RU2757971C2 - Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers - Google Patents

Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers Download PDF

Info

Publication number
RU2757971C2
RU2757971C2 RU2019117394A RU2019117394A RU2757971C2 RU 2757971 C2 RU2757971 C2 RU 2757971C2 RU 2019117394 A RU2019117394 A RU 2019117394A RU 2019117394 A RU2019117394 A RU 2019117394A RU 2757971 C2 RU2757971 C2 RU 2757971C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
calibration
platform
movable
accelerometers
testing
Prior art date
Application number
RU2019117394A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2019117394A (en
RU2019117394A3 (en
Inventor
Михаил Юрьевич Захарченко
Артем Олегович Кузнецов
Виктор Павлович Батищев
Александр Сергеевич Яковишин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Priority to RU2019117394A priority Critical patent/RU2757971C2/en
Publication of RU2019117394A publication Critical patent/RU2019117394A/en
Publication of RU2019117394A3 publication Critical patent/RU2019117394A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2757971C2 publication Critical patent/RU2757971C2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: calibration and testing equipment.SUBSTANCE: low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers additionally contains a contactless electric drive that drives a movable rotating platform, balancing weights mounted on a movable rotating platform, and an electronics unit consisting of an internal power source, a lowering converter, a microcontroller, a humidity and temperature sensor, an information display and a digital input for connecting to a computer. A block of micromechanical sensors is installed on the movable platform to control its angular position and control the angular position of two semi-axes on which the movable platform is fixed, relatively to the horizon plane.EFFECT: technical result is a simplification of the calibration process, a reduction in time of calibration by the operator, and an increase in the information content of the stand.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к калибровочной и испытательной технике, а именно к метрологии и может быть использовано при калибровке различных типов акселерометров и сейсмоприемников в области низких и сверхнизких частот.The invention relates to calibration and testing equipment, namely to metrology and can be used in the calibration of various types of accelerometers and seismic receivers in the low and ultralow frequencies.

Известно устройство для градуировки пьезоэлектрического акселерометра на низких частотах [1], сущность которого заключается в том, что акселерометр поворачивают в гравитационном поле земли при помощи специальной платформы и измеряют, выходной сигнал акселерометра. При этом на поворотной платформе предварительно установлен акселерометр, ось чувствительности которого направлена в вертикальной плоскости под любым углом к горизонтальной оси. Затем совмещают центр масс инерционного элемента акселерометра с осью вращения, меняя частоту вращения, поворачивают акселерометр на угол более 360° на каждой частоте, определяют максимальные значения выходных сигналов на каждой из частот, по которым определяют коэффициенты преобразования для построения амплитудно-частотной характеристики акселерометра в области низких частот. Поворотная установка содержит основание, на котором установлена подвижная платформа, которая состоит из вала и насадки, имеющей горизонтальную площадку для крепления испытуемого акселерометра, при этом насадка установлена с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной оси вала, на торцевых поверхностях вала нанесена координатная сетка для фиксации их взаимного положения в плоскости сопряжения.A device for calibrating a piezoelectric accelerometer at low frequencies is known [1], the essence of which is that the accelerometer is rotated in the gravitational field of the earth using a special platform and the output signal of the accelerometer is measured. In this case, an accelerometer is pre-installed on the turntable, the sensitivity axis of which is directed in the vertical plane at any angle to the horizontal axis. Then, the center of mass of the inertial element of the accelerometer is combined with the axis of rotation, changing the rotation frequency, the accelerometer is rotated through an angle of more than 360 ° at each frequency, the maximum values of the output signals at each frequency are determined, by which the conversion factors are determined to build the amplitude-frequency characteristic of the accelerometer in the region low frequencies. The rotary installation contains a base on which a movable platform is installed, which consists of a shaft and a nozzle, which has a horizontal platform for fixing the tested accelerometer, while the nozzle is installed with the ability to move in a plane perpendicular to the shaft axis, a coordinate grid is applied to the end surfaces of the shaft to fix them relative position in the mating plane.

Недостатком известного способа градуировки является низкая стабильность частоты вращения подвижной платформы, а так же высокий уровень виброшумов создаваемый контактными опорами подвеса вала (например, шарикоподшипниковыми) и невозможность задания произвольной величины входного ускорения. Так же известно [4, с. 176], что пьезоэлектрические и электродинамические акселерометры нечувствительны к статическим воздействиям.The disadvantage of the known calibration method is the low stability of the rotational speed of the movable platform, as well as the high level of vibration noise created by the contact supports of the shaft suspension (for example, ball bearings) and the impossibility of setting an arbitrary value of the input acceleration. It is also known [4, p. 176] that piezoelectric and electrodynamic accelerometers are insensitive to static influences.

Известен способ градуировки пьезоэлектрических акселерометров путем поворота в гравитационном поле земли [2] заключающийся в измерении пикового напряжения на выходе калибруемого пьезоэлектрического акселерометра в момент прохождения его положения равновесия во время раскачивания на физическом маятнике, для этого установка содержит пиковый детектор напряжения оптический датчик и т.д.A known method of calibrating piezoelectric accelerometers by turning in the gravitational field of the earth [2] consists in measuring the peak voltage at the output of the calibrated piezoelectric accelerometer at the moment of passing its equilibrium position while swinging on a physical pendulum, for this the installation contains a peak voltage detector, an optical sensor, etc. ...

Способ не позволяет получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), так как с уменьшением частоты уменьшается и амплитуда входного ускорения воздействующего на пьезоэлектрический акселерометр, при этом возрастает погрешность измерения и отсутствие контроля выставки установочной плоскости калибруемого датчика создает дополнительную погрешность так как ось чувствительности не совмещается с вектором действующего ускорения, при этом требуется сложная математическая обработка сигнала учитывающая действие центробежных сил и явление переходного процесса.The method does not allow obtaining the amplitude-frequency characteristic (AFC), since with decreasing frequency, the amplitude of the input acceleration acting on the piezoelectric accelerometer also decreases, while the measurement error increases and the lack of control of the alignment plane of the calibrated sensor creates an additional error since the sensitivity axis is not aligned with vector of the acting acceleration, while complex mathematical processing of the signal is required, taking into account the action of centrifugal forces and the phenomenon of the transient process.

Известно устройство для калибровки акселерометров в поле земного тяготения [3] состоящее из поворотной платформы, ось которой закреплена в горизонтальной плоскости при этом поворот оси чувствительности S акселерометра на угол φ вокруг горизонтальной оси, составляющей некоторый постоянный угол α с осью чувствительности, равносилен воздействию на акселерометр калибровочного сигнала, соответствующего ускорению X=g·cos(φ)·sin(α), где g – ускорение силы тяжести.There is a known device for calibrating accelerometers in the gravitational field [3] consisting of a rotary platform, the axis of which is fixed in the horizontal plane, while the rotation of the axis of sensitivity S of the accelerometer at an angle φ around the horizontal axis, making up a certain constant angle α with the axis of sensitivity, is equivalent to the effect on the accelerometer the calibration signal corresponding to the acceleration X = g cos (φ) sin (α) , where g is the acceleration of gravity.

К недостаткам известного устройства можно отнести отсутствие учета влияния нестабильности частоты на выходной сигнал калибруемого акселерометра, а так же низкая конструктивная проработанность для заявленного устройства.The disadvantages of the known device include the lack of consideration of the effect of frequency instability on the output signal of the calibrated accelerometer, as well as low design sophistication for the claimed device.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному изобретению является вращательный стенд для калибровки сейсмометров [4, с. 176] состоящий из станины, в которой на полуосях может свободно вращаться подвижная часть, состоящая из наружного кольца и внутреннего диска. В отверстие диска размещена площадка, на которой закрепляется испытуемый сейсмометр, так что центр тяжести его инерционной массы всегда лежит на оси вращения подвижной части стенда. Диск с испытуемым сейсмометром может поворачиваться относительно кольца на заданный угол, измеряемый по нанесенной на торце нониусной шкале. На кольце расположены клеммы для подключения выходных концов кабеля сейсмометра. Клеммы через систему колец контактора щеток токоснимателя соединены с расположенными на станине клеммами, служащими для подключения измерительной аппаратуры.The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed invention is a rotary bench for calibrating seismometers [4, p. 176] consisting of a frame in which a movable part, consisting of an outer ring and an inner disc, can freely rotate on the semi-axles. A platform is placed in the hole of the disk, on which the tested seismometer is fixed, so that the center of gravity of its inertial mass always lies on the axis of rotation of the movable part of the stand. The disk with the seismometer under test can be rotated relative to the ring at a predetermined angle, measured by the vernier scale printed on the end face. The ring contains terminals for connecting the output ends of the seismometer cable. The terminals are connected through the system of rings of the contactor of the current collector brushes to the terminals located on the frame, which serve to connect the measuring equipment.

К недостатку известного устройства можно отнести высокий уровень собственных шумов создаваемых контактным типом опор подвижной части стенда и вибрациями электропривода, а также низкую стабильность частоты вращения подвижной части и невозможность получения фазочастотной характеристики испытуемого прибора.The disadvantage of the known device can be attributed to the high level of intrinsic noise created by the contact type of supports of the movable part of the stand and vibrations of the electric drive, as well as the low stability of the rotational speed of the movable part and the impossibility of obtaining the phase-frequency characteristics of the tested device.

Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости повышения точности калибровки пьезоэлектрических и электродинамических акселерометров и сейсмоприемников, а также автоматизация процесса калибровки.The technical problem of the present invention is the need to improve the accuracy of the calibration of piezoelectric and electrodynamic accelerometers and geophones, as well as the automation of the calibration process.

Техническим результатом является упрощение процесса калибровки, уменьшение времени оператора и повышение информативности.The technical result is to simplify the calibration process, reduce operator time and increase information content.

Поставленная проблема решается тем, что во вращательном стенде для калибровки сейсмометров, содержащем станину, в которой на двух полуосях может свободно вращаться подвижная часть, состоящая из наружного кольца и подвижной платформы, согласно заявляемому техническому решению содержится бесконтактный электропривод и балансировочные груза, блок электроники состоящий из внутреннего источника питания, понижающего преобразователя, микроконтроллера, датчика влажности и температуры, информационного дисплея и цифрового входа для подключения к компьютеру. При этом отсутствует вторая степень свободы подвижной платформы, однако на подвижной платформе установлен блок микромеханических датчиков для контроля ее углового положения и контроля углового положения двух полуосей, на которых закреплена подвижная платформа относительно плоскости горизонта.The problem posed is solved by the fact that in a rotary bench for calibrating seismometers, containing a frame in which a movable part consisting of an outer ring and a movable platform can rotate freely on two semi-axes, according to the claimed technical solution, there is a contactless electric drive and balancing weights, an electronics unit consisting of internal power supply, buck converter, microcontroller, humidity and temperature sensor, information display and digital input for connection to a computer. At the same time, there is no second degree of freedom of the movable platform, however, a block of micromechanical sensors is installed on the movable platform to control its angular position and control the angular position of the two semi-axes on which the movable platform is fixed relative to the horizon plane.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена кинематическая схема калибровочного стенда, а на фиг. 2 представлена структурная схема калибровочного стенда, на фиг.3 представлена АЧХ калибруемого датчика полученная в ходе расчетов и подтверждающаяся результатами, полученными в эксперименте.The essence of the invention is illustrated by drawings, where FIG. 1 shows a kinematic diagram of the calibration stand, and FIG. Figure 2 shows a block diagram of the calibration stand, figure 3 shows the AFC of the calibrated sensor obtained in the course of calculations and confirmed by the results obtained in the experiment.

Низкочастотный стенд для калибровки и испытаний акселерометров и сейсмоприемников (фиг. 2) состоит из корпуса 1, выполненного в виде массивной станины, на котором посредством шарикоподшипниковой опоры 2 и двух полуосей закреплена подвижная вращающаяся платформа 3, которая приводится в движение бесконтактным электроприводом 4. На подвижной вращающейся части располагают исследуемый датчик 5, подключенный к аналого-цифровому преобразователю 7 через сопротивление нагрузки 6, также на подвижной вращающейся платформе 3 расположены балансировочные грузы 12 (m1) для грубой балансировки и 13 (m2) для точной балансировки. На подвижной вращающейся платформе для контроля стабильности вращения расположен блок микромеханических гироскопов и акселерометров 8. Аналого-цифровой преобразователь 7 и блок микромеханических гироскопов и акселерометров 8 подключены параллельно к цифровой шине данных i2c и соединены с цифровым входом микроконтроллера 11, электрические сигналы с подвижной платформы 3 проходят через узел скользящих токоподводов 9. Помимо механической части низкочастотный стенд содержит блок электроники 10, содержащий внутренний источник питания 14, понижающий преобразователь 16, микроконтроллер 11, датчик температуры и влажности 17, информационный дисплей 18 и цифровой вход для подключения к компьютеру 19. Питание осуществляется от сети 220 В переменным напряжением частотой 50 Гц и подводится к входу питания 15 внутреннего источника питания 14. Программное обеспечение, находящееся в памяти микроконтроллера 11, способно выполнять ряд команд, поступающих на цифровой вход 19, позволяющих осуществлять управление калибровочным стендом и производить различные операции калибровки и испытаний датчика.The low-frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers (Fig. 2) consists of a housing 1 made in the form of a massive frame, on which a movable rotating platform 3 is fixed by means of a ball bearing support 2 and two axle shafts, which is driven by a contactless electric drive 4. On a movable of the rotating part, the investigated sensor 5 is located, connected to the analog-to-digital converter 7 through the load resistance 6, balancing weights 12 (m1) for rough balancing and 13 (m2) for accurate balancing are also located on the movable rotating platform 3. A block of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8 is located on the movable rotating platform to control the stability of rotation 8. An analog-to-digital converter 7 and a block of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8 are connected in parallel to the digital data bus i 2 c and connected to the digital input of the microcontroller 11, electrical signals from the moving platform 3 pass through the assembly of sliding current leads 9. In addition to the mechanical part, the low-frequency stand contains an electronics unit 10 containing an internal power supply 14, a buck converter 16, a microcontroller 11, a temperature and humidity sensor 17, an information display 18 and a digital input for connecting to a computer 19. Power is carried out from the 220 V network with an alternating voltage of 50 Hz and is supplied to the power input 15 of the internal power supply 14. The software located in the memory of the microcontroller 11 is capable of executing a number of commands received at the digital input 19, which allows control the calibration bench and perform various operations for calibrating and testing the sensor.

Работа калибровочного стенда осуществляется следующим образом. После установки исследуемого датчика 5 на подвижную вращающуюся платформу 3, производится ее статическая балансировка, грубая при помощи подбора массы m1 балансировочного груза 12, и точная при помощи подбора массы m2 балансировочного груза 13. После подключения исследуемого датчика 5 и подачи питания 15 на внутренний источник питания 14 калибровочный стенд готов к работе и ожидает команд управления от компьютера через цифровой вход 19.The work of the calibration stand is carried out as follows. After installing the investigated sensor 5 on the movable rotating platform 3, its static balancing is performed, roughly by selecting the mass m1 of the balancing weight 12, and accurate by selecting the mass m2 of the balancing weight 13. After connecting the investigated sensor 5 and supplying power 15 to the internal power source 14 the calibration stand is ready for operation and awaits control commands from the computer via digital input 19.

При получении микроконтроллером 11 на цифровой вход 19 команды означающей начало работы производится проверка работы аналого-цифрового преобразователя 7, блока микромеханических гироскопов и акселерометров 8 и датчика температуры и влажности 17. Затем микроконтроллер 11 подает напряжение широтно-импульсной модуляции на вход бесконтактного электропривода 4. При этом скорость вращения вала бесконтактного электропривода 4 пропорциональна длительности управляющих импульсов напряжение широтно-импульсной модуляции. При вращении вала бесконтактного электропривода 4 приводится в движение подвижная вращающаяся платформа 3, на которой установлен исследуемый датчик 5 и блок микромеханических гироскопов и акселерометров 8, за счет изменения проекции вектора ускорения силы тяжести на ось чувствительности исследуемого датчика 5 на его выходе появляется электрический сигнал пропорциональный величине действующего ускорения, но при этом зависящий от частоты вращения подвижной вращающаяся платформы 3. Электрический сигнал полученный на выходе исследуемого датчика 5 поступает на сопротивление нагрузки 6 и измеряется аналого-цифровым преобразователем 7, после чего цифровое значение выходного напряжения исследуемого датчика 5 считывается микроконтроллером 11, обрабатывается заложенным в памяти микроконтроллера алгоритмом и выводится на информационный дисплей 18, а также отправляется на компьютер посредством цифрового входа 19.When the microcontroller 11 receives a command signifying the start of work on the digital input 19, the operation of the analog-to-digital converter 7, the block of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8 and the temperature and humidity sensor 17 is checked. Then the microcontroller 11 applies a pulse-width modulation voltage to the input of the contactless electric drive 4. The speed of rotation of the shaft of the contactless electric drive 4 is proportional to the duration of the control pulses, the voltage of the pulse-width modulation. When the shaft of the contactless electric drive 4 rotates, a movable rotating platform 3 is set in motion, on which the investigated sensor 5 and the unit of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8 are installed, due to the change in the projection of the gravity acceleration vector onto the sensitivity axis of the investigated sensor 5, an electrical signal proportional to the value appears at its output acting acceleration, but at the same time depending on the rotational speed of the movable rotating platform 3. The electrical signal obtained at the output of the investigated sensor 5 is fed to the load resistance 6 and is measured by the analog-to-digital converter 7, after which the digital value of the output voltage of the investigated sensor 5 is read by the microcontroller 11, processed algorithm embedded in the memory of the microcontroller and displayed on the information display 18, and also sent to the computer via digital input 19.

Микроконтроллер 11 выполняет функцию стабилизации вращения подвижной вращающаяся платформы 3 в заданном диапазоне. Для этого микроконтроллер 11 получает информацию с блока микромеханических гироскопов и акселерометров 8 о действующей угловой скорости вокруг оси вращения подвижной вращающейся платформы 3, при помощи заложенного в памяти алгоритма производит компенсацию длительности управляющих импульсов напряжения широтно-импульсной модуляции пропорциональной скорости вращения вала бесконтактного электропривода 4.The microcontroller 11 performs the function of stabilizing the rotation of the movable rotating platform 3 in a predetermined range. For this, the microcontroller 11 receives information from the unit of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8 about the current angular velocity around the axis of rotation of the movable rotating platform 3, using the algorithm stored in the memory, it compensates the duration of the control voltage pulses of pulse-width modulation proportional to the speed of rotation of the shaft of the contactless electric drive 4.

Компенсация величины задания входного ускорения на исследуемый датчик 5 производится алгоритмически. Для этого микроконтроллер получает информацию о действующем ускорении с блока микромеханических гироскопов и акселерометров 8, преобразует полученные значения девствующего ускорения силы тяжести по заложенному в памяти алгоритму, и определяет угловое положение оси вращения подвижной платформы 3, после чего рассчитывается коэффициент компенсирующий погрешность выставки корпуса 1.Compensation of the value of the input acceleration reference to the investigated sensor 5 is performed algorithmically. To do this, the microcontroller receives information about the current acceleration from the block of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8, converts the obtained values of the virgin gravity acceleration according to the algorithm stored in the memory, and determines the angular position of the axis of rotation of the movable platform 3, after which the coefficient compensating for the alignment error of the housing 1 is calculated.

Способ калибровки вращением в поле силы тяжести в основном применяется для датчиков с чувствительным элементом генераторного типа [4, с. 176]. В этом случае происходит поворот оси чувствительности датчика фиг. 1, при этом проекция вектора ускорения силы тяжести изменяется по гармоническому закону, создавая переменное гармоническое воздействие на чувствительный элемент датчика. Так же при повороте оси чувствительности датчика возникают центробежные силы и в выходном сигнале датчиков чувствительных к постоянному ускорению (например, силы тяжести) появляется постоянная составляющая.The method of calibration by rotation in the gravity field is mainly used for sensors with a sensitive element of the generator type [4, p. 176]. In this case, the axis of sensitivity of the sensor of FIG. 1, while the projection of the gravity acceleration vector changes according to the harmonic law, creating a variable harmonic effect on the sensitive element of the sensor. Also, when the axis of the sensor's sensitivity is rotated, centrifugal forces arise and a constant component appears in the output signal of sensors sensitive to constant acceleration (for example, gravity).

Амплитудное значение воздействия калибровочного сигнала согласно фиг. 1 численно равно проекции ускорения силы тяжести на ось чувствительности прибора и составляет:The amplitude value of the influence of the calibration signal according to FIG. 1 is numerically equal to the projection of the acceleration of gravity onto the axis of sensitivity of the device and is:

ZZ ПNS = g·cos(φ) = g cos (φ) (1)(1)

где g - ускорение силы тяжести; φ - угол наклона оси чувствительности прибора.where g is the acceleration of gravity; φ is the tilt angle of the instrument's sensitivity axis.

При равномерном вращении испытуемого прибора с постоянной угловой скоростью

Figure 00000001
входное ускорение будет изменяется по следующему гармоническому закону:With uniform rotation of the tested device with constant angular velocity
Figure 00000001
the input acceleration will change according to the following harmonic law:

aa вхin (t) = g·cos(φ)·sin(θ)(t) = g cos (φ) sin (θ) (2)(2)

где входное ускорение, действующее вдоль оси чувствительности.where is the input acceleration acting along the sensitivity axis.

Запишем выражение (2) с учетом того погрешности выставки оси вращения подвижной платформы 3 и нестабильности частоты вращения:Let us write expression (2) taking into account that the error in the alignment of the axis of rotation of the movable platform 3 and the instability of the rotation frequency:

a вх (t) = g·cos(φ+Δφ)·sin(θ+Δθ) a in (t) = g cos (φ + Δφ ) sin (θ + Δθ ) (3)(3)

где Δφ - погрешность выставки оси вращения платформы;where Δφ is the alignment error of the platform rotation axis;

Δθ - погрешность частоты вращения платформы.Δθ is the platform rotation frequency error.

таким образом плавно изменяя частоту вращения подвижной платформы в сторону ее увеличения и при этом измеряя выходной сигнал датчика становится возможным получение его АЧХ в области низких частот. АЧХ, полученная в ходе эксперимента, приведена на фиг. 3, также на фиг. 3 приведена АЧХ, полученная при математическом моделировании датчика по его передаточной функции (4).thus smoothly changing the frequency of rotation of the movable platform in the direction of its increase and at the same time measuring the output signal of the sensor, it becomes possible to obtain its frequency response in the low frequency region. The frequency response obtained during the experiment is shown in Fig. 3, also in FIG. 3 shows the frequency response obtained by mathematical modeling of the sensor by its transfer function (4).

Figure 00000002
Figure 00000002
(4)(4)

где A1 = B1 = ZN·RВХ·C дат ;where A1 = B1 = Z N · R ВХ · C dates ;

B0 = ZN + C дат ;B0 = Z N + C dates ;

A0 = ZN;A0 = Z N ;

Z N - сопротивление нагрузки; Z N - load resistance;

C ДАТ - емкость датчика; C DAT - sensor capacity;

R ВХ - входное сопротивление АЦП. R BX - ADC input impedance.

Заменяя оператор дифференцирования s=jω, где ω=2πf - циклическая частота, где f - частота вращения подвижной платформы 3, подставляя полученное в (4) получаем:Replacing the differentiation operator s = jω , where ω = 2πf is the cyclic frequency, where f is the rotation frequency of the mobile platform 3, substituting the obtained in (4), we obtain:

UU ВЫХOUT = W(jω) = W (jω) (5)(5)

Полученное соотношение (5) легко реализовать аппаратно в программном обеспечении микроконтроллера и использовать для оценки правильности процесса калибровки непосредственно при работе калибровочного стенда. Учитывать ФЧХ в области низких частот нет необходимости так как значительные фазовые изменения сигнала происходят в области резонанса датчика, а это частоты порядка 10 кГц (из паспорта на датчик) в то время как калибровочный стенд работает на частотах до 20 Гц.The obtained relation (5) can be easily implemented in hardware in the microcontroller software and used to assess the correctness of the calibration process directly during the operation of the calibration stand. There is no need to take into account the phase response in the low-frequency region, since significant phase changes in the signal occur in the resonance region of the sensor, and these are frequencies of the order of 10 kHz (from the sensor passport), while the calibration stand operates at frequencies up to 20 Hz.

В качестве примера практической реализации настоящего изобретения, было разработано техническое решение, которое представленное на фиг. 2, в котором с целью повышения стабильности частоты вращения подвижной платформы содержит бесконтактный электропривод и балансировочные груза, с целью автоматизации процесса управления, измерения и обработки данных содержит блок электроники состоящий из внутреннего источника питания, понижающего преобразователя, микроконтроллера, датчика влажности и температуры, информационного дисплея и цифрового входа для подключения к компьютеру, однако с целью упрощения конструкции отсутствует вторая степень свободы подвижной платформы, однако на подвижной платформе установлен блок микромеханических датчиков для контроля ее углового положения и контроля углового положения двух полуосей на которых закреплена подвижная платформа относительно плоскости горизонта.As an example of the practical implementation of the present invention, the technical solution shown in FIG. 2, in which, in order to increase the stability of the rotational speed of the mobile platform, it contains a contactless electric drive and balancing weights, in order to automate the control process, measurement and data processing, it contains an electronics unit consisting of an internal power supply, a step-down converter, a microcontroller, a humidity and temperature sensor, an information display and a digital input for connection to a computer, however, in order to simplify the design, there is no second degree of freedom of the movable platform, however, a block of micromechanical sensors is installed on the movable platform to control its angular position and control the angular position of two semi-axes on which the movable platform is fixed relative to the horizon plane.

В качестве примера рассмотрим влияние точности выставки, которое обеспечивается при помощи блока микромеханических гироскопов и акселерометров 8. Разрешающая способность используемых в макете акселерометров в режиме работы инклинометра составляет 30 угловых секунд, из чего можно определить величину входного ускорения:As an example, let us consider the influence of the alignment accuracy, which is provided using a block of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8. The resolution of the accelerometers used in the model in the inclinometer operating mode is 30 arc seconds, from which the value of the input acceleration can be determined:

АВХ = 9.80665·cos(30'') = 9.806649 м/с2 A BX = 9.80665 · cos (30 '') = 9.806649 m / s 2

При этом, погрешность задания входного ускорения составляет Δ=1·10-7 м/с2. В то время как точность визуальной выставки при помощи шкалы нониусов используемой в прототипе составляет порядка 0.5 градуса, при этом погрешность задания входного ускорения составляет:In this case, the error in setting the input acceleration is Δ = 1 · 10 -7 m / s 2 . While the accuracy of the visual alignment using the vernier scale used in the prototype is about 0.5 degrees, the input acceleration setting error is:

АВХ = 9.80665·cos(0.5O) = 9.805163 м/с2, Δ=0.0015 м/с2.A BX = 9.80665 · cos (0.5 O) = 9.805163 m / s 2, Δ = 0.0015 m / s 2.

Из результатов расчетных оценок видно, что автоматическая выставка при помощи блока микромеханических гироскопов и акселерометров 8 позволяет достичь более высокой точности задания входного ускорения.It can be seen from the results of the calculated estimates that the automatic alignment with the help of a block of micromechanical gyroscopes and accelerometers 8 makes it possible to achieve a higher accuracy of setting the input acceleration.

Технико-экономическая эффективность практического использования предлагаемого устройства заключается в следующем:The technical and economic efficiency of the practical use of the proposed device is as follows:

1. Уменьшение времени затрачиваемого оператором на калибровку и испытания за счет автоматизации процесса измерения и обработки данных при помощи компьютера;1. Reducing the time spent by the operator for calibration and testing by automating the measurement process and data processing using a computer;

2. Низкая стоимость по сравнению с аналогичными электродинамическими, механическими и гидравлическими стендами достигается за счет использования унифицированной элементной базы и простоты конструкции;2. Low cost in comparison with similar electrodynamic, mechanical and hydraulic stands is achieved through the use of a unified element base and simplicity of design;

3. Высокая точность и стабильность входного воздействия, за счет использования бесконтактного электропривода достигается низкий уровень шумов по сравнению с прототипом;3. High accuracy and stability of the input action, due to the use of a contactless electric drive, a low noise level is achieved in comparison with the prototype;

4. Высокая информативность стенда позволяет использовать его при исследованиях и разработке новых акселерометров и сейсмоприемников.4. The high information content of the stand allows it to be used in research and development of new accelerometers and seismic receivers.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ № 2519833, 20.06.2014.1. RF patent No. 2519833, 20.06.2014.

2. Оптико-электронный аппарат // Патент SU 1295344 A1. 1987. Бюл. № 9. /В.Н Авдонин, В.П. Козик, В.Н. Кочедыков.2. Optoelectronic apparatus // Patent SU 1295344 A1. 1987. Bul. No. 9. / V.N. Avdonin, V.P. Kozik, V.N. Kochedykov.

3. О.К. Абрамов Устройство для калибровки акселерометров в поле земного тяготения. Вестник РГРТУ. № 4 (выпуск 26). Рязань, 2008 г.3. O.K. Abramov A device for calibrating accelerometers in the gravitational field. RGRTU Bulletin. No. 4 (issue 26). Ryazan, 2008

4. Фремд В.М. Инструментальные средства и методы регистрации сильных землетрясений. – М.: Наука, 1978. – 176 с.4. Fremd V.M. Instruments and methods for registering strong earthquakes. - Moscow: Nauka, 1978 .-- 176 p.

5. Иориш Ю.И. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы (2-е изд.). - М.:ГНТИМСЛ,1963, - 771 с.5. Iorish Yu.I. Vibrometry. Measurement of vibration and shock. General theory, methods and instruments (2nd ed.). - M.: GNTIMSL, 1963, - 771 p.

6. Гросул А.Б., Некрасов В.Н., Сергеев С.В. Применение метода динамических наклонов в поле силы тяжести для градуировки вертикальных сейсмоприемников акселерометрического типа // Сейсмические приборы. Вып. 21. М.: Наука, 1990. – С. 175 с.6. Grosul A.B., Nekrasov V.N., Sergeev S.V. Application of the method of dynamic tilts in the gravity field for the calibration of vertical seismic receivers of the accelerometric type // Seismicheskie pribory. Issue 21.M .: Nauka, 1990. - S. 175 p.

7. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления: учеб. пособие. – СПб.: Профессия, 2007 г.7. Besekersky V.A. Theory of automatic control systems: textbook. allowance. - SPb .: Profession, 2007

8. Чен К., Джиблин П., Ирвинг А. Matlab в математических исследованиях. – М.: Мир, 2001. – 346 с.8. Chen K., Jiblin P., Irving A. Matlab in mathematical research. - M .: Mir, 2001 .-- 346 p.

Claims (1)

Низкочастотный стенд для калибровки и испытаний акселерометров и сейсмоприемников, содержащий станину, в которой на двух полуосях свободно вращается подвижная часть, состоящая из подвижной платформы, отличающийся тем, что содержит бесконтактный электропривод, приводящий в движение подвижную вращающуюся платформу, балансировочные грузы, установленные на подвижную вращающуюся платформу, блок электроники, состоящий из внутреннего источника питания, понижающего преобразователя, микроконтроллера, датчика влажности и температуры, информационного дисплея и цифрового входа для подключения к компьютеру, также на подвижной платформе установлен блок микромеханических датчиков для контроля ее углового положения и контроля углового положения двух полуосей, на которых закреплена подвижная платформа, относительно плоскости горизонта. Low-frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers, containing a frame in which a movable part, consisting of a movable platform rotates freely on two semi-axles, characterized in that it contains a contactless electric drive that drives a movable rotating platform, balancing weights installed on a movable rotating platform a platform, an electronics unit, consisting of an internal power supply, a buck converter, a microcontroller, a humidity and temperature sensor, an information display and a digital input for connection to a computer, a block of micromechanical sensors is also installed on the movable platform to control its angular position and control the angular position of two semi-axes , on which the movable platform is fixed, relative to the plane of the horizon.
RU2019117394A 2019-06-05 2019-06-05 Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers RU2757971C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117394A RU2757971C2 (en) 2019-06-05 2019-06-05 Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117394A RU2757971C2 (en) 2019-06-05 2019-06-05 Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2019117394A RU2019117394A (en) 2020-12-07
RU2019117394A3 RU2019117394A3 (en) 2021-05-21
RU2757971C2 true RU2757971C2 (en) 2021-10-25

Family

ID=73727221

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019117394A RU2757971C2 (en) 2019-06-05 2019-06-05 Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757971C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2808155C1 (en) * 2023-04-25 2023-11-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) Two-dimensional low-frequency stand for research and calibration of seismic sensors

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU607147A1 (en) * 1975-08-14 1978-05-15 Ленинградский Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Harmonic linear acceleration stand
SU813155A1 (en) * 1978-07-31 1981-03-15 Специальное Конструкторское Бюро Испыта-Тельных Машин Производственного Объеди-Нения "Точмашприбор" Test-bed for testing articles for constant and low frequency accelerations
RU2256880C1 (en) * 2004-10-12 2005-07-20 Мезенцев Александр Павлович Method and device for combined testing of platform-free inertial measuring unit on the base of micromechanic gyros and accelerometers
CN106248198A (en) * 2016-08-18 2016-12-21 重庆建设工业(集团)有限责任公司 Three axle intermediate frequency vibration standard devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU607147A1 (en) * 1975-08-14 1978-05-15 Ленинградский Политехнический Институт Им. М.И.Калинина Harmonic linear acceleration stand
SU813155A1 (en) * 1978-07-31 1981-03-15 Специальное Конструкторское Бюро Испыта-Тельных Машин Производственного Объеди-Нения "Точмашприбор" Test-bed for testing articles for constant and low frequency accelerations
RU2256880C1 (en) * 2004-10-12 2005-07-20 Мезенцев Александр Павлович Method and device for combined testing of platform-free inertial measuring unit on the base of micromechanic gyros and accelerometers
CN106248198A (en) * 2016-08-18 2016-12-21 重庆建设工业(集团)有限责任公司 Three axle intermediate frequency vibration standard devices

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2815852C1 (en) * 2023-04-03 2024-03-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) Two-dimensional low-frequency stand for research and calibration of seismic sensors
RU2808155C1 (en) * 2023-04-25 2023-11-24 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный научный центр "Владикавказский научный центр Российской академии наук" (ВНЦ РАН) Two-dimensional low-frequency stand for research and calibration of seismic sensors

Also Published As

Publication number Publication date
RU2019117394A (en) 2020-12-07
RU2019117394A3 (en) 2021-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN204831330U (en) Three -axle table's attitude sensor test system
US2451863A (en) Apparatus for balancing rotors
CN113885098B (en) Gravity sensor low-frequency response error online modeling and compensation method
US8079258B1 (en) Gyroscope and pendulous gyroscopic accelerometer with adjustable scale factor, and gravity gradiometer using such
WO2021122393A1 (en) Method for balancing a rotor
CN114152380B (en) Quick-response second-stage pendulum device for micro-Newton thrust test
RU2757971C2 (en) Low frequency stand for calibration and testing of accelerometers and seismic receivers
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
CN115979311B (en) PIGA cross quadratic term coefficient calibration method, system, equipment and medium
CN110133325B (en) Gravity field dynamic calibration method of accelerometer
CN116699177A (en) Accelerometer performance testing device, method and system
CN116953288A (en) Accelerometer resolution testing device and method utilizing excitation force of double eccentric motors
CN109059917B (en) Dynamic level meter and dynamic adjustment measurement method thereof
CN116500301A (en) Device and method for calibrating resolution of accelerometer
CN101266146A (en) Tilt angle measuring apparatus for automatic zero compensation
CN113945230B (en) Identification method for high-order error coefficient of inertial device
US2732717A (en) Gravity meter
RU2044274C1 (en) Stand for testing precision angular velocity gyroscopic pickup
RU2519833C2 (en) Calibration method of piezoelectric accelerometer at lower frequencies, and device for its implementation
US5886260A (en) Centripetal opposed pendulous accelerometer
CN115931009B (en) Inertial device centrifugal measurement method based on gyroscope and laser ranging
US3114264A (en) Gravity sensing instrument
KR100473782B1 (en) Measuring device of cross-inertia-product in limited angular rotary shaft and measuring method thereof
US3073165A (en) Gravimeter
CN116136405B (en) Data processing method and device for inertial measurement unit introduced into magnetic fluid sensor