угол поворота маятника.φ m = maximum angle of rotation of the pendulum.
Поскольку маятник совершает затухающие колебания, то в соответствии с уравнением (4) по мере уменьшения угла поворота частота маятника будет меняться (расти), по этой причине колебания маятника становятся неизохронными.Since the pendulum makes damped oscillations, in accordance with equation (4), as the angle of rotation decreases, the frequency of the pendulum will change (increase), for this reason, the oscillations of the pendulum become non-isochronous.
В результате возникает ошибка в определении частоты, обусловленная неизохронностью колебаний.As a result, an error arises in determining the frequency due to the non-synchronization of oscillations.
Так, для максимального угла отклонения φm=8° ошибка составляет 0,12%, а для φ=6° соответственно 0,068%.So, for the maximum deviation angle φ m = 8 °, the error is 0.12%, and for φ = 6 °, 0.068%, respectively.
Дифференциальное уравнение колебаний маятника с учетом малости угла отклонения и сопротивлении потерь, пропорционального скорости:The differential equation of the oscillations of the pendulum, taking into account the smallness of the deflection angle and the loss resistance, proportional to the speed:
где: h - коэффициент сопротивления.where: h is the resistance coefficient.
Уравнение (5) путем несложных преобразований приводится к виду:Equation (5) by simple transformations is reduced to the form:
где: ω0 - собственная недемпфированная круговая частота маятника:where: ω 0 - intrinsic undamped circular frequency of the pendulum:
: :
β - коэффициент затухания колебаний: β is the damping coefficient of oscillations:
Если задать маятнику малое начальное отклонение φm, из уравнения (6) получим следующий закон изменения угла поворота по времени:If we set the pendulum to a small initial deviation φ m , from equation (6) we obtain the following law of change in the angle of rotation in time:
где: ω1 - собственная демпфированная круговая частота колебаний: ;where: ω 1 - own damped circular oscillation frequency: ;
Ψ - фазовый угол: .Ψ - phase angle: .
Закон изменения по времени углового ускорения:The law of change in time of angular acceleration:
Как видно из уравнения (8), для воспроизведения углового ускорения необходимо знание амплитуды φm, собственной круговой частоты ω0 и коэффициента затухания колебаний β.As can be seen from equation (8), to reproduce angular acceleration, it is necessary to know the amplitude φ m , the natural circular frequency ω 0 and the damping coefficient of the oscillations β.
Центральной задачей является определение собственной частоты колебаний по дискретным отсчетам сигнала датчика угла α(n).The central task is to determine the natural frequency of oscillations from discrete samples of the signal of the angle sensor α (n) .
Для ее решения цифровую последовательность угла поворота φ(n) пропускают через режекторный (нерекурсивный) цифровой фильтр (фиг. 3) с передаточной функцией:To solve it, the digital sequence of the rotation angle φ (n) is passed through a notch (non-recursive) digital filter (Fig. 3) with a transfer function:
где: z - оператор дискретного преобразования Лапласа;where: z is the operator of the discrete Laplace transform;
m - коэффициент задержки сигнала в цифровом фильтре - целое число больше единицы (вводится с целью повышения точности измерения частоты колебаний);m is the delay coefficient of the signal in the digital filter - an integer greater than one (introduced to improve the accuracy of measuring the frequency of oscillations);
К - масштабирующий коэффициент:K - scaling factor:
. .
Ζ - преобразование дискретной цифровой последовательности сигнала угла поворота:Ζ - conversion of the discrete digital sequence of the angle signal:
После перехода в уравнении (7) к дискретному времени t=m·(n·Δt) и выполнения необходимых преобразований получают:After the transition in equation (7) to the discrete time t = m · (n · Δt) and performing the necessary transformations, one obtains:
где: Δt- временной шаг дискретизации сигнала;where: Δt is the time step of signal sampling;
R - модуль корней характеристического уравнения, определяется коэффициентами b1,bn.R is the modulus of the roots of the characteristic equation, determined by the coefficients b 1 , b n .
Выражение (11) является общим для класса сигналов, описываемых уравнением (7).Expression (11) is common for the class of signals described by equation (7).
Для определения неизвестных коэффициентов b1 и b2 коэффициенты фильтра a1 и a2 настраивают таким образом, чтобы выполнялись условия:To determine the unknown coefficients b 1 and b 2, the filter coefficients a 1 and a 2 are adjusted so that the following conditions are met:
при реализации которых фильтр «запирается», в результате чего выходная последовательность фильтра y(n) обращается в ноль.when implemented, the filter is “locked”, as a result of which the output sequence of the filter y (n) becomes zero.
