Принцип работы маятникового акселерометра

В основе принципа действия любого акселерометра лежит свойство тел сохранять свое положение неизменным при ускоренном движении основания, на котором они каким-то образом закреплены.

Маятниковые акселерометры с электрической пружиной (рисунок 6) используются в системах стабилизации центра масс РН в позиционном и интегрирующем вариантах. Известно достаточно большое разнообразие конструктивных схем маятниковых акселерометров. Однако общим для них признаком является наличие механической системы, связанной с маятником, и электрической или фотооптической (а также электростатической, емкостной) системы съема полезной информации.

Компенсационный метод измерения, положенный в основу большинства маятниковых акселерометров, в принципе, обеспечивает высокую точность измерения. Реализация этого метода в акселерометрах осуществляется с помощью компенсирующих силовых или моментных устройств, основанных на различных физических принципах - механических, электромагнитных, электростатических.

Рисунок 6 - Маятниковый акселерометр с электрической пружиной

Наибольшее распространение в настоящее время получили магнитоэлектрические преобразователи, в которых компенсирующие момент или сила создаются за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого током обратной связи, который протекает по обмотке преобразователя, с полем постоянного магнита. Подобные преобразователи обеспечивают получение необходимых моментов (сил) при малых габаритах и имеют приемлемую на данном этапе стабильность параметров.

Принцип действия маятникового акселерометра при разомкнутом ключе (интегрирующий вариант) заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения W_z, направленного по оси OZ, подвижная рамка с маятником, стремящимся сохранить свое положение неизменным, начнет разворачиваться относительно неподвижной рамки. В результате относительного вращения рамок магнитный поток подвижной рамки, пересекая витки обмотки неподвижной рамки, вызовет в ней электродвижущую силу. Напряжение, снимаемое с обмотки неподвижной рамки, после усиления в усилителе поступает через конденсатор и гибкие токопроводы на обмотку подвижной рамки и вызовет в ней ток обратной связи i_ос. Этот ток, в свою очередь, вызовет магнитный поток подвижной рамки. Взаимодействие магнитного потока постоянного магнита с осредненным значением магнитного потока от тока обратной связи явится причиной возникновения механического момента обратной связи M_ос, направленного против момента инерционных сил M_и.

Если допустить, что кажущееся ускорение W_z постоянно, то в установившемся режиме наступит равенство между указанными моментами, т.е. M_ос=M_и, а мерой измеряемого ускорения может служить сила тока i_ос в цепи обратной связи маятникового акселерометра, протекающего по обмотке подвижной рамки.

При разомкнутом ключе и полной идеализации всех звеньев цепи обратной связи можно считать, что

(1.1)

Так как М_и=mlW_x, то при М_ос=М_и получим

(1.2)

или после интегрирования при нулевых начальных условиях

(1.3)

Очевидно, что интеграл от кажущегося ускорения равен кажущейся скорости, т.е.

(1.4)

где t_к – интервал интегрирования, поэтому

(1.5)

При замкнутом ключе и тех же исходных данных

(1.6)

Таким образом, один и тот же маятниковый акселерометр может быть при гибкой обратной связи интегрирующим, а при жесткой – позиционным. Это обстоятельство широко используется при начальной выставке систем управления летательных аппаратов и при управлении их движением в полете. Так, при разомкнутом ключе повышается точность начальной выставки комплекса командных приборов, поскольку при гибкой обратной связи исключаются статистические погрешности маятникового акселерометра с электрической пружиной, как простейшего контура системы автоматического регулирования.

В акселерометрах компенсационного типа для получения информации о величине ускорения используется датчик угла (ДУ). Наибольшее распространение как в навигационных, так и в промышленных образцах акселерометров получили фотодатчики (ФД) и датчики емкостного типа (ЕД).

Использование ФД позволяет для усиления полезного сигнала использовать относительно несложные электронные схемы. В типичном акселерометре компенсационного типа применен такой ДУ.

Основными элементами этого измерительного устройства являются:

- светодиод SD;

- два фотодиода VD1 и VD2;

- шторка, жестко закрепленная с маятником, и расположенная между свето- и фотодиодами;

- предварительный усилитель аналогового (линейного) сигнала DA, охваченный сопротивлением обратной связи Roc;

- сопротивление, преобразующее напряжение в ток обратной связи RI;

- обмотка датчика момента (ДМ) L.

Принцип действия данного маятникового акселерометра в аналоговом (штатном) режиме заключается в следующем. При возникновении кажущегося ускорения А_вх, направленного вдоль оси чувствительности, маятник и жестко связанная с ним шторка, стремящаяся сохранить положение неизменным, начнет разворачиваться относительно корпуса акселерометра. В результате относительного вращения один из светодиодов будет засвечиваться больше, чем другой. Вследствие чего возникнет разность потенциалов на выходе ДУ. Это напряжение будет подано на вход предусилителя и после усиления в виде тока обратной связи поступит в обмотку ДМ. ДМ сформирует компенсирующий момент, который возвратит маятник в исходное состояние. Таким образом, по величине тока обратной связи можно будет судить о значении кажущегося ускорения.

В момент начала движения маятника акселерометра на него действует сила трения покоя, которая вводит погрешность в измерения (порог чувствительности).

Как известно, эту погрешность можно уменьшить если "возбудить" опоры. Это приводит к уменьшению паразитного момента и сил трения, снизит погрешности измерения. Эквивалентным режиму “возбуждения” опор является автоколебательный режим работы чувствительного элемента.

Дата добавления: 2015-05-09