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"Genrikh Osipovich Graftio - al 150° anniversario della sua nascita"

Cari lettori! La sezione "Esposizioni virtuali" contiene una nuova mostra virtuale "Heinrich Osipovich Graftio". Il 2019 segna il 150° anniversario della nascita di Genrikh Osipovich, uno dei fondatori dell'industria idroelettrica nel nostro Paese. Scienziato-enciclopedista, ingegnere di talento e organizzatore eccezionale, Genrikh Osipovich ha dato un enorme contributo allo sviluppo dell'industria energetica nazionale.

La mostra è stata curata dal personale del Dipartimento di Letteratura Scientifica della Biblioteca. La mostra presenta le opere di Genrikh Osipovich del LETI History Fund e le pubblicazioni su di lui.

È possibile visualizzare la mostra

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Si chiamano dispositivi atti a misurare le accelerazioni lineari degli aeromobili e le accelerazioni angolari degli elementi rotanti delle loro unità accelerometri.

I segnali dell'accelerometro vengono utilizzati nei sistemi di navigazione inerziale per calcolare velocità e posizioni, nei sistemi di controllo del motore e di volo e negli indicatori visivi degli strumenti. Gli indicatori visivi di accelerazione sono necessari per un pilota su un velivolo manovrabile per controllare i sovraccarichi che si verificano quando l'aeromobile è controllato.

Gli accelerometri sono classificati in base a vari criteri, in particolare in base alle aree di applicazione, al tipo di sospensioni dell'elemento sensibile, al metodo di rilevamento del segnale, al numero di componenti di accelerazione misurate, al tipo di segnale di uscita, ecc.

I requisiti per gli accelerometri in termini di precisione di misurazione sono determinati dall'applicazione. Pertanto, gli errori degli accelerometri nei sistemi inerziali non devono superare lo 0,001%. Gli accelerometri utilizzati nei sistemi di controllo presentano errori dello 0,001-1,0%. Gli errori degli accelerometri utilizzati come strumenti visivi sono dell'1–3%.

Il principio di funzionamento dell'accelerometro è il seguente.

Fig.1 Schema dell'accelerometro.

1 - massa inerziale; 2 - primavera; 3 - ammortizzatore; 4 - scala; 5 – corpo del dispositivo; 6 - asse di sensibilità dell'accelerometro

Massa inerziale 1 associata al corpo del dispositivo 5 con la primavera 2 e ammortizzatore 3 , può muoversi in direzione di 6 assi chiamato asse di sensibilità. Spostamento di massa rispetto al corpo del dispositivo, misurato su una scala di 4 , proporzionale all'accelerazione misurata diretta lungo l'asse di sensibilità.

L'elemento sensibile dell'accelerometro è la massa inerziale.

Per massa inerziale
accelerometro, agiscono le seguenti forze:

- forza d'inerzia

,

dove – spostamento della massa rispetto al corpo del dispositivo;

– movimento del corpo del dispositivo rispetto ad un punto fisso nello spazio.

- forza proporzionale alla velocità di movimento della massa e creata dall'ammortizzatore:

,

dove
– fattore di smorzamento.

- forza posizionale creata dall'elasticità della molla:

,

dove è il coefficiente di elasticità.

La somma di queste forze è uguale a zero, cioè

,

,

dove
- frequenza naturale;

;

è il coefficiente di attenuazione relativo.

Gli elementi principali degli accelerometri sono sospensioni di massa inerziale, sensori di segnale di spostamento di massa, dispositivi di coppia (potenza) che forniscono input di segnali di feedback, amplificatori di segnale e dispositivi correttivi (smorzatori).

Affinché l'accelerometro risponda solo alla componente di accelerazione a cui è destinato, la sua massa inerziale deve avere una sospensione speciale che soddisfi i seguenti requisiti: 1) minimo attrito negli assi della sospensione; 2) l'assenza di collegamenti incrociati tra gli assi di misura; 3) fornire una relazione lineare tra le deviazioni della massa inerziale e l'accelerazione misurata.

I ganci su semplici supporti creano un attrito significativo, che riduce la sensibilità dell'accelerometro. Per ridurre l'attrito, l'elemento sensibile è montato su una leva o posto in un liquido con un peso specifico uguale al peso specifico dell'elemento sensibile (Fig. 2-4). Le sospensioni su molle e membrane elastiche ondulate sono esenti da attrito, ma il loro svantaggio è che quando la massa devia, il dispositivo inizia a rispondere alle componenti di accelerazione perpendicolari all'asse di sensibilità. Pertanto, tali sospensioni sono utilizzate negli accelerometri con compensazione della forza, quando non ci sono praticamente deviazioni di massa.

Riso. 2. Schema di un accelerometro monocomponente:

1 - massa inerziale; 2 - corpo; 3 - liquido; 4 - asta di guida; 5 - amplificatore; 6 – sensore di spostamento induttivo;

7 - azionamento elettromagnetico

Sul diagramma di Fig. 2, la massa inerziale 1 è sospesa sulla guida 4. Per ridurre l'attrito sulla massa guida 1, posta nel liquido 3, ha galleggiamento neutro, che elimina la forte pressione sulla guida. I segnali nello schema in esame, proporzionali al movimento della massa inerziale, sono misurati da un sensore induttivo 6. Dopo l'amplificazione nell'amplificatore 5, il segnale viene inviato all'azionamento elettromagnetico (di potenza) 7. Il segnale di uscita dell'amplificatore l'accelerometro è una caduta di tensione sulla resistenza inclusi in serie nel circuito di avvolgimento del motore. Lo smorzamento nel dispositivo è ottenuto grazie alla resistenza durante il movimento della massa inerziale nel fluido. In accelerometri del tipo in esame si può ottenere un'elevata frequenza naturale e una piccola zona morta (ottenuta riducendo le forze di attrito pesando la massa inerziale nel liquido). Per mantenere la costanza delle caratteristiche dell'accelerometro, è necessario mantenere costante la temperatura del liquido, che si ottiene termostatando.

Riso. 3. Schema di un accelerometro a galleggiante a pendolo:

1 - massa inerziale; 2 - liquido; 3 - corpo; 4 – motore coppia;

5 - amplificatore; 6 - sensore di segnale

Sulla fig. 3 mostra un diagramma di un accelerometro a galleggiante a pendolo. Il galleggiante (massa inerziale) è progettato in modo tale che il suo peso Q sia vicino alla forza di sollevamento F. Il pendolo necessario del galleggiante è fornito dallo spostamento del baricentro rispetto al baricentro del valore L. 4. Il basso attrito nei supporti, che sono sospensioni, è fornito dalla bassa pressione, poiché il peso del galleggiante Q è praticamente bilanciato dalla forza di sollevamento F. Lo smorzamento è ottenuto dal fatto che la massa si muove nel liquido. Per mantenere la costanza delle caratteristiche del dispositivo è necessario regolare la temperatura del liquido. I fluidi di silicio sono utilizzati negli accelerometri a galleggiante.

Le accelerazioni misurate dagli accelerometri utilizzati nei sistemi inerziali servono per ottenere la velocità di volo e la distanza percorsa. Per ottenere la velocità, l'accelerazione è integrata una volta e per ottenere il percorso, è integrata due volte. Esiste una certa classe di accelerometri in cui il segnale di uscita è proporzionale non all'accelerazione, ma a una o due volte l'integrale dell'accelerazione.

Fig.4 Schema dell'accelerometro integratore

1-flottante inerziale; motore a 2 motori; 3 canali di bypass idraulico; sensore 4 capacitivo; 5 cilindri riempiti con fluido siliconico; impianto di riscaldamento a 6 relè; 7-termostato; 8 elementi riscaldanti; 9 cilindri esterni; 10 liquidi

Lo schema dell'accelerometro integratore di tipo float è mostrato in fig. 4. Il galleggiante 1 a forma di cilindro è posto in una camera cilindrica riempita di liquido 10 e la densità del materiale del galleggiante è inferiore alla densità del liquido. La telecamera è azionata dal motore 2 a velocità costante. Sotto l'azione delle forze centrifughe derivanti dalla rotazione del liquido, il galleggiante è posizionato lungo l'asse di simmetria, lungo il quale può muoversi. Integrando gli accelerometri con il design mostrato in fig. 4 ha una sensibilità dell'ordine di 10 -5 ge un errore non superiore allo 0,01%.

Le sospensioni elettromagnetiche e criogeniche sono promettenti.

Per convertire gli spostamenti in segnali elettrici, gli accelerometri utilizzano convertitori potenziometrici, induttivi, capacitivi, fotoelettrici e di stringa. I requisiti principali per i convertitori sono i seguenti: 1) alta risoluzione; 2) dipendenza lineare dell'uscita dall'ingresso; 3) nessuna risposta del trasduttore all'elemento sensibile. Questi requisiti non sono soddisfatti dai sensori potenziometrici, quindi non vengono utilizzati negli strumenti di precisione.

Come dispositivi di coppia (potenza) negli accelerometri per l'immissione di segnali di feedback, vengono utilizzati motori coppia (motori elettrici che funzionano in modalità frenata) e dispositivi elettromagnetici.

Per ottenere accelerometri con le caratteristiche di frequenza richieste, nei circuiti di feedback vengono utilizzati filtri correttivi e ammortizzatori speciali. Gli strumenti in sospensione di fluido utilizzano la viscosità del fluido stesso per lo smorzamento.

Errori dell'accelerometro

Gli accelerometri sono caratterizzati da errori metodologici e strumentali.

Gli errori metodologici degli accelerometri possono essere suddivisi in due gruppi: 1) errori derivanti dal fatto che gli accelerometri misurano solo le accelerazioni dalle forze attive, mentre questi dispositivi non rispondono alle accelerazioni causate dalle forze gravitazionali; 2) errori derivanti dalla non coincidenza dell'asse di sensibilità con la direzione di azione dell'accelerazione misurata.

Quindi, ad esempio, se l'asse di sensibilità e la direzione dell'accelerazione non coincidono di 1°, l'errore nel misurare l'entità dell'accelerazione è 0,02%. Questo errore è di per sé piccolo e di scarso interesse. Di maggiore importanza è l'angolo tra le direzioni indicate, poiché determina la discrepanza tra l'asse strumentale e quello reale del sistema di coordinate. Inoltre, nei sistemi di navigazione inerziale, la mancata corrispondenza degli assi di sensibilità con la direzione delle accelerazioni misurate porta alla comparsa di collegamenti incrociati tra gli accelerometri, per cui l'accelerometro misura non solo "il proprio" ma anche " accelerazioni straniere".

Gli errori strumentali degli accelerometri sono determinati da: 1) soglia di sensibilità (dovuta all'attrito nelle sospensioni) - il segnale di ingresso minimo a cui appare un segnale di uscita; 2) violazione della relazione lineare tra i segnali di ingresso e di uscita; 3) isteresi nelle caratteristiche degli elementi elastici e di altro tipo; 4) dipendenza dalla temperatura dei parametri e delle caratteristiche dell'accelerometro.

Per ridurre gli errori strumentali, vengono prese misure per ridurre l'attrito nelle sospensioni, agli elementi del termostato e per migliorare le caratteristiche di sensibilità dell'accelerometro. Nei migliori progetti di accelerometri per sistemi inerziali, gli errori strumentali sono portati fino allo 0,002%.

Blocco sensore di accelerazione lineare BDLU - 0,5è progettato per misurare le accelerazioni lineari relative al normale sistema di coordinate ed emettere un segnale elettrico proporzionale alle accelerazioni lineari al sistema di volo di bordo (BPK) e ad altri sistemi di bordo.

Strutturalmente, l'accelerometro di tipo BDLU è costituito dalle unità principali:

– Il sensore di accelerazione lineare tipo DLUV-42 è un accelerometro ad asse singolo ed è progettato per misurare l'accelerazione lineare agente lungo l'asse di sensibilità ed emettere un segnale elettrico, il cui valore di tensione è proporzionale all'accelerazione lineare agente lungo l'asse di misura, e il segno corrisponde alla direzione dell'azione di accelerazione lineare.

– alimentatore tipo MUBP-1-1;

– Amplificatore di retroazione tipo BU-44-2-11.

L'aspetto del BDLU è mostrato in Fig. 5

Fig.5 Aspetto di BDLU

Lo schema di un accelerometro monoasse è mostrato in Fig. 6. (tipo DLUV-42)

Riso. 6. Schema di un accelerometro uniassiale con feedback di forza:

1 – avvolgimento del sensore; 2 - avvolgimento di eccitazione; 3 – asse di sensibilità dell'accelerometro; 4 – magnete permanente; 5 - ripristino avvolgimento; 6 - Amplificatore CA; 7 – demodulatore; 8 - catena di sfasamento; 9 - Amplificatore CC; 10 – generatore di circuito di eccitazione; 11 - resistenza di uscita; 12 – segnale di accelerazione misurato.

Un accelerometro è un dispositivo di feedback di forza in cui la forza inerziale che agisce sull'elemento sensibile è bilanciata (in proporzione all'accelerazione) dalla forza elettromagnetica generata dalla corrente in una bobina posta in un campo magnetico.

L'elemento sensibile dell'accelerometro DLUV è il pendolo 4, che è un magnete permanente.

Sotto l'azione di accelerazioni lineari dirette lungo l'asse sensibile del sensore, si genera un momento di inerzia che devia l'elemento sensibile (pendolo) dalla posizione di equilibrio zero nella direzione opposta all'azione di questa forza.

Il momento d'inerzia del pendolo è:

,

dove
è la massa del pendolo; – braccio di squilibrio del pendolo; è l'accelerazione lineare effettiva.

Allo stesso tempo, qualsiasi deviazione dalla posizione zero crea 1 fem nella bobina del sensore montata su di essa, che è proporzionale all'entità della forza agente e quindi all'accelerazione. Il segnale del sensore viene inviato all'ingresso del rivelatore-amplificatore sensibile alla fase di ampiezza BU-44-2-11 (7, 8, 10), dove viene convertito in una tensione CC di una certa polarità e viene alimentato attraverso l'amplificatore in corrente continua UPT-9 agli avvolgimenti della bobina di recupero 5, che si trova sulla sospensione elastica dell'elemento sensibile.

Il campo magnetico della bobina di recupero 5 interagisce con il campo del magnete permanente 4, che è l'elemento sensibile al pendolo del sensore, e si genera una forza elettromagnetica che bilancia il momento di inerzia del pendolo e tende a riportarlo a zero posizione.

La coppia elettromagnetica generata dalla corrente che scorre negli avvolgimenti della bobina di recupero è

,

dove
- coefficiente di trasferimento del circuito di retroazione di potenza;

è la corrente che scorre attraverso la bobina.

L'introduzione della retroazione di forza nell'accelerometro equivale a una rigidità aggiuntiva, che è molto maggiore della rigidità dell'elemento elastico.

Se il guadagno dell'amplificatore 9 è sufficientemente grande, la forza di ripristino elettromagnetica bilancia la forza proporzionale all'accelerazione e l'elemento sensibile prenderà la posizione di equilibrio zero e si verificherà l'uguaglianza:

o
,

Da qui la relazione

.

Pertanto, nel circuito della bobina di recupero 5 scorre una corrente che è direttamente proporzionale all'accelerazione lineare della corrente (sovraccarico).

Collegando una resistenza di carico in serie alla bobina
, otteniamo la tensione di uscita proporzionale all'accelerazione lineare della corrente:

. (1)

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introduzione

Capitolo 1. Analisi delle caratteristiche qualitative degli accelerometri di precisione e studio di modi per migliorare la precisione.

1.1. Analisi dei moderni accelerometri di precisione e selezione dell'oggetto di studio. undici

1.2. Progettazione e tecnologia di assemblaggio dell'accelerometro 18

1.3. I principali parametri che determinano l'accuratezza dell'accelerometro e il livello della loro implementazione 24

1.4. Enunciato del problema della ricerca. 31

capitolo 2 Sviluppo di un modello matematico per la valutazione dei parametri statici dell'accuratezza dell'accelerometro . 33

2.1. Modello a segnale zero dell'accelerometro AK-6. 35

2.2. Valutazione del grado di influenza del progetto primario e dei parametri tecnologici sul valore e sulla stabilità dello "zero" e della "base" degli accelerometri. 48

2.3. Risultati 51

Capitolo 3. Analisi dei processi fisici che determinano gli errori dominanti dell'accelerometro e sviluppo di modi per ridurre l'errore. 53

3.1. Indagine sull'influenza del fissaggio dell'elemento sensibile nel corpo dell'accelerometro sulla stabilità della posizione dell'asse di sensibilità del dispositivo. 54

3.2. Analisi del lavoro di parti e unità del SE con variazioni di temperatura. 61

3.3. Studio sperimentale delle ragioni dell'instabilità del segnale zero e della base dell'accelerometro durante la fabbricazione e il funzionamento. 67

3.5. Risultati 77

capitolo 4 Sviluppo di metodi e strumenti per valutare le caratteristiche qualitative degli accelerometri durante il loro test . 79

4.1. Analisi del processo tecnologico esistente di calibrazione degli accelerometri. 80

4.2. Sviluppo di un metodo per la calibrazione di un sistema a blocchi di accelerometri per sistemi di navigazione inerziale ad alta precisione. 83

4.3. Metodo scalare per la calibrazione degli accelerometri. 85

4.3.1. Analisi dei fattori costruttivi e tecnologici che causano i principali errori della triade di accelerometri e sviluppo di un modello di errore. 85

4.3.2. Derivazione delle equazioni di connessione della triade di accelerometri. 89

4.4. Modi per migliorare l'accuratezza della stima dei parametri della triade di accelerometri. 93

4.5. Conclusioni. 97

Capitolo 5. Determinazione dei requisiti per le apparecchiature tecnologiche e verifica sperimentale dell'adeguatezza della determinazione dei parametri mediante il metodo di calibrazione proposto. 98

5.1. Fattori primari da considerare quando si modella il processo di calibrazione. 98

5.2. Descrizione dell'algoritmo di modellizzazione della tecnica proposta. 101

5.3. Modellazione matematica del processo di calibrazione della triade di accelerometri. 109

5.4. Analisi dei risultati della modellazione matematica 111

5.5. Verifica sperimentale e analisi dell'accuratezza della determinazione dei parametri strumentali utilizzando la base e lo scalare

metodi di calibrazione. 137

5.6. Analisi dell'influenza della componente quadratica dell'errore sui risultati delle misurazioni di controllo in un'ampia gamma di variazioni di accelerazione. 141

5.7. Conclusioni. 151

I principali risultati del lavoro. 152

Bibliografia.

Introduzione al lavoro

Lo sviluppo della strumentazione aeronautica è indissolubilmente legato alla realizzazione di nuove tipologie di aeromobili (LA) ad alta velocità e autonomia di volo e che richiedono un livello sempre più elevato di automazione dei processi di controllo del volo.

Tra i tanti sistemi informativi che forniscono la formazione di dati sui parametri attuali del movimento dell'aeromobile, i sistemi di navigazione inerziale (INS) occupano un posto speciale. Essere autonomi, cioè completamente a prova di rumore, forniscono le informazioni necessarie a tutti i sistemi di controllo del movimento degli aeromobili.

Si segnala che i sistemi di navigazione satellitare esistenti, attualmente, per l'utilizzo nelle apparecchiature di bordo sono considerati mezzi aggiuntivi e correttivi. La limitazione dell'uso della navigazione satellitare è principalmente associata a problemi di costanza di ricezione del segnale, bassa frequenza di aggiornamento delle informazioni, difficoltà nel determinare il movimento angolare dell'aeromobile rispetto al baricentro, ecc. Tuttavia, l'elevata precisione di la determinazione delle coordinate attuali crea i presupposti per l'uso di tali sistemi per la correzione delle derive di elementi sensibili inerziali al fine di migliorare l'accuratezza integrale della RNA.

Recentemente è stato possibile aumentare notevolmente la velocità e l'affidabilità dei dispositivi informatici di bordo, per cui si sono diffusi i sistemi di navigazione inerziale (SINS) strapdown (cardanless), in cui il sistema di riferimento fisico è sostituito da uno matematico.

Possedendo una serie di vantaggi rispetto alla piattaforma INS, che includono una notevole semplificazione del design, con conseguente diminuzione dei parametri di peso e dimensioni, un aumento

SISTEMI DI NAVIGAZIONE INERZIALE DELLA PIATTAFORMA

SISTEMI DI NAVIGAZIONE INERZIALE NON PIATTAFORMA

fisico 3-edro

3-edro matematico

Zero instabilità e

base dell'accelerometro da

lanciare per lanciare

Instabilità della deriva del giroscopio all'avvio

Dinamico

gamma di giroscopi

^h

o "a o s

Inversione blocco Ch.E. a qualsiasi angolo attorno a uno qualsiasi dei 3 assi.

Livellamento

Calibrazione Ch.E. in ogni corsa

"Quale girobussola

Accelerometro zero e instabilità di base all'avvio

La posizione degli assi del blocco SE rimane invariata nel sistema di coordinate selezionato

^Mb~

Dinamico

portata dell'accelerometro

instabilità

fattore di scala

accelerometro

Tempo di prontezza unità F.E.

-sl 4 ^

Legatura rigida del blocco C.E agli assi oggetto OI.A).

Girobussola matematica

instabilità alla deriva

giroscopio dal lancio al

lanciare

La posizione degli assi del blocco SE cambia in base alla variazione degli assi del blocco L.A.

Instabilità di scala

coefficiente del giroscopio

Mancanza di stabilizzazione termica

il consumo di energia

Temp. instabilità coefficiente

Riso. 1.1.1. Requisiti per SE dai moderni sistemi inerziali

navigazione.

affidabilità, ciclo di vita ridotto, ridotto

consumo di energia, un aumento della quantità di informazioni generate, SINS aumenta notevolmente i requisiti per i parametri dei sensori di informazioni primarie. La differenza tra i requisiti della piattaforma INS e SINS per giroscopi e accelerometri è mostrata in Fig. 1.1.1.

L'aumento della precisione di qualsiasi sistema di navigazione inerziale è direttamente correlato alla risoluzione del problema della creazione di accelerometri di classe di precisione. La tendenza a sostituire i sistemi a piattaforma con sistemi strap-on complica ulteriormente il compito, poiché rafforza notevolmente i requisiti per i parametri di precisione dell'accelerometro. Innanzitutto, si riferisce all'ampiezza e alla stabilità del suo segnale zero ("zero"), al fattore di scala (MC) e alla posizione dell'asse di sensibilità ("base") in un'ampia gamma di condizioni operative, che viene determinata dall'impossibilità di calibrare l'accelerometro ad ogni accensione del SINS. La soluzione di questo problema è impossibile senza un'analisi più approfondita delle cause degli errori dell'accelerometro e dell'influenza dei parametri di progettazione e tecnologici sui valori e sulla stabilità di "zero", "basi" e il fattore di scala, sulla base delle quali possono essere sviluppate proposte tecniche, sia per migliorare il design che per la tecnologia di fabbricazione dell'accelerometro.

La certificazione dei suddetti parametri di qualità degli accelerometri è parte integrante del processo tecnologico di fabbricazione. Poiché le stime ottenute dei parametri dell'accelerometro sono direttamente incluse nell'errore di certificazione, l'aumento dell'accuratezza dell'accelerometro comporta inequivocabilmente l'inasprimento dei requisiti per l'accuratezza dell'apparecchiatura di misurazione. Il metodo di attestazione (calibrazione) attualmente utilizzato nella produzione di massa si basa sull'uso di apparecchiature il cui errore è commisurato ai parametri stimati. Inoltre, il costo di questa attrezzatura (principalmente ottica di precisione

divisori) è molto alto, e il processo stesso è molto laborioso, principalmente a causa dell'impossibilità della sua automazione.

In conformità con quanto sopra, lo studio dei fattori che determinano l'errore dell'accelerometro e lo sviluppo sulla base di raccomandazioni progettuali e tecnologiche per migliorare l'accuratezza, nonché la creazione di una tecnica di calibrazione più efficiente, è un'urgenza compito.

In questo documento, consideriamo i problemi di portare i parametri dell'accelerometro al quarzo AK-6, sviluppato presso il JSC "Moscow Institute of Electromechanics and Automation", ai requisiti dei moderni SINS, in relazione ai quali, un modello matematico dei principali vengono sviluppati i parametri del dispositivo, vengono presi in considerazione gli aspetti tecnologici della progettazione e dell'assemblaggio di questo accelerometro, sulla base dell'analisi di quali modi per modernizzare il design vengono proposti e viene considerato un nuovo modello modulare di calibrazione dell'accelerometro.

Lo scopo del lavoroè lo sviluppo di soluzioni costruttive e tecnologiche che forniscono un aumento della precisione dell'accelerometro, nonché la creazione di un nuovo metodo per calibrare l'accelerometro, che fornisce l'accuratezza necessaria nella determinazione dei parametri dei dispositivi, soggetta a una riduzione l'intensità del lavoro del processo e l'uso di attrezzature meno costose.

Gli obiettivi della ricerca.

In accordo con lo scopo del lavoro, possono essere formulati i seguenti obiettivi di ricerca:

identificazione dei parametri di precisione degli accelerometri prodotti in serie che non soddisfano i requisiti dei SINS avanzati;

studio delle ragioni strutturali e tecnologiche e analisi della natura fisica della formazione degli errori dominanti dell'accelerometro;

formalizzazione del collegamento tra il progetto ei parametri tecnologici dell'accelerometro e dei suoi errori;

sviluppo e verifica sperimentale dell'efficacia delle raccomandazioni progettuali e tecnologiche per il miglioramento della tecnologia di progettazione e assemblaggio dell'accelerometro;

sviluppo e conferma dell'efficacia di un metodo per calibrare gli accelerometri che fornisca la precisione richiesta, riduca la complessità del processo e non richieda apparecchiature costose per la sua implementazione. Metodi di ricerca.

I risultati ottenuti si basano sulla complessa applicazione delle principali disposizioni della meccanica teorica, della teoria dei circuiti elettrici, della teoria dell'accuratezza di produzione, dei metodi matematici di analisi, della teoria degli spazi vettoriali lineari, dei metodi di approssimazione e linearizzazione, nonché di modelli matematici e in scala reale. Novità scientifica il lavoro è composto da:

costruzione e conferma sperimentale di un modello fisico dell'errore dell'accelerometro associato all'instabilità della posizione della piastra dell'elemento sensibile e dell'elemento sensibile stesso nell'alloggiamento dell'accelerometro;

sviluppo di un modello matematico descrittivo : : errori dominanti dell'accelerometro nella sua progettazione e parametri tecnologici;

sviluppo di un metodo modulare per la calibrazione degli accelerometri; , formulazione e giustificazione dei requisiti per apparecchiature speciali per la calibrazione degli accelerometri secondo il metodo proposto. Valore pratico il lavoro è:

sviluppo di soluzioni tecniche per migliorare il processo progettuale e tecnologico di assemblaggio degli accelerometri, garantendone la riduzione degli errori dominanti;

applicazione del modello matematico sviluppato dell'errore dell'accelerometro per selezionare valori razionali dei parametri del suo circuito elettronico e tolleranze ragionevoli per la deviazione di questi parametri, in termini di garanzia della precisione richiesta dell'accelerometro;

sviluppo e conferma sperimentale

l'efficacia di un nuovo metodo per la calibrazione degli accelerometri,

che fornisce un aumento significativo dell'accuratezza delle stime per

una forte diminuzione dei requisiti per l'accuratezza delle apparecchiature di prova;

implementazione delle soluzioni tecniche sviluppate in

documentazione progettuale e processo di assemblaggio

accelerometro disponibile in commercio AK-6.

Approvazione del lavoro. I materiali presentati in questo

lavoro di tesi, sono stati riportati nei seguenti convegni:

Conferenza scientifica e tecnica tutta russa "Nuovi materiali e tecnologie" NMT - 2000, "Nuovi materiali e tecnologie" NMT - 2002, Conferenza scientifica internazionale per i giovani "XXVII Letture di Gagarin" 2001 "XXVIII Letture di Gagarin" 2002, "XXIX Letture di Gagarin" 2003 ., Simposio internazionale "Tecnologie per la strumentazione aerospaziale" 2002.

Pubblicazioni. I risultati del lavoro di tesi sono stati pubblicati in 8 lavori a stampa e relazioni tecniche emesse dal MIEA nel 2000/01.

La struttura e la portata della tesi: La tesi si compone di un'introduzione, cinque capitoli, una conclusione e una bibliografia di 111 titoli. Il materiale è presentato su 153 pagine illustrate con 70 figure, grafici e 35 tabelle. Il contenuto della tesi. Il lavoro si compone di cinque capitoli.

Nel amministrato vengono brevemente considerati la rilevanza e il valore pratico del lavoro. Vengono formulati lo scopo del lavoro, i compiti e i metodi di ricerca, la novità scientifica, i risultati dell'approvazione e l'attuazione di questo lavoro. Viene fornita la struttura della tesi e una sintesi delle sezioni principali.

IN primo capitolo viene fornita una revisione dei progetti, dei principi di funzionamento e delle caratteristiche di un certo numero di accelerometri, vengono identificati i parametri principali che determinano l'accuratezza dell'accelerometro e viene considerato in dettaglio il design dell'accelerometro al quarzo AK-6.

Nel secondo capitoloè stato creato un modello matematico del segnale zero dell'accelerometro, sulla cui base è stata valutata il grado di influenza dei parametri di progettazione e degli elementi tecnologici sulla grandezza e stabilità dello "zero" e della "base" degli accelerometri.

IN terzo capitolo sulla base di studi sperimentali e teorici, è stata effettuata un'analisi e sono stati formulati i requisiti per la progettazione dell'elemento sensibile e il suo fissaggio nell'alloggiamento AK-6, al fine di migliorare l'accuratezza e la stabilità della "base" e dello zero segnale dell'accelerometro in un ampio intervallo di temperatura. La progettazione proposta e la tecnologia di assemblaggio del dispositivo sono state introdotte in produzione.

IN quinto capitoloè stata effettuata la modellazione matematica, sulla base della quale sono stati formulati i requisiti per le apparecchiature per il collaudo degli accelerometri, nonché la verifica sperimentale dell'adeguatezza dei parametri determinati dal metodo proposto.

IN reclusione vengono forniti i principali risultati del lavoro e le conclusioni al riguardo.

Progettazione e tecnologia di assemblaggio dell'accelerometro

Accelerometro AK-6 - pendolo, del tipo a compensazione con sospensione elastica dell'elemento sensibile, implementato su due barre di torsione spesse 20 micron.

Il principio di funzionamento dell'accelerometro AK-6 è determinato dalla legge di base della dinamica, secondo la quale, quando un oggetto si muove su cui è installato l'accelerometro nella direzione dell'asse della sua sensibilità con accelerazione a, un momento d'inerzia Mi si verifica rispetto all'asse di sospensione della massa di riferimento, portando alla sua deviazione angolare D, che viene misurata dalle disposizioni del sensore (DP). Il segnale dal DP viene inviato attraverso l'amplificatore di feedback (FB) all'avvolgimento del sensore di forza (DS). DS sviluppa un momento M relativo all'asse della sospensione della massa, compensando il momento d'inerzia Mi. In questo caso, la tensione di uscita U alla resistenza di carico RH è proporzionale all'accelerazione misurata a.

Strutturalmente, l'accelerometro AK-6 è costituito dalle seguenti parti principali, Fig. 1.2.1.:

1. Un elemento sensibile che fornisce la fissazione della massa di riferimento, oltre a realizzare DP e DS.

2. Un amplificatore di feedback che converte il segnale DP in un segnale di controllo DS, che è anche il segnale di uscita dell'accelerometro.

3. Sensore termico che genera un segnale elettrico proporzionale alla temperatura effettiva nella cavità interna dell'accelerometro.

4. Alloggiamento ermetico, che contiene i nodi di cui sopra. Lo schema strutturale dell'accelerometro al quarzo considerato con l'assegnazione delle unità di assemblaggio intermedie è mostrato in Fig. 1.2.2. elemento sensibile.

È costituito da due alloggiamenti (19 e 32) con piastre sagomate del sensore di spostamento e magneti (31) del sensore di forza, una piastra in quarzo (34) costituita da un anello esterno utilizzato per fissarla tra le sedi SE lungo le piastre, collegato mediante barre di torsione al pendolo su cui vengono spruzzate le piastre DP e le bobine (28) sono fissate con i magneti delle sedi del sistema DS, nonché l'anello di collegamento.

Il processo tecnologico di fabbricazione di una lastra di quarzo è originale e contiene una serie di operazioni per la formazione di un pendolo e di barre di torsione e garantendo severi requisiti di frequenza, planarità e parallelismo delle sue superfici.

Quindi, con l'aiuto dell'incisione chimica, con l'uso di maschere protettive, si formano prima le piastre da pecina in due transizioni, quindi un dato spessore di barre di torsione. Dopo che la piastra è completamente formata, vengono create piastre di un DP capacitivo e conduttori del circuito DS mediante il metodo della deposizione termica sotto vuoto di oro con uno spessore di 0,1 μm. Per garantire l'adesione necessaria, l'oro viene spruzzato su un sottostrato di cromo, che si forma in modo simile.

Il telaio con la bobina avvolta del sensore di forza è incollato alla linguetta della piastra con colla a base epossidica e i conduttori della bobina sono fissati ai conduttori spruzzati mediante saldatura a termocompressione.

La saldatura dell'elemento sensibile viene eseguita in un apposito dispositivo, che prevede il centraggio reciproco degli alloggiamenti SE superiore e inferiore rispetto alla piastra. Il dispositivo è dotato di un morsetto regolabile, che fornisce la forza di compressione delle casse, mentre il punto di applicazione della forza di compressione è applicato al "centro di pressione" delle piastre, ovvero al baricentro del triangolo formato dalle placche. Queste operazioni vengono eseguite per fissare la piastra solo sulle piastre e garantire uno spazio uniforme tra il pendolo della piastra e le sedi SE.

Gli alloggiamenti SE sono collegati da un anello rigido dello stesso materiale mediante saldatura a punti laser, eseguita secondo uno speciale algoritmo.

Valutazione del grado di influenza del progetto primario e dei parametri tecnologici sul valore e sulla stabilità dello "zero" e della "base" degli accelerometri.

Considerando l'equazione ottenuta (2.32.) si può notare che l'errore statico della posizione della massa nella condizione a = 0, che è equivalente allo scostamento dell'asse di sensibilità dell'accelerometro da quello di base, è determinato da gli errori tecnologici nella fabbricazione del sensore di posizione, così come gli amplificatori differenziali e integrativi e non dipende dalle caratteristiche elastiche della sospensione di massa delle barre di torsione e dalle forze elettrostatiche del sensore di posizione. L'espressione (2.32.) conferma il fatto che in un accelerometro reale è impossibile eliminare completamente l'errore metodologico.

L'analisi dell'equazione (2.35.) mostra inequivocabilmente che esistono componenti indipendenti del segnale zero, una delle quali è determinata dagli errori nell'esecuzione dei circuiti elettronici e la seconda dagli errori relativi della parte elettromeccanica dell'accelerometro: il differenza tra le posizioni zero di ciascuna delle forze di disturbo e la posizione zero del segnale di informazione del sensore di posizione. Tuttavia, indipendentemente dalla natura degli errori, la loro influenza può essere notevolmente ridotta da una scelta razionale dei parametri geometrici delle barre di torsione e della tensione di eccitazione del sensore di posizione, che assicurano il soddisfacimento della condizione kt = ke. Va notato che la condizione kt - 0 e ke - 0 in termini generali non è corretta, poiché non tiene conto di altri requisiti essenziali per l'accelerometro. Ciò vale in particolare per la resistenza meccanica delle barre di torsione e per la pendenza minima ammissibile della caratteristica del segnale di informazione del sensore di posizione. Pertanto, l'insieme completo delle condizioni dovrebbe apparire come kt = ke con kt-min e ke - min, cioè c'è un problema di ottimizzazione. Anche la scelta dei restanti parametri nominali compresi in (2.35.) costituisce un problema di ottimizzazione, nel risolvere il quale le relazioni ottenute, ad eccezione della (2.15.), costituiscono un insieme necessario, ma evidentemente non sufficiente, di modelli matematici. Tuttavia, con i parametri nominali scelti, questi rapporti consentono di risolvere il problema della distribuzione razionale delle tolleranze per questi parametri.

Considerando il problema della distribuzione razionale delle tolleranze in termini di analisi dell'accuratezza di un prodotto basato sulla teoria della sensibilità, si passa alla determinazione delle funzioni dell'influenza dei parametri primari su Ueblxo e A0. In questo caso, in alcuni casi, considereremo come parametri primari lo scostamento dei parametri di progetto dai valori nominali. In questo caso, prendiamo zero come valore nominale della deviazione. In base alla regola di differenziazione delle funzioni complesse e tenendo conto che le relazioni sono valide al punto di differenziazione: si ottengono le seguenti espressioni per le funzioni dell'influenza dei parametri primari sul valore di D0:

Sulla base dell'analisi si possono trarre le seguenti conclusioni: - la formazione di uno dei principali errori dell'accelerometro - il suo segnale zero si verifica in fase di montaggio ed è dovuto alla diffusione tecnologica dei parametri primari dei principali elementi funzionali di l'accelerometro; - l'errore metodologico dell'accelerometro associato allo spostamento iniziale dell'asse di sensibilità è determinato dagli errori del suo percorso di amplificazione delle informazioni, che è conseguenza dell'imperfezione degli amplificatori operazionali e per tale motivo non può essere completamente escluso; - l'errore metodologico indicato non dipende dai parametri delle caratteristiche di potenza delle barre di torsione delle sospensioni di massa e dall'effetto elettrostatico del sensore di posizione; - il segnale zero dell'accelerometro contiene due componenti indipendenti, di cui una è l'errore del circuito elettronico, la seconda è l'errore di montaggio della parte elettromeccanica; l'analisi effettuata permette di concludere che gli errori tecnologici hanno un impatto significativamente maggiore sui parametri della forza elettrostatica che sul segnale informativo; - vengono formulati alcuni requisiti per la scelta dei parametri nominali degli elementi funzionali, l'insieme completo dei requisiti può essere ottenuto integrando il modello matematico costruito con modelli funzionali che descrivono i parametri operativi dell'accelerometro; - il modello matematico costruito permette di risolvere i problemi di scelta razionale delle tolleranze per i parametri primari dei principali elementi funzionali dell'accelerometro al fine di aumentare la stabilità del suo segnale zero e "base".

Analisi del lavoro di parti e unità del SE con variazioni di temperatura.

Sulla base del lavoro svolto, sono state formulate le seguenti raccomandazioni per garantire la stabilità dell'errore di base e del segnale zero in AK-6.

Al fine di escludere possibili spostamenti della lastra di quarzo rispetto agli alloggiamenti SE, associati all'eccesso delle sollecitazioni nell'anello esterno della lastra nei punti estremi dell'intervallo di temperatura delle forze di attrito dei piani della lastra lungo i piani di seduta degli involucri, è necessario garantire una forza di compressione degli involucri SE da parte dell'anello di collegamento nell'intero intervallo di temperatura, realizzabile : - una modifica del disegno dell'anello di collegamento, che ne garantisca il tensionamento preliminare nel direzione verticale, es la sua esecuzione sotto forma di molla; - una modifica nel processo di assemblaggio, che prevede un allungamento preliminare dell'anello di collegamento. . Anello di collegamento SE A tale scopo è stato sviluppato il progetto dell'anello di collegamento (Fig. 3.15.) Con un elemento di rigidità ridotta (1), diametri di raccordo per gli alloggiamenti inferiore e superiore (rispettivamente 4 e 3) e un elemento di fissaggio ( flangia) - 2. Anche nella parte dell'assemblaggio finale della SE (Fig. 3.16.) è stato modificato il processo di montaggio in modo tale che: - l'anello di collegamento (1) sia fissato all'alloggiamento inferiore (2) mediante saldatura a punti laser (3);

Schema dell'assemblea finale della SE. - questo assieme è installato in un apposito dispositivo (5) basato sulla flangia dell'anello di collegamento; - ulteriormente è installata la piastra con bobine e il bauletto (4); - una forza di compressione (6) viene applicata alla parte superiore del corpo nel punto di intersezione delle mediane del triangolo formato dalle piastre della lastra di quarzo, che, grazie allo schema di base, viene trasferita all'anello di collegamento, che cambia le sue dimensioni geometriche in direzione verticale; - il corpo superiore è fissato rispetto all'anello di collegamento mediante saldatura laser a punti.

Al fine di escludere possibili movimenti della SE rispetto al corpo dell'accelerometro, associati alla differenza di TCLE delle custodie SE, dell'anello di montaggio e della custodia dello strumento, nonché per garantire l'isolamento della SE dalla custodia, è necessario modificare la tecnologia progettuale e di montaggio, che può essere implementata: - eliminando l'anello di montaggio e la connessione adesiva; - fissaggio SE nel corpo dell'accelerometro mediante fissaggio. flangia dell'anello di collegamento tra due boccole ceramiche che fungono da isolante; - l'utilizzo di una molla per garantire la stabilità del morsetto a flangia su tutto il range di temperatura di esercizio. Per il progetto considerato Fig. 3.17. il processo di assemblaggio deve essere attuato come segue: - una molla piatta 2 è installata nella parte superiore del corpo 7 dell'accelerometro, sulla quale è posizionata una boccola in ceramica 3; - la boccola in ceramica 3 è montata sulla flangia dell'anello di collegamento 2 SE 1 ed è installata la seconda boccola in ceramica 5; - installare la rondella di bloccaggio e centrare questo gruppo; - applicare una forza calibrata alla rondella di bloccaggio e fissarla rispetto al corpo del dispositivo mediante saldatura laser a punti 9. In Fig. 3.18. e tabella 3.7. vengono forniti i risultati dei test di un lotto di dispositivi (dipendenza dalla temperatura dei segnali zero) assemblati secondo il progetto sviluppato e le raccomandazioni tecnologiche. Come si evince dai dati forniti, il parametro in esame è più stabile sia in termini di dipendenza dalla temperatura che di isteresi della temperatura rispetto ad un lotto simile di dispositivi assemblati con la vecchia tecnologia (Tabella 1.3.2. e Fig. 1.3.2. ). In generale, la stabilità dei parametri dell'accelerometro (in termini di segnale zero e "base") a seguito dell'attuazione delle raccomandazioni sviluppate è aumentata di oltre il 20%.

Sviluppo di un metodo per la calibrazione di un sistema a blocchi di accelerometri per sistemi di navigazione inerziale ad alta precisione

Per ottenere una tecnica di calibrazione più perfetta, si è tentato di utilizzare al suo interno uno standard scalare, il cui valore non dipende dall'orientamento dell'accelerometro. Come tale standard, è stato proposto di utilizzare il modulo quadrato del vettore di accelerazione di gravità, che è noto in modo molto accurato per qualsiasi punto del globo e non dipende dalla scelta del sistema di coordinate.

In connessione con la sostituzione dello standard vettoriale con uno scalare, la tecnica ha una serie di caratteristiche, la principale delle quali è la seguente. Come sapete, per determinare un vettore nello spazio tridimensionale, è necessario misurare le sue proiezioni in 3 direzioni che non giacciono sullo stesso piano. Pertanto, quando si utilizza la tecnica, è necessario calibrare almeno tre strumenti contemporaneamente. Questa circostanza è particolarmente importante quando si calibrano accelerometri, ad esempio, per SINS, poiché consente di calibrare una triade di dispositivi contemporaneamente in un assieme che può essere installato in un sistema senza smontare mantenendo la posizione relativa dei loro assi.

Per la descrizione matematica della tecnica è necessario determinare il modello di errore della triade di accelerometri e comporre un sistema di equazioni di comunicazione che esprimono gli errori considerati dei dispositivi attraverso i loro segnali di uscita.

Quando si compila il modello di errore di un singolo accelerometro, assumeremo che nel caso ideale, quando non ci sono errori, il suo segnale di uscita sia completamente determinato dal valore della proiezione del vettore di accelerazione di gravità G sulla direzione dell'asse di sensibilità del dispositivo per analogia con (4.1.1): W = M (G e ) (4.3.1) Indicando il prodotto scalare in (4.2.1) come g e tenendo conto di eventuali errori, si ottiene: W = M ( 8o + g + 5, g + 52 g2 + 83 g3 + 54 g4 + 55 g5 + .. .) (4.3.2) dove 5j è il fattore di errore j-esimo ordine. Ciascun termine tra parentesi dell'equazione (4.3.2) è l'errore dell'ordine corrispondente ridotto all'input. Dividendo entrambe le parti dell'equazione (4.2.2) per il modulo del vettore di accelerazione di gravità e per il fattore di scala M, otteniamo: A = Do + a + D, a + D2 a2 + D3 a3 + D4 a4 + D5 a5 + ... (4.3 .3) dove A è il segnale di uscita dell'accelerometro in forma adimensionale; a è l'accelerazione misurata dall'accelerometro, riferita a G; Aj - coefficiente di errore adimensionale del j-esimo grado: Aj = 574) 1

Il coefficiente Do ha un chiaro significato fisico: è uguale all'angolo tra i vettori G e (G + 50), se assumiamo che i vettori G e 50 siano perpendicolari tra loro. Conviene quindi rappresentare i restanti coefficienti A, in misura angolare.

Quando si utilizza questa tecnica, l'ordine dei coefficienti di errore considerati è teoricamente illimitato, tuttavia, per la maggior parte delle applicazioni, è sufficiente tenere conto di errori non superiori al secondo ordine. Pertanto, i modelli di errore degli accelerometri inclusi nella triade hanno la forma: + Д2г az2 Gli errori di misura del vettore di accelerazione da parte di una triade di accelerometri non sono completamente determinati dal sistema (4.2.4). Per una descrizione completa degli errori, è inoltre necessario tenere conto degli errori che sorgono a causa della possibile discrepanza tra l'orientamento reale dell'asse di sensibilità di ciascun accelerometro e il corrispondente asse del sistema di coordinate nominali della terna. 4.2.1. Consideriamo il modello di errore della triade di accelerometri nel suo insieme come un vettore di accelerazione.

Khrabrov, Sergey Vasilievich