Подбор коэффициентов a1 и a2 осуществляется следующим образом.The selection of the coefficients a 1 and a 2 as follows.
В соответствии с передаточной функцией (9) выходная цифровая последовательность фильтра:In accordance with the transfer function (9), the output digital sequence of the filter:
Дисперсия y(n) (см. Марпл М.Л. и Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. // Пер. с англ. М., Мир, 1990):Dispersion y (n) (see Marple M.L. and Marple S.L. Digital spectral analysis and its applications. // Transl. From English. M., Mir, 1990):
где: N - общее количество отсчетов сигнала.where: N is the total number of samples of the signal.
Для определения коэффициентов имеем два условия:To determine the coefficients, we have two conditions:
, ,
которые приводят к системе N-2m линейных уравнений, решаемых методом наименьших квадратов.which lead to a system of N-2m linear equations solved by the least squares method.
В результате получают (см. Худсон К. Статистика для физиков. // М., Мир, 1970, стр. 152):The result is (see Hudson K. Statistics for physicists. // M., Mir, 1970, p. 152):
где: а - вектор-столбец искомых коэффициентов:where: a is the column vector of the desired coefficients:
; ;
φ, s - одностолбцовая и двухстолбцовая матрицы:φ, s are one-column and two-column matrices:
Τ - оператор транспонирования матриц.Τ is the matrix transpose operator.
Корни характеристического уравнения фильтра:The roots of the characteristic equation of the filter:
где: Where:
Частота запирания фильтра равна частоте колебаний маятника:The filter locking frequency is equal to the oscillation frequency of the pendulum:
Входящий в выражение (16) угол α определяют коэффициентами a1 и а2 цифрового фильтра.The angle α included in expression (16) is determined by the coefficients a 1 and a 2 of the digital filter.
Поскольку коэффициенты содержат погрешности измерений, частота ω1 также будет измеряться с погрешностью.Since the coefficients contain measurement errors, the frequency ω 1 will also be measured with an error.
Среднеквадратическая погрешность измерения частоты:RMS error of frequency measurement:
где: и - среднеквадратические погрешности коэффициентов а1 и а2.Where: and - standard errors of the coefficients a 1 and a 2 .
Выполняя дифференцирование уравнений (18), после несложных преобразований получают:Performing the differentiation of equations (18), after simple transformations get:
При - погрешность достигает минимума:At - the error reaches a minimum:
иand
Подставляя в (16) оптимальное значение , получим:Substituting the optimal value in (16) we get:
где: ƒд - частота дискретизации сигнала: ;where: ƒ d - signal sampling frequency: ;
ƒ1 - частота колебаний маятника: .ƒ 1 - oscillation frequency of the pendulum: .
Коэффициент затухания βAttenuation coefficient β
В ряде случаев необходимо знать коэффициент затухания β. Такая необходимость возникает при измерении амплитуды угла поворота.In some cases, it is necessary to know the attenuation coefficient β. This need arises when measuring the amplitude of the angle of rotation.
Из уравнения (15):From equation (15):
подставляют в уравнение (22):substitute in equation (22):
, ,
и производя логарифмирование, после несложных преобразований получают:and making logarithms, after simple transformations get:
Коэффициент преобразования датчика углового ускоренияAngular acceleration sensor conversion coefficient
Источником выходного сигнала ДУУ является тензометрический мост. Выходной сигнал моста, как принято, нормируют в относительных единицах.The source of the output signal of the remote control is the strain gauge bridge. The output signal of the bridge, as usual, is normalized in relative units.
В нашем случае: ,In our case: ,
где: - относительный выходной сигнал датчика;Where: - relative output signal of the sensor;
ΔU - сигнальное напряжение;ΔU is the signal voltage;
Un - напряжение питания моста.U n is the supply voltage of the bridge.
Между сигнальным напряжением и угловым ускорением существует линейная зависимость, которая подтверждается статической калибровкой датчика: ,There is a linear relationship between the signal voltage and angular acceleration, which is confirmed by the static calibration of the sensor: ,
где: s - коэффициент преобразования датчика.where: s is the conversion coefficient of the sensor.
Для определения коэффициента преобразования необходимо располагать опорным сигналом, который по форме совпадал бы с сигналом углового ускорения (8) (см. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. // М., Издательство иностранной литературы, 1963 г.) В качестве опорного берут сигнал угла поворота в уравнении (7).To determine the conversion coefficient, it is necessary to have a reference signal that would coincide in shape with an angular acceleration signal (8) (see Helstrom K. Statistical Theory of Signal Detection. // M., Publishing House of Foreign Literature, 1963) A signal is taken as the reference angle of rotation in equation (7).
Дисперсия разности сигналов с учетом дискретного времени:Dispersion of the signal difference taking into account discrete time:
. .
Полагая , находят:Assuming find:
По поводу выражения (24) необходимо сделать следующие замечания.Regarding expression (24), the following remarks should be made.
Дело в том, что сигналы угла поворота и ускорения отличаются по фазе. В первом случае фазовый угол +Ψ, а во втором -Ψ. При стремлении β→0 фазовый угол в соответствии с уравнением (7) стремится к , и сигналы с точностью до знака совпадают по форме.The fact is that the rotation angle and acceleration signals differ in phase. In the first case, the phase angle is + Ψ, and in the second -Ψ. As β → 0 tends, the phase angle in accordance with equation (7) tends to , and the signals coincide up to the sign in shape.
Обозначают погрешность измерения коэффициента s, обусловленную несовпадением формы сигналов, через и подсчитывают зависимость δ% от коэффициента затухания β.The error in the measurement of the coefficient s due to the mismatch of the waveform is denoted by and calculate the dependence of δ% on the attenuation coefficient β.
Результаты расчетов приведены в таблице №1.The calculation results are shown in table No. 1.
Из таблицы №1 находим, что при:From table No. 1 we find that when:
погрешностью от несовпадения формы сигналов можно пренебречь.the error from the mismatch of the waveform can be neglected.
Одновременно условие (25) обеспечивает с точностью 0,005% равенство частот ω0 и ω1, и, как следствие, частота ω0 перестает зависеть от коэффициента затухания β, который, в свою очередь, зависит от окружающей температуры, давления и других факторов.At the same time, condition (25) ensures the accuracy of the frequencies ω 0 and ω 1 with an accuracy of 0.005%, and, as a result, the frequency ω0 ceases to depend on the damping coefficient β, which, in turn, depends on the ambient temperature, pressure, and other factors.
Амплитуда угла поворотаAmplitude of rotation angle
Дискретный сигнал угла поворота:Discrete angle signal:
С учетом малости коэффициента затухания колебаний β можно записать:Given the smallness of the damping coefficient of oscillations β, we can write:
где: Where:
Дисперсия разности сигналов:Signal difference dispersion:
. .
Полагая: , находим:Assuming: we find:
Воспроизведение маятником линейного ускоренияPendulum reproduction of linear acceleration
При установке ДУУ на расстоянии lc от оси вращения маятника на ДУУ кроме углового ускорения действует и линейное ускорение. Чувствительность датчика к линейному ускорению объясняется некоторой остаточной несбалансированностью инерционной массы, выполненной в виде обода, насаженного на осесимметричный тензометрический элемент. Маятник позволяет выполнить, в случае необходимости, добалансировку ДУУ и тем самым свести к допустимому минимуму его чувствительность к линейному ускорению.When installing the remote control at a distance l c from the axis of rotation of the pendulum on the remote control, in addition to angular acceleration, linear acceleration also acts. The sensitivity of the sensor to linear acceleration is explained by a certain residual imbalance of the inertial mass, made in the form of a rim mounted on an axisymmetric tensometric element. The pendulum allows, if necessary, to balance the remote control system and thereby reduce its sensitivity to linear acceleration to an acceptable minimum.
С этой целью ось ДУУ первоначально совмещают с осью маятника, где действует только угловое ускорение и отсутствует линейное ускорение.To this end, the axis of the remote control system is initially combined with the axis of the pendulum, where only angular acceleration acts and there is no linear acceleration.
После чего ДУУ и ДАД меняют местами, т.е. ось ДУУ будет находиться на расстоянии lc, от оси вращения маятника.After that, the DUU and DBP are interchanged, i.e. axis DUU will be at a distance l c from the axis of rotation of the pendulum.
В общем случае вектор линейного ускорения в точке, смещенной на расстояние lc от оси вращения:In the General case, the linear acceleration vector at a point offset by a distance l c from the axis of rotation:
где: u - вектор скорости точки;where: u is the velocity vector of the point;
τ и ν - единичные взаимно перпендикулярные векторы.τ and ν are unit mutually perpendicular vectors.
Первый член уравнения (27) представляет центростремительное ускорение. При колебаниях датчика с круговой частотой ω0, центростремительное ускорение имеет частоту 2ω0 и при обработке сигнала датчика не учитывается.The first term in equation (27) represents centripetal acceleration. When the sensor oscillates with a circular frequency ω 0 , centripetal acceleration has a frequency of 2ω 0 and is not taken into account when processing the sensor signal.
