RU220141U1

RU220141U1 - Устройство для измерения линейного ускорения

Info

Publication number: RU220141U1
Application number: RU2023112474U
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Алексейченко; Андрей Николаевич Косторной
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика"
Filing date: 2023-05-15
Publication date: 2023-08-29

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях. Задачей, на которую направлена полезная модель, является повышение точности инерциального измерительного устройства. В модуль акселерометров дополнительно введены одноосные акселерометры, причем не менее трех, электронный модуль состоит из микропроцессора, содержащего блок температурной компенсации и блок компенсации нелинейности масштабных коэффициентов, преобразователя сигналов акселерометра, блока преобразователей датчиков температуры, блока синхронизации, энергонезависимой памяти, блока определения нулевых сигналов, блока управления режимами работы, блок обмена данными, причем входы/ выходы микропроцессора соединены с входами/ выходами преобразователя сигналов акселерометра, блока преобразователей датчиков температуры, блока определения нулевых сигналов, энергонезависимой памятью, блока управления режимами работы и блока обмена данными, кроме того, вход преобразователя сигналов акселерометра соединен с выходом блока синхронизации.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах.

Известно использование малогабаритных БИНС с «грубыми» чувствительными элементами [1, 2, 3].

Основное внимание в этих патентах уделено представлению преимуществ по сравнению с обычными традиционными блоками чувствительных элементов, основанных на использовании внешних датчиков навигационной информации (типа GPS), использовании демпфирования ошибок вычислительной платформы и т.д. Основным недостатком данных систем является невозможность длительного автономного режима при отключении спутниковой навигационной системы (СНС), что принципиально важно при постановке искусственных помех.

Известно устройство измерения ускорения, где получают одновременно три технические характеристики: коэффициент преобразования, смещение нуля и относительную величину погрешности Δa₀/a_max, характеризующую стабильность измеренной погрешности и стабильность ГХ одновременно, причем при стабильном коэффициенте преобразования K_a=const, и определяют ускорение а с помощью формулы N_i=K_a(a_i+Δa_0i), наличия которых достаточно для выбора инерциальных датчиков первичной информации и прогноза ожидаемых погрешностей системы управления движением и навигации подвижных объектов, в том числе ракет-носителей и космических аппаратов [4].

Недостатком известного способа является сложность реализации без существенных улучшений точностных характеристик. Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения ускорений, основанное на использовании трех пар преобразователей ускорения, размещенных в корпусе, в котором дополнительно размещают три идентичных измерительных модуля, на каждом из которых параллельно друг другу устанавливают, по крайней мере, два преобразователя ускорения, образующих дифференциальную пару. В устройстве определяют эквивалентный центр масс каждой дифференциальной пары, после чего измерительные модули ориентируют между собой в корпусе таким образом, чтобы измерительные оси дифференциальных пар преобразователей были ортогональны друг другу, а эквивалентные центры масс всех дифференциальных пар преобразователей были расположены в пространстве, ограниченном сферой заданного диаметра, и определяют полный вектор ускорений [5].

Недостатками данного измерителя является низкая точность измерения параметров движения и ограниченность его функциональных возможностей, обусловленные отсутствием вычислительного устройства и устройств для осуществления компенсации погрешностей выходных сигналов микромеханических датчиков. Другим недостатком данной способа является ограниченный диапазон рабочих температур, обусловленный техническими характеристиками применяемых микромеханических датчиков и низкая точность измерения параметров движения из-за отсутствия синхронизации информации с акселерометров, используемой при определении и компенсации нулевого сигнала.

Еще одним недостатком данного является отсутствие опроса всех акселерометров в одни и тот же момент времени для определения величины составляющей нулевого сигнала.

Задачей, на которое направлено полезная модель, является повышение точности инерциального измерительного устройства.

Поставленная задача достигается за счет того, что в устройство для измерения линейного ускорения содержит единую механическую конструкцию одноосных акселерометров, состоящую из модуля установки акселерометров, содержащего электронный модуль с датчиком температуры, размещенных в модуле акселерометров, согласно полезной модели, в модуль акселерометров дополнительно введены одноосные акселерометры, причем не менее трех, электронный модуль состоит из микропроцессора, содержащий блок температурной компенсации и блок компенсации нелинейности масштабных коэффициентов, преобразователя сигналов акселерометра, блока преобразователей датчиков температуры, блока синхронизации, энергонезависимой памяти, блока определения нулевых сигналов, блока управления режимами работы, блок обмена данными, причем входы/ выходы микропроцессора соединены с входами/ выходами преобразователя сигналов акселерометра, блока преобразователей датчиков температуры, блока определения нулевых сигналов, энергонезависимой памятью, блока управления режимами работы и блока обмена данными, кроме того, вход преобразователя сигналов акселерометра соединен с выходом, блока синхронизации. Признаками, отличающими известные решения от предлагаемого, является то, что дополнительно размещают преобразователи инерциальной информации не менее трех по каждой оси чувствительности. Размещение дополнительных преобразователей инерциальной информации позволяет получать избыточную информацию по измеряемому параметру. Тем самым далее обеспечить точность определения измеряемой информации. Сигнал через устройства преобразования измерительных сигналов датчиков ускорения поступает на микропроцессор электронного модуля, в котором осуществляется управления режимами работы, позволяющее переходить в режим работы энергонезависимого запоминающего устройства, сохраняющего параметры моделей датчиков, при этом каждое из устройств соединено с микропроцессором, где реализованы блок температурной компенсации и блок компенсации нелинейности масштабных коэффициентов микромеханических акселерометров. Таким образом, заявляемое устройство позволяет с высокой точностью определять масштабные коэффициенты, дрейфы нулевых сигналов и углы неточной установки измерительных осей блока акселерометров. Предлагаемое устройство также производит оценку шумов и уменьшение их составляющих. По сигналу с устройства синхронизации в электронном блоке выходной информации инерциальных датчиков, по команде микропроцессора, в один и тот же момент времени опрашиваются все инерциальные датчики, в результате чего в устройство определения нулевого сигнала микромеханических датчиков от ускорения поступают измерительные сигналы с устройств преобразования, после чего определяется величина составляющей нулевого сигнала микромеханических акселерометров, которая поступает на вход вычислителя для дальнейшей коррекции значений.

Схема устройство для измерения линейного ускорения представлена на фиг. 1, где:

1 - акселерометр,

2 - первый дополнительный акселерометр,

3 - второй дополнительный акселерометр,

4 - модуль установки акселерометров,

5 - преобразователь сигналов акселерометров,

6 - электронный модуль,

7 - блок синхронизации,

8 - блок определения нулевых сигналов,

9 - энергонезависимая память,

10 - блок управления режимом работы,

11 - блок информационного обмена,

12 - микропроцессор,

13 - блок температурной компенсации,

14 - блок компенсации нелинейности масштабного коэффициента датчиков,

15 - датчики температуры,

16 - блок преобразования датчиков температуры.

Устройство для измерения линейного ускорения содержит акселерометр 1, первый дополнительный акселерометр 2 и второй дополнительный акселерометр 3, которые размещаются по одной оси чувствительности. Для размещения по трем ортогональным осям для использования в инерциальных модулях требуется размещение минимум девяти акселерометров. Выходы акселерометров 1, 2, 3 соединены с преобразователем сигналов акселерометров 5. Датчики температуры 15 установлены в одном корпусе с акселерометрами 1. 2, 3. Выходы датчиков температуры 15 соединены с блоком преобразования датчиков температуры 16. Выходы преобразователя сигналов акселерометров 5 соединены с блоком компенсации нелинейности масштабного коэффициента микропроцессора 12, а выходы преобразователя датчиков температуры 16 соединены с блоком температурной компенсации 13 микропроцессора 12.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал от микромеханических акселерометров 1, 2, 3 и датчиков температуры 15, входящих в состав каждого акселерометра, установленных на модуле 4 поступает на блоки преобразователь сигналов инерциальных датчиков 5 и блок преобразования датчиков температуры 16. Соединение располагаемых на модуле 4 элементов между собой, а также соединение с элементами, входящими в состав электронного модуля 6, осуществляется разъемными и неразъемными соединениями посредством ленточных кабелей и монтажных проводов. Блоки 5 и 16 в электронном модуле 6 осуществляют преобразования измерительных сигналов датчиков, например, преобразователи «напряжение - частота». После подачи сигнала (строба синхронизации) с блока синхронизации 7 выходной информации инерциальных датчиков, инициируемого вычислителем 12, в одни и тот же момент времени опрашиваются все инерциальные датчики, в результате чего измерительные сигналы в виде цифрового кода с устройств преобразования 5 и 16 поступают на вычислитель 12 в блок 13 температурной компенсации и в блок 14 компенсации нелинейности масштабных коэффициентов инерциальных датчиков. На вход блока 10 управления режимами работы поступают в автоматическом режиме сигналы от центральной вычислительной машины ЛА.

В блоке 14 компенсации нелинейности масштабных коэффициентов инерциальных датчиков происходит пересчет значений масштабного коэффициента в зависимости от воздействующих в определенный момент времени угловых скоростей и линейных ускорений с учетом коэффициентов зависимостей, определяемых на этапе калибровки и хранящихся в энергонезависимом запоминающем устройстве 16. В блоке 13 температурной компенсации происходит расчет масштабных коэффициентов и нулевых сигналов инерциальных датчиков с учетом коэффициентов температурной зависимости, определяемых на этапе калибровки и хранящихся в энергонезависимом запоминающем устройстве 16.

Использование избыточного числа чувствительных элементов при выбранной схеме их размещения на основании позволяет повысить точность измерения в 1,4 раза, а также обеспечить высокую надежность измерения.

Реализация технического результата, полученного от использования предлагаемой полезной модели, в конкретной конструкции обеспечила создание бесплатформенного инерциального измерительного блока с избыточным количеством чувствительных элементов массой 50-70 г и энергопотреблением не более 1,5 Вт.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными того же назначения позволяет обеспечить необходимый технический результат, заключающийся в существенном уменьшении массогабаритных характеристик и упрощении обеспечения привязки осей чувствительности акселерометров, а также повышении надежности работы бесплатформенного инерциального блока за счет увеличения вероятности обнаружения и идентификации отказов при одновременном повышении точности измерений. Предлагаемая полезная модель расширяют функциональные возможности инерциального измерительного прибора ЛА и повышает точность измерения значений линейного ускорения микромеханическими акселерометрами.

Источники Информации:

1. Патент US №6671648.

2. Патент US №6522992.

3. Патент US №6516283.

4. Патент РФ №2361223.

5. Патент РФ №2416099 - прототип.

Claims

Устройство для измерения линейного ускорения, содержащее единую механическую конструкцию одноосных акселерометров, состоящую из модуля установки акселерометров, содержащего электронный модуль с датчиком температуры, размещенных в модуле акселерометров, отличающееся тем, что в модуль акселерометров дополнительно введены одноосные акселерометры, причем не менее трех, электронный модуль состоит из микропроцессора, содержащего блок температурной компенсации и блок компенсации нелинейности масштабных коэффициентов, преобразователя сигналов акселерометра, блока преобразователей датчиков температуры, блока синхронизации, энергонезависимой памяти, блока определения нулевых сигналов, блока управления режимами работы, блок обмена данными, причем входы/выходы микропроцессора соединены с входами/выходами преобразователя сигналов акселерометра, блока преобразователей датчиков температуры, блока определения нулевых сигналов, энергонезависимой памятью, блока управления режимами работы и блока обмена данными, кроме того, вход преобразователя сигналов акселерометра соединен с выходом блока синхронизации.