Метод испытаний с обратной связью для определения коэффициента демпфирования акселерометра Q-Flex

Основные положения

• • Изделие: кварцевый акселерометр Q-Flex

    Основные характеристики:

    • Компоненты: Конструкция маятника из высокочистого кварца с замкнутой системой обратной связи для точных измерений ускорения.
    • Функция: Обеспечивает точные и стабильные данные об ускорении с низким уровнем шума и хорошей долговременной стабильностью, особенно эффективны в режиме замкнутого контура управления.
    • Области применения: Идеально подходит для навигации и управления ориентацией летательных аппаратов, геологической разведки и промышленных условий, требующих точных инерциальных измерений.
    • Метод измерения: Измерение частотной характеристики в замкнутом контуре, обеспечивающее надежную оценку параметров демпфирования и точную работу.

    Заключение: Акселерометр Q-Flex обеспечивает высокую точность и стабильность, что делает его ценным инструментом для навигации, управления и промышленных измерений.

Акселерометр Q-Flex — это инерциальное измерительное устройство, использующее кварцевый маятник для измерения ускорения объекта по его отклонению от положения равновесия под действием инерционной силы. Благодаря низкому температурному коэффициенту высокочистого кварцевого материала и стабильным конструктивным характеристикам, акселерометр Q-Flex обладает высокой точностью измерений, низким уровнем шума, хорошей долговременной стабильностью и широко используется в системах управления ориентацией, навигации и наведения летательных аппаратов, а также в геологоразведке и других промышленных условиях.

1. Метод обнаружения для акселерометра Q-Flex

Когда система находится в разомкнутом контуре, поскольку она не может создавать момент обратной связи, маятниковый узел подвергается воздействию слабого момента инерции или активного момента гидротрансформатора, кварцевый маятник легко касается железного ярма и возникает явление насыщения, что значительно затрудняет проверку параметров демпфирования в разомкнутом контуре. Поэтому параметры демпфирования измеряются в замкнутом контуре системы.

Частотная характеристика замкнутой системы управления отражает изменение амплитуды и фазы выходного сигнала в зависимости от частоты входного сигнала. Частотная характеристика стабилизированной системы совпадает с частотой входного сигнала, а её амплитуда и фаза являются функциями частоты, поэтому амплитудно-фазовая характеристика частотной характеристики может быть использована для определения математической модели системы. Для получения фактических параметров демпфирования акселерометра используется метод измерения частотной характеристики замкнутой системы.

В методе измерения частотной характеристики с обратной связью акселерометр фиксируется на горизонтальном вибростоле в «маятниковом» состоянии, так что направление входного ускорения от вибростола совпадает с чувствительной осью акселерометра, и акселерометр располагается горизонтально в «маятниковом» состоянии, что позволяет исключить асимметрию влияния силы тяжести на входное ускорение. Горизонтальное размещение акселерометра в «маятниковом» состоянии исключает влияние силы тяжести на асимметрию входного ускорения.

Рис. 1. Частотная характеристика амплитуды замкнутой петли QFA.

Путем управления горизонтальным вибростендом на акселерометр Q-Flex подается синусоидальный сигнал ускорения 6 g (g — ускорение свободного падения, 1 g ≈ 9,8 м/с²) с постепенно увеличивающейся частотой от 0 до 600 Гц. Этот сигнал отражает затухание амплитуды и фазовую задержку выходного сигнала акселерометра в пределах расчетного диапазона и полосы пропускания. Акселерометр будет генерировать соответствующий выходной сигнал под действием вибростенда; регистратор с высокой частотой дискретизации, подключенный к обеим сторонам резистора выборки, записывает выходной сигнал акселерометра и строит амплитудно-частотную характеристику, показанную на рисунке 1.

В полосе пропускания амплитудно-частотной характеристики акселерометра кварцевый изгибный акселерометр сохраняет хорошую способность к отслеживанию ускорения. С увеличением частоты входного ускорения пик резонанса системы находится на частоте 565 Гц, значение Mr = 32 дБ, частота среза системы составляет 582 Гц, амплитуда системы на этой частоте начинает затухать более чем на 3 дБ. Поскольку известны момент инерции, жесткость и остальные параметры контура сервоуправления акселерометра Q-Flex, амплитудно-частотная характеристика системы используется для определения неизвестного параметра δ. Передаточная функция замкнутой системы задается следующим образом:

Уравнение 1

Метод наименьших квадратов позволяет оценить параметры модели на основе фактически наблюдаемых данных, а набор данных об амплитуде частоты получается путем генерации внешнего ускорения через горизонтальный вибростенд, которое измеряется с помощью регистратора пера, как показано в таблице 1.

Табл. 1. Данные частотной и амплитудной дискретизации QFA.

Функция амплитудно-частотной характеристики системы кварцевого изгибного акселерометра с известными параметрами является целевой функцией, а сумма квадратов остатков с неизвестными параметрами устанавливается как

Уравнение 2

Где n — количество выбранных опорных точек. Используя приведенное выше уравнение, выбирается подходящее значение δ таким образом, чтобы D(δ) имело минимальное значение. Желаемый коэффициент демпфирования получается как δ = 7,54 × 10⁻⁴ Н·м·с/рад с помощью метода наименьших квадратов.

Создана модель системы с замкнутым контуром управления, коэффициент демпфирования подставлен в модель головки кварцевого изгибного акселерометра, и система смоделирована, после чего построена амплитудно-частотная характеристика системы, как показано на рис. 2, которая наиболее близка к измеренной кривой.

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика и выходные данные параметрического моделирования.

В некоторых исследованиях распределение демпфирования пьезоэлектрической пленки на поверхности маятника было определено методом конечных разностей во временной области, и коэффициент демпфирования пьезоэлектрической пленки маятника составил 1,69×10⁻⁴ Н·м·с/рад, что указывает на то, что коэффициент демпфирования, полученный путем идентификации амплитудно-частотной характеристики системы, имеет тот же порядок величины, что и теоретически рассчитанное значение, а погрешность обусловлена ​​демпфированием материала механической конструкции, ошибками монтажа во время установки и испытаний, ошибками входного сигнала вибростенда и другими факторами окружающей среды.

2. Заключение

Компания Micro-Magic Inc. производит высокоточные кварцевые акселерометры, такие как AC-5, отличающиеся малой погрешностью и высокой точностью, стабильностью смещения 5 мкг, повторяемостью масштабного коэффициента 50–100 ppm и весом 55 г. Эти устройства могут широко применяться в нефтедобыче, системах измерения микрогравитации и инерциальной навигации.