Второй член является тангенциальным ускорением с амплитудой:The second term is tangential acceleration with amplitude:
Маятник наиболее полно моделирует работу ДУУ в системе стенда при измерении моментов инерции, при этом точность калибровки повышается, если частота и амплитуда колебаний, при которых она проводится, близка или совпадает с ожидаемой частотой колебаний соответствующих рам стенда при измерении моментов инерции изделия.The pendulum most fully simulates the operation of the remote control in the bench system when measuring moments of inertia, while the calibration accuracy increases if the frequency and amplitude of the vibrations at which it is carried out is close to or coincides with the expected frequency of vibrations of the corresponding frames of the stand when measuring the moments of inertia of the product.
На существующих стендах максимальное удаление датчика углового ускорения от оси вращения изделия составляет величину l≅0,5 м.At existing stands, the maximum distance of the angular acceleration sensor from the axis of rotation of the product is l≅0.5 m.
При φm=8°; ƒ0=0,8 Гц, aτ=1,76 м/сек2 или aτ=0,18·g.When φ m = 8 °; ƒ 0 = 0.8 Hz, a τ = 1.76 m / s 2 or a τ = 0.18 g.
Зная показания датчика при действии только углового ускорения и показания датчика при действии дополнительно линейного ускорения, при проведении измерений на стенде вводят поправки, позволяющие получить действующие значения углового ускорения с высокой точностью.Knowing the sensor readings under the action of only angular acceleration and the sensor readings under the action of additional linear acceleration, when making measurements at the bench, corrections are introduced to obtain the effective values of the angular acceleration with high accuracy.
Claims (1)
,
где: ω1 - собственная круговая частота колебаний маятника;
- угол поворота собственного вектора характеристического уравнения;
а1 и а2 - коэффициенты цифрового фильтра;
- оптимальное целое число шагов задержки сигнала в цифровом фильтре;
- частота дискретизации сигнала;
- коэффициент затухания колебаний;
по дискретным отсчетам сигналов датчиков угла и углового ускорения рассчитывают коэффициент преобразования углового ускорения в выходной электрический сигнал датчика:
,
где: s - коэффициент преобразования, размерностью ;
- собственная недемпфированная частота колебаний;
при этом на величину коэффициента затухания колебаний маятника накладывают ограничение: β≤0,01, после чего датчик углового ускорения и динамический аналог датчика меняют местами и снова определяют коэффициент преобразования датчика в условиях действия на него углового ускорения и вектора линейного ускорения. The method of calibrating the angular acceleration sensor, namely, that the angular acceleration sensor is mounted on the shaft, subjected to the action of known angular acceleration, and by processing the output signal of the sensor find the conversion coefficient of the angular acceleration into an electrical signal, characterized in that the angular acceleration sensor is installed on the pendulum, its axis is combined with the axis of rotation of the pendulum, and the axis of the dynamic analogue of the sensor with the point of the pendulum, which is a predetermined distance from its axis of rotation, the pendulum deviates dissolved in acceptable condition for isochronous angle φ (t = 0) ≤8 ° dispensers produce discrete samples pickoff signals α (n) and the angular acceleration , from discrete samples of the angle sensor signal, the coefficients of a digital notch filter are calculated, which are used to determine the natural circular frequency of the oscillations of the pendulum:
,
where: ω 1 is the natural circular frequency of the oscillations of the pendulum;
- the angle of rotation of the eigenvector of the characteristic equation;
and 1 and a 2 are the coefficients of the digital filter;
- the optimal integer number of delay steps of the signal in the digital filter;
- signal sampling rate;
- damping coefficient of oscillations;
the discrete samples of the signals of the angle and angular acceleration sensors calculate the conversion coefficient of the angular acceleration into the output electrical signal of the sensor:
,
where: s - conversion coefficient, dimension ;
- intrinsic undamped oscillation frequency;
at the same time, the limitation coefficient of the oscillation pendulum is limited by β≤0.01, after which the angular acceleration sensor and the dynamic analog of the sensor are interchanged and the conversion coefficient of the sensor is again determined under the conditions of the action of angular acceleration and the linear acceleration vector on it.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014133459/28A RU2568956C1 (en) | 2014-08-14 | 2014-08-14 | Method to calibrate angular acceleration sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014133459/28A RU2568956C1 (en) | 2014-08-14 | 2014-08-14 | Method to calibrate angular acceleration sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2568956C1 true RU2568956C1 (en) | 2015-11-20 |
Family
ID=54598241
