СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ РЕАКТИВНЫХ МОМЕНТОВ ГИРОМОТОРА

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения частот и уровней вибраций гиромоторов (ГМ), устанавливаемых в электромеханических датчиках угловой скорости (ДУС).

Известна установка (аналог), описанная в [1], содержащая подвес, технологическую камеру для гиромотора, средство измерения и обработки выходного сигнала с измерителя характеристик угловых вибраций, выполненного в виде магнитоэлектрического датчика, обмотки которого соединены через измерительный усилитель со средствами измерения сигнала и закреплены на корпусе устройства в поле магнитов, установленных на подвесе.

Указанная установка имеет следующие недостатки:

1. Прямое измерение напряжения с выхода измерительного усилителя в отсутствии компенсирующей обратной связи не обеспечивает высокую точность контроля интенсивности (ряда амплитуд) вибