RU2210744C1 - Способ измерения механических величин - Google Patents

Способ измерения механических величин Download PDF

Info

Publication number
RU2210744C1
RU2210744C1 RU2001135238A RU2001135238A RU2210744C1 RU 2210744 C1 RU2210744 C1 RU 2210744C1 RU 2001135238 A RU2001135238 A RU 2001135238A RU 2001135238 A RU2001135238 A RU 2001135238A RU 2210744 C1 RU2210744 C1 RU 2210744C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inertial information
converter
inertial
static calibration
mathematical model
Prior art date
Application number
RU2001135238A
Other languages
English (en)
Inventor
В.И. Баженов
В.Л. Будкин
В.М. Соловьев
А.Н. Цепляев
Н.А. Цепляев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" filed Critical Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority to RU2001135238A priority Critical patent/RU2210744C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2210744C1 publication Critical patent/RU2210744C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Navigation (AREA)

Abstract

Использование: в измерительной технике, а именно в преобразователях инерциальной информации, таких как акселерометр или гироскопический измеритель угловой скорости. Сущность: преобразуют механическую величину в электрический сигнал, задавая при градуировке калиброванные входные механические воздействия и преобразуя аналоговый сигнал в цифровой код. При использовании компенсационных преобразователей аналоговый сигнал преобразуют в частотный. В перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство записывают математическую модель статических градуировочных характеристик и заданной функции преобразования. Определяют коэффициенты математической модели. При работе на объекте идентифицируют значения реальной статической градуировочной характеристики со значениями аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики. В результате идентификации из преобразователя инерциальной информации выдают конкретное значение заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации. Технический результат: повышение точности измерения механических величин. 2 ил.

Description

Данное изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям инерциальной информации, таким как акселерометр или гироскопический измеритель угловой скорости.
Существуют способы измерения механических величин [1] посредством преобразовательной инерциальной информации, заключающиеся в том, что преобразуют механическую величину в электрический сигнал, являющийся мерой механической величины, причем при градуировке преобразователя инерциальной информации задают калиброванные входные механические воздействия и измеряют электрические сигналы преобразователя инерциальной информации.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения механических величин [2] посредством преобразователей инерциальной информации, таких как акселерометр или гироскопический измеритель угловой скорости, состоящий в том, что преобразуют механическую величину в электрический сигнал, являющийся мерой механической величины, причем при градуировке преобразователя инерциальной информации задают калиброванные входные механические воздействия, измеряют электрические сигналы преобразователя инерциальной информации, частотные сигналы направляют в двоичный счетчик и далее в регистр, преобразуя их в цифровые сигналы, в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство вычислительного устройства записывают математическую модель статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации, с выхода процессора вычислительного устройства во внешнюю цепь направляют код откорректированного сигнала преобразователя инерциальной информации, являющийся выходным сигналом преобразователя инерциальной информации.
Недостатком такого способа измерения механических величин является погрешность измерения механических величин вследствие нелинейности реальной статической градуированной характеристики преобразователя инерциальной информации.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения механических величин.
Данный технический результат достигается способом измерения механических величин посредством преобразователей инерциальной информации, таких как акселерометр или гироскопический измеритель угловой скорости, состоящий в том, что преобразуют механическую величину в электрический сигнал, являющийся мерой механической величины, причем при градуировке преобразователя инерциальной информации задают калиброванные входные механические воздействия, измеряют электрические сигналы преобразователя инерциальной информации, частотные сигналы направляют в двоичный счетчик и далее в регистр, преобразуя их в цифровые сигналы, в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство вычислительного устройства записывают математическую модель статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации, с выхода процессора вычислительного устройства во внешнюю цепь направляют код откорректированного сигнала преобразователя инерциальной информации, являющийся выходным сигналом преобразователя инерциальной информации, тем, что в качестве преобразователя инерциальной информации используют компенсационный преобразователь механической величины в аналоговый электрический выходной сигнал, который направляют в преобразователь "напряжение - частота", преобразуя его в частотный сигнал, предварительно в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство записывают математические модели теоретической статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации и заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации, по направляемым с выхода регистра в процессор вычислительного устройства полученным в процессе градуировки представленным в цифровом виде значениям реальной статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации на основании записанной в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве математической модели теоретической статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации в процессоре методом аппроксимации по методу наименьших квадратов определяют коэффициенты математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, по которым в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство записывают математическую модель аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, в процессе измерений, когда преобразователь инерциальной информации измеряет инерциальную информацию на объекте, в процессоре поступающие из регистра сигналы идентифицируют с рассчитанными по математической модели значениями аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации, при значении аргумента аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, когда сигнал из регистра совпадает с значением аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, из процессора во внешнюю цепь направляют код значения заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации, рассчитанного в процессоре по поступившей из перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства математической модели заданной функции преобразования при значении ее аргумента, равном вышеуказанному значению аргумента аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации.
Путем выполнения компенсационного преобразования механической величины в аналоговый электрический сигнал, преобразования его в частотный сигнал, предварительной записи в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство математических моделей теоретической статической градуировочной характеристики и заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации, определения коэффициентов математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, записи в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, проведения идентификации поступающих из регистра сигналов с значениями аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики и определения таким образом аргумента аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, подачи во внешнюю цепь из процессора кода значения заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации, полученного вычислением по величине вышеуказанного аргумента, обеспечивается получение выходного сигнала преобразователя инерциальной информации точно в соответствии с заданной функцией преобразования преобразователя инерциальной информации, устраняя погрешности от нелинейности и разброса коэффициентов преобразования преобразователя инерциальной информации от образца к образцу. Тем самым повышается точность измерения механической величины посредством преобразователя инерциальной информации.
На фиг. 1 представлена блок-схема преобразования механической величины посредством способа измерения механической величины, на фиг.2 - графики статических градуировочных характеристик преобразователя инерциальной информации.
В преобразователе инерциальной информации с компенсационным преобразованием (фиг.1) чувствительный элемент 1 с инерционным элементом 2 соединен с преобразователем положения 3, к выходу которого подключен усилитель 4, имеющий предварительный усилитель, демодулятор и усилитель постоянного тока, к которому подключена компенсационная катушка магнитоэлектрического обратного преобразователя 5. К выходу усилителя 4 также подключен преобразователь "напряжение-частота" 6, выход которого соединен с входом двоичного счетчика 7. Выход двоичного счетчика 7 соединен с информационным входом регистра 8.
В состав вычислительного устройства входят процессор 9, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 10, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 11, дешифратор 12, таймер 13. Процессор 9, ПЗУ 11, ППЗУ 10 и выход регистра 8 соединены шиной данных. Процессор 9, ПЗУ 11, ППЗУ 10 соединены шиной адреса. По шине управления процессор 9 соединен с входом управления дешифратора 12. Вход включения выхода регистра 8 соединен с одним из выходов дешифратора 12. Другой выход дешифратора 12 соединен с входом выбора кристалла (CS) ППЗУ 10. Выход тактовой частоты процессора 9 соединен с входом таймера 13, выход которого соединен с входом сброса двоичного счетчика 7, с входом записи регистра 8, с входом запроса прерывания процессора 9.
В акселерометре чувствительным элементом 1 является его подвижный элемент, масса которого представляет его инерционный элемент 2. В гироскопическом измерителе угловой скорости чувствительным элементом 1 является ротор гироскопа, кинетический момент которого представляет его инерционный элемент 2.
Способ измерения механических величин осуществляется следующим образом. Действующая на вход преобразователя инерциальной информации (фиг.1) механическая величина Х воспринимается инерционным элементом 2 и преобразуется в инерционную силу Fи (в акселерометре) или момент Ми (в гироскопическом измерителе угловой скорости), которые вызывают перемещение чувствительного элемента 1, воспринимаемое преобразователем положения 3. С выхода преобразователя положения 3 электрический сигнал подается на вход усилителя 4, с выхода усилителя постоянного тока которого постоянное напряжение U подается в компенсационную катушку магнитоэлектрического обратного преобразователя 5, где создается компенсационный момент Мк или компенсационная сила Fк. В результате механическая величина преобразуется в аналоговый сигнал-напряжение U
U = φ1(x) (1)
В преобразователе "напряжение-частота" 6 постоянное напряжение U приводится к частотному виду
f = φ(U) = φ2(x) (2)
где f - частота.
При преобразовании без внесения погрешности в преобразователе "напряжение-частота" 6
φ1(x) = φ2(x) (3)
После обсчета в двоичном счетчике 7 за тактовое время частотного сигнала и записи результата счета в регистре 8 на выходе регистра 8 образуется код
N = ξ(f) = φ3(x) (4)
В идеальном случае
φ3(x) = φ2(x) (5)
В общем виде, записанная в ППЗУ 10 математическая модель теоретической статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации описывается как
Figure 00000002

где К - коэффициент преобразования преобразователя инерциальной информации;
a0, a1,... an - коэффициенты математической модели.
В процессе градуировки с помощью высокоточного оборудования, например прецизионной центрифуги для акселерометра, на вход преобразователя инерциальной информации задают калиброванные значения x1, x2...xi...xn+1 механической величины (в случае акселерометра - линейные ускорения).
Полученные в результате градуировки коды N1, N2...Ni...Nn+1 представляют дискретные значения реальной статической градуировочной характеристики
Figure 00000003
преобразователя инерциальной информации:
Figure 00000004

Для определения методом наименьших квадратов коэффициентов математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики принимают за варьируемый параметр один из коэффициентов ai, определяемый из условия минимума интеграла от квадрата разности математических моделей теоретической и статической градуировочных характеристик
Figure 00000005

Это равносильно условию
Figure 00000006

Определение коэффициентов математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики производится из решения системы уравнений
Figure 00000007

В частном случае, например, если математическая модель теоретической статической градуировочной характеристики имеет вид
Figure 00000008

система уравнений (10) такова
Figure 00000009

Тогда интегральная функция имеет вид
Figure 00000010

где I1, I2, I3 - слагаемые интегральной функции.
Так как слагаемая интегральной функции 1з не является функцией ai, то производная от интегральной функции по любому коэффициенту ai будет иметь вид
Figure 00000011

где
Figure 00000012

Интеграл I1:
Figure 00000013

Так как в процессе градуировки преобразователя инерциальной информации реальная статическая градуировочная характеристика задается по дискретным значениям сигнала преобразователя инерциальной информации, то выражение для интеграла I2 необходимо искать как сумму кусочно-интегрированных функций.
Пусть, например, для акселерометра в процессе градуировки задают значения ускорения x1=0; x2=l; х3=2 в единицах ускорения свободного падения g. Тогда при коэффициенте преобразования акселерометра К=1 B/g коды показаний акселерометра
Figure 00000014

На выбранном интервале Δxi = 1 реальная статическая градуировочная характеристика может быть аппроксимирована как постоянная величина со значением
Figure 00000015

Тогда интеграл I2 может быть записан в виде:
Figure 00000016

Тогда согласно системе уравнений (12) и значений кодов (17)
Figure 00000017

В соответствии с выражением (16)
Figure 00000018

В выражении (19) интегральный член
Figure 00000019

При подстановке в (19) выражения (21) получается
Figure 00000020

При подстановке в (22) значений (17) получается
I2=0,1374+5,7a1+8,34667 a2 (23)
Тогда на основании формулы (13)
Q= I1-I2+I3= -0,1356-5,58a1-8,18667a2+2,66667a12+8a1а2+6,4a22+(I3= const) (24)
В соответствии с формулами (14) и (24) система уравнений (12) принимает вид
Figure 00000021

Решение системы уравнений (25) дает
a1=1,38986
a2=-0,22916 (26)
Математическая модель аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики имеет вид
Figure 00000022

Полученные в процессе градуировки преобразователя инерциальной информации коэффициенты математической модели (в рассматриваемом случае коэффициенты a0, a1, a2) записывают в ППЗУ 10, задавая тем самым выражение математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики в соответствии с выражением (27).
В ППЗУ 10 также записывают заданную функцию преобразования W(x) преобразователя инерциальной информации, например, в виде
W(x)=Kx (28)
В процессе измерения механической величины на объекте, например корабле, с выхода регистра 8 получают код Ni поступившей на вход преобразователя инерциальной информации механической величины хi
Figure 00000023

При подстановке значения Ni в выражение (27) математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики и решая уравнение
1,59933=K(0,03+1,38996xi-0,22916xi2), (30)
Получается значение аргумента хi
xi=1,5 (31)
После подстановки в выражение (28) заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации значения аргумента хi определяется значение
W(xi)=Kxi=1,5 (32)
Значение W(xi), являющееся выходным сигналом преобразователя инерциальной информации, поступает с выхода процессора 9 во внешнюю цепь.
Передача дискретных значений реальной статической градуировочной характеристики после преобразования в преобразователе "напряжение-частота" 6 производится в процессор 9 по сигналам с выхода таймера 13 на вход запроса прерывания процессора 9, вход записи регистра 8, вход сброса двоичного счетчика 7. При этом по сигналам с таймера 13 информация с двоичного счетчика 7 переписывается в регистр 8, а затем двоичный счетчик 7 обнуляется.
Процессор 9, получив запрос прерывания, по программе, записанной в ПЗУ 11, считывает коды N1, N2...Nn+1 с выхода регистра 8, подавая сигнал с выхода дешифратора 12 на вход включения выхода регистра 8, производит математические операции в соответствии со способом измерения механических величин.
При градуировке преобразователя инерциальной информации по кодам N1, N2. . . Nn+1 значений реальной статической градуировочной характеристики в соответствии с записанной в ППЗУ 10 математической моделью (6) теоретической статической градуировочной характеристики в процессоре 9 вычисляются коэффициенты a0, a1...an математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики по алгоритму (10).
В процессоре 9 при измерении механической величины на объекте вычисляют аргумент хi аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики и по алгоритму (32) вычисляют значение выходного сигнала преобразователя инерциальной информации W(xi).
В гироскопическом измерителе угловой скорости входным воздействием является угловая скорость, задаваемая посредством прецизионных поворотных столов.
Способ измерения угловой скорости осуществляется аналогично способу измерения линейного ускорения посредством акселерометра.
При таком способе измерения механических величин выходной сигнал преобразователя инерциальной информации является унифицированным, то есть не зависящим от разброса коэффициентов преобразования различных образцов преобразователя инерциальной информации одной модели.
Источники информации
1. С.С.Щедровицкий. Методы и аппаратура для градуировки и поверки акселерометров. "Измерительная техника", 6, 1958, стр.87-93.
2. Патент РФ 2148829, кл. G 01 P 15/125. Измеритель линейного ускорения. 20.01.1999.

Claims (1)

  1. Способ измерения механических величин посредством преобразователей инерциальной информации, таких, как акселерометр или гироскопический измеритель угловой скорости, состоящий в том, что преобразуют механическую величину в электрический сигнал, являющийся мерой механической величины, причем при градуировке преобразователя инерциальной информации задают калиброванные входные механические воздействия, измеряют электрические сигналы преобразователя инерциальной информации, частотные сигналы направляют в двоичный счетчик и далее в регистр, преобразуя их в цифровые сигналы, в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство вычислительного устройства записывают математическую модель статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации, с выхода процессора вычислительного устройства во внешнюю цепь направляют код откорректированного сигнала преобразователя инерциальной информации, являющийся выходным сигналом преобразователя инерциальной информации, отличающийся тем, что в качестве преобразователя инерциальной информации используют компенсационный преобразователь механической величины в аналоговый электрический выходной сигнал, который направляют в преобразователь "напряжение-частота", преобразуя его в частотный сигнал, предварительно в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство записывают математические модели теоретической статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации и заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации, по направляемым с выхода регистра в процессор вычислительного устройства полученным в процессе градуировки представленным в цифровом виде значениям реальной статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации на основании записанной в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве математической модели теоретической статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации в процессоре методом аппроксимации по методу наименьших квадратов определяют коэффициенты математической модели аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, по которым в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство записывают математическую модель аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, в процессе измерений, когда преобразователь инерциальной информации измеряет инерциальную информацию на объекте, в процессоре поступающие из регистра сигналы идентифицируют с рассчитанными по математической модели значениями аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации, при значении аргумента аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, когда сигнал из регистра совпадает с значением аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики, из процессора во внешнюю цепь направляют код значения заданной функции преобразования преобразователя инерциальной информации, рассчитанного в процессоре по поступившей из перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства математической модели заданной функции преобразования при значении ее аргумента, равном вышеуказанному значению аргумента аппроксимированной реальной статической градуировочной характеристики преобразователя инерциальной информации.
RU2001135238A 2001-12-27 2001-12-27 Способ измерения механических величин RU2210744C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001135238A RU2210744C1 (ru) 2001-12-27 2001-12-27 Способ измерения механических величин

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001135238A RU2210744C1 (ru) 2001-12-27 2001-12-27 Способ измерения механических величин

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2210744C1 true RU2210744C1 (ru) 2003-08-20

Family

ID=29246181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001135238A RU2210744C1 (ru) 2001-12-27 2001-12-27 Способ измерения механических величин

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2210744C1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kirianaki et al. Data acquisition and signal processing for smart sensors
US6640609B1 (en) Spectral method for calibrating accelerometers
EP3032230B1 (en) Flow meter and a method of calibration
JP2002296072A (ja) 角度測定装置
IE46337B1 (en) Error correction in electrical meters
US4364045A (en) Digitized displacement transducer
US5014058A (en) Method and arrangement for evaluating a measurable analog electrical quantity
US11536616B2 (en) Sensor device and method for operating a sensor device
RU2210744C1 (ru) Способ измерения механических величин
CA2214241A1 (en) Rms converter using digital filtering
CN109781140B (zh) 低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法
US6469492B1 (en) Precision RMS measurement
USH104H (en) Digital resolver compensation technique
JPS63256814A (ja) 位置検出装置
Schäck Long term proven and optimized high-precision 225 hz carrier frequency technology in a modern and universal data acquisition system
Yurish Universal interfacing circuit for resistive-bridge sensors
JPS5895230A (ja) 電子式温度測定方法及び装置
Yurish Universal capacitive sensors and transducers interface
Lykholit et al. Experimental investigation of navigation compensating pendulous accelerometer’s metrological performance
Deputatova et al. New generation precision motion simulators with inertial sensors and digital control
JPS62261021A (ja) 計量装置
WO2020250309A1 (ja) 誤差検出回路
SU1087931A1 (ru) Способ автоматической поверки электроизмерительных приборов
Khan et al. On the issues of linearizing a sensor characteristic over a wider response range
SU1418659A1 (ru) Устройство дл измерени параметров инерционных звеньев систем регулировани