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014133459/28A RU2568956C1 (en) | 2014-08-14 | 2014-08-14 | Method to calibrate angular acceleration sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2568956C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2618481C1 (en) * | 2016-01-26 | 2017-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)" (РГУФКСМиТ) | Method for measuring coefficient of accelerator sensor conversion |
CN106918721A (en) * | 2017-03-29 | 2017-07-04 | 苏州尚领医疗科技有限公司 | A kind of method for checking acceleration transducer displacement |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994024571A1 (en) * | 1990-10-12 | 1994-10-27 | Teledyne Industries, Inc. | Controlled acceleration platform |
RU2115129C1 (en) * | 1995-12-05 | 1998-07-10 | Производственное объединение "Корпус" | Bed testing meters of angular velocities |
RU2381511C1 (en) * | 2008-10-01 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Геофизика-НВ" | Comprehensive test procedure for unified positioning systems based on micromechanical accelerometres and gyroscopes and automated test bench therefor |
-
2014
- 2014-08-14 RU RU2014133459/28A patent/RU2568956C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994024571A1 (en) * | 1990-10-12 | 1994-10-27 | Teledyne Industries, Inc. | Controlled acceleration platform |
RU2115129C1 (en) * | 1995-12-05 | 1998-07-10 | Производственное объединение "Корпус" | Bed testing meters of angular velocities |
RU2381511C1 (en) * | 2008-10-01 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение Геофизика-НВ" | Comprehensive test procedure for unified positioning systems based on micromechanical accelerometres and gyroscopes and automated test bench therefor |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
СОКОЛОВ М.М., МАСАНДИЛОВ Л.Б. ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, СТР. 153-156. ИЗДАТЕЛЬСТВО "ЭНЕРГИЯ", МОСКВА. 1975 г. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2618481C1 (en) * | 2016-01-26 | 2017-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)" (РГУФКСМиТ) | Method for measuring coefficient of accelerator sensor conversion |
CN106918721A (en) * | 2017-03-29 | 2017-07-04 | 苏州尚领医疗科技有限公司 | A kind of method for checking acceleration transducer displacement |
CN106918721B (en) * | 2017-03-29 | 2019-09-06 | 苏州尚领医疗科技有限公司 | A method of checking acceleration transducer displacement |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shin et al. | Environmentally robust differential resonant accelerometer in a wafer-scale encapsulation process | |
CN105628976B (en) | MEMS acceleration transducers performance parameter calibration method, processor and system | |
CN104122413B (en) | The detection method of accelerometer performance parameter and system | |
CN103323625B (en) | Error calibration compensation method of accelerometers in MEMS-IMU under dynamic environment | |
CN103884870B (en) | The method and apparatus improving accelerometer calibration precision | |
CN108008152B (en) | Method and device for acquiring parasitic mismatch capacitance of MEMS accelerometer | |
KR101314151B1 (en) | Calibration Method for 6-Axis Vibration Sensors using Periodic Angular Vibration and Its Realization System | |
CN111024119B (en) | Rapid calibration method for triaxial MEMS gyroscope | |
CN113155114A (en) | Temperature compensation method and device for gyro zero position of MEMS (micro-electromechanical systems) inertial measurement unit | |
CN106918438B (en) | The measurement method and system of a kind of multi -components power and torque | |
KR101658473B1 (en) | Compensation method of acceleration sensitivity of mems gyroscope | |
US20110067494A1 (en) | Reference vibrator | |
Ermakov et al. | Angular velocity estimation of rotary table bench using aggregate information from the sensors of different physical nature | |
RU2568956C1 (en) | Method to calibrate angular acceleration sensor | |
RU2562273C2 (en) | Test bench for measurement of mass-inertia characteristics of item | |
RU2427801C2 (en) | Method of predicting variable component of output signal of electromechanical angular velocity sensor (avs) during manufacture of gyromotor thereof based on characteristics of angular vibrations excited by gyromotor, and installation for realising said method | |
RU2518975C2 (en) | Test bench for measurement of vibratory reaction moments in gyromotor | |
RU2566655C1 (en) | Measurement of apparent acceleration and piezoelectric accelerometer to this end | |
RU2643170C1 (en) | Device for measuring disbalance of rotors | |
CN116953288A (en) | Accelerometer resolution testing device and method utilizing excitation force of double eccentric motors | |
Tang et al. | An improved scale factor calibration model of MEMS gyroscopes | |
RU2519833C2 (en) | Calibration method of piezoelectric accelerometer at lower frequencies, and device for its implementation | |
RU2711572C1 (en) | Method for independent determination of three-axis gyrostabilizer platform departures | |
US3034330A (en) | Unbalance simulator | |
RU2385462C1 (en) | Method of measuring angular velocity using monoaxial micromechanical gyroscope and device for realising said method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RH4A | Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation |
Effective date: 20160601 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160815 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20181206 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200815 |