RU2781676C1

RU2781676C1 - Method and apparatus for signal processing in measurement of broadband linear accelerations

Info

Publication number: RU2781676C1
Application number: RU2021129500A
Authority: RU
Inventors: Владимир Кириллович Куролес
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2022-10-17

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment and is intended for measuring linear broadband accelerations. Method for signal processing in measurement of broadband linear accelerations consists in applying narrowband signal filtering from the output of a linear accelerometer. Said filter is self-tuned to the frequency of elastic oscillations of the structure wherefor the linear acceleration is measured.

EFFECT: increase in the accuracy of measurement of linear accelerations of an object.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных широкополосных ускорений.The present invention relates to measuring technology and is intended for measuring linear broadband accelerations.

В настоящее время для оценки динамики летательных аппаратов применяются линейные акселерометры с рабочими частотами от 0 до 2000 Гц. Примером может служить акселерометр АВЭ 002, который серийно выпускается Пензенским институтом физических измерений. Этот прибор может быть принят в качестве аналога предложенному устройству. При измерении широкополосных линейных ускорений высоко динамичными акселерометрами, на линейное ускорение накладываются виброударные сигналы. Особенно это проявляется при измерении линейных ускорений в процессе раскладки аэродинамических поверхностей летательных аппаратов. Разделить известными способами виброударные нагрузки и нагрузки, вызванные линейным ускорением, не представляется возможным, если спектральные характеристики ударных сигналов лежат в диапазоне частот линейных ускорений. В результате ударных нагрузок в конструкциях возникает трехмерная упругая волна, вектор силы которой накладывается на силу, вызванную линейным ускорением конструкции.Currently, linear accelerometers with operating frequencies from 0 to 2000 Hz are used to assess the dynamics of aircraft. An example is the AVE 002 accelerometer, which is mass-produced by the Penza Institute of Physical Measurements. This device can be taken as an analog of the proposed device. When measuring broadband linear accelerations with highly dynamic accelerometers, vibration shock signals are superimposed on the linear acceleration. This is especially evident when measuring linear accelerations in the process of laying out the aerodynamic surfaces of aircraft. It is not possible to separate vibroimpact loads and loads caused by linear acceleration by known methods if the spectral characteristics of shock signals lie in the frequency range of linear accelerations. As a result of shock loads, a three-dimensional elastic wave arises in structures, the force vector of which is superimposed on the force caused by the linear acceleration of the structure.

Предлагаемое изобретение и направлено на решение задачи выделения линейных ускорений в условиях сильных виброударных нагрузок, при которых частотный спектр вибросигнала лежит в диапазоне частот измеряемых линейных ускорений.The present invention is aimed at solving the problem of detecting linear accelerations under conditions of strong vibroimpact loads, in which the frequency spectrum of the vibration signal lies in the frequency range of the measured linear accelerations.

Общими элементами аналога и предложенного измерителя является применение известного линейного акселерометра с режекторным фильтром на выходе, настроенным на собственную частоту линейного акселерометра.The common elements of the analog and the proposed meter is the use of a known linear accelerometer with a notch filter at the output, tuned to the natural frequency of the linear accelerometer.

Отличительными признаками являются дополнительно внесенные элементы: вибродатчик, спектральный анализатор и ряд режекторных фильтров. Спектральный анализатор и режекторные фильтры с настраиваемыми собственными частотами реализуются в аналого цифровом контроллере, имеющем два входа.Distinctive features are additionally introduced elements: a vibration sensor, a spectrum analyzer and a number of notch filters. The spectrum analyzer and notch filters with adjustable natural frequencies are implemented in an analog-to-digital controller with two inputs.

Для решения этой задачи, наряду с фильтрацией сигнала с выхода линейного акселерометра первым режекторным фильтром, настроенным на собственную частоту линейного акселерометра ω₀, дополнительно устанавливают ряд последовательно соединенных режекторных фильтров, собственные частоты которых настраиваются на частоты упругих колебаний конструкции, линейное ускорение которой измеряется. При этом с помощью вибродатчика, выход которого соединяется с спектральным анализатором, определяются собственные частоты конструкции в диапазоне частот от 0,1ω₀≤ω≤3ω₀.To solve this problem, along with filtering the signal from the output of the linear accelerometer by the first notch filter tuned to the natural frequency of the linear accelerometer ω ₀ , an additional series of notch filters are installed, the natural frequencies of which are tuned to the frequencies of elastic vibrations of the structure, the linear acceleration of which is measured. In this case, with the help of a vibration sensor, the output of which is connected to a spectrum analyzer, the natural frequencies of the structure are determined in the frequency range from 0.1ω ₀ ≤ω≤3ω ₀ .

Реализуется предложенный способ устройством, приведенным на рисунке 1.The proposed method is implemented by the device shown in Figure 1.

Устройство для измерения широкополосных линейных ускорений содержит датчик линейных ускорений 1, вибродатчик 2, аналого-цифровой контроллер 3, режекторные фильтры 4, спектральный анализатор 5. Сигналы с датчика линейных ускорений 1 и с вибродатчика 2 подключаются к входам контроллера 3. Контроллер в своем составе содержит ряд последовательно соединенных режекторных фильтров 4, с управляющими входами, и спектральный анализатор 5. Вход режекторных фильтров 4 соединен с цифровым сигналом с выхода линейного акселерометра, вход спектрального анализатора 5 соединен с цифровым сигналом с выхода вибродатчика 2. Спектральный анализатор 5 имеет выходы с информацией о собственных частотах упругих колебаний. Эти выходы соединены с управляющими входами режекторных фильтров.The device for measuring broadband linear accelerations contains a linear acceleration sensor 1, a vibration sensor 2, an analog-to-digital controller 3, notch filters 4, a spectral analyzer 5. The signals from the linear acceleration sensor 1 and from the vibration sensor 2 are connected to the inputs of the controller 3. The controller in its composition contains a series of notch filters 4 connected in series with control inputs, and a spectral analyzer 5. The input of the notch filters 4 is connected to a digital signal from the output of a linear accelerometer, the input of the spectral analyzer 5 is connected to a digital signal from the output of the vibration sensor 2. The spectrum analyzer 5 has outputs with information about natural frequencies of elastic oscillations. These outputs are connected to the control inputs of the notch filters.

Устройство для измерения широкополосных линейных ускорений работает следующим образом. Перед началом измерения линейных ускорений на конструкцию воздействуют одиночным ударом. При этом на выходе вибродатчика появляется сигнал об упругих колебаниях конструкции. Этот сигнал обрабатывается спектральным анализатором, в котором выделяются собственные частоты упругих колебаний поверхности конструкции. Информация о собственных частотах упругих колебаний по управляющим входам режекторных фильтров используется для настройки собственных частот этих фильтров. Это позволяет на выходе режекторных фильтров не пропустить сигналы о собственных упругих колебаниях поверхности механизмов, движение которых измеряется линейными акселерометрами.A device for measuring broadband linear accelerations operates as follows. Before starting the measurement of linear accelerations, the structure is affected by a single impact. At the same time, a signal about elastic vibrations of the structure appears at the output of the vibration sensor. This signal is processed by a spectral analyzer, in which the natural frequencies of elastic vibrations of the surface of the structure are identified. Information about natural frequencies of elastic oscillations from the control inputs of notch filters is used to adjust the natural frequencies of these filters. This allows at the output of notch filters not to miss signals about natural elastic oscillations of the surface of mechanisms, the movement of which is measured by linear accelerometers.

Тем самым измерительная система на выходе режекторных фильтров будет содержать информацию только о движении конструкции в виде линейного ускорения.Thus, the measuring system at the output of the notch filters will contain information only about the movement of the structure in the form of linear acceleration.

За счет применения последовательно соединенных режекторных фильтров, сигнал с выхода линейного акселерометра содержит информацию только о линейном ускорении конструкции.Due to the use of notch filters connected in series, the signal from the output of the linear accelerometer contains information only about the linear acceleration of the structure.

Самонастройка фильтра производится перед измерением линейных ускорений. С этой целью на конструкцию задается ударное воздействие, которое измеряется вибродатчиком и определяется спектральная плотность сигнала с вибродатчика, представленная на выходах спектрального анализатора собственными частотами упругих колебаний конструкции.Self-adjustment of the filter is performed before measuring linear accelerations. For this purpose, a shock effect is set on the structure, which is measured by a vibration sensor and the spectral density of the signal from the vibration sensor is determined, which is represented at the outputs of the spectral analyzer by natural frequencies of elastic vibrations of the structure.

Предложенный способ измерения широкополосных линейных ускорений заключается в применении узкополосной фильтрации сигнала с выхода линейного акселерометра. Причем, фильтр является самонастраиваемым на частоту упругих колебаний конструкции, линейное ускорение которой измеряется. Устройство, реализующее предложенный способ, содержит линейный акселерометр, к выходу которого подключен первый режекторный фильтр, частота которого настроена на собственную частоту линейного акселерометра, и аналого-цифровой контроллер с двумя входами, который содержит ряд последовательно соединенных режекторных фильтров с управляющими входами и спектральный анализатор. Вход режекторных фильтров соединен с цифровым сигналом входа, к которому подключен линейный акселерометр, вход спектрального анализатора соединен с цифровым сигналом входа, к которому подключен вибродатчик. Выходы спектрального анализатора содержат информацию о собственных частотах упругих колебаний конструкции, линейное ускорение которой измеряется. Эти выходы соединены с управляющими входами режекторных фильтров и это позволяет настроить собственные частоты режекторных фильтров на частоты упругих колебаний конструкции. Тем самым исключаются из сигнала линейного акселерометра упругие колебания конструкции, этот сигнал содержит информацию только о линейном движении конструкции.The proposed method for measuring broadband linear accelerations is to use narrow-band filtering of the signal from the output of a linear accelerometer. Moreover, the filter is self-adjusting to the frequency of elastic oscillations of the structure, the linear acceleration of which is measured. The device implementing the proposed method contains a linear accelerometer, to the output of which the first notch filter is connected, the frequency of which is tuned to the natural frequency of the linear accelerometer, and an analog-to-digital controller with two inputs, which contains a number of series-connected notch filters with control inputs and a spectrum analyzer. The input of the notch filters is connected to the digital signal of the input to which the linear accelerometer is connected, the input of the spectrum analyzer is connected to the digital signal of the input to which the vibration sensor is connected. The outputs of the spectral analyzer contain information about the natural frequencies of elastic vibrations of the structure, the linear acceleration of which is measured. These outputs are connected to the control inputs of the notch filters, and this allows you to tune the natural frequencies of the notch filters to the frequencies of the elastic vibrations of the structure. Thus, elastic oscillations of the structure are excluded from the signal of the linear accelerometer, this signal contains information only about the linear movement of the structure.

Claims

1. A method of signal processing when measuring broadband linear accelerations, which consists in the use of narrow-band filtering of the signal from the output of a linear accelerometer, characterized in that a group of series-connected notch filters is used, and the natural frequencies of the series-connected series of notch filters are tuned to the frequencies of elastic vibrations of the structure, linear acceleration which is measured, and the natural frequencies of the structure are measured in the frequency range 0.1ω ₀ ≤ω≤3ω ₀ , where ω ₀ is the natural frequency of elastic oscillations of the linear accelerometer.

2. A device for measuring broadband linear accelerations, implementing the method according to claim 1, containing a linear accelerometer, the first notch filter tuned to the natural frequency of elastic oscillations of the linear accelerometer, and an analog-to-digital controller for processing the accelerometer output signal, characterized in that a vibration sensor is additionally introduced , to measure the natural vibration frequencies of the structure, the controller has two analog inputs, the first input of the controller is connected to the output of a linear accelerometer, the second input of the controller is connected to the output of the vibration sensor, the controller contains a series of notch filters connected in series with control inputs and a spectrum analyzer, the notch filter inputs are connected to digital signal of the first channel of the controller, and the signal from the second input of the controller is connected to a spectrum analyzer, the outputs of which are connected to the control inputs of the notch filters, while the spectrum analyzer determines its own hour the elastic vibrations of the structure on which the sensors are installed and adjusts the natural frequencies of the notch filters to the frequencies of the elastic vibrations of the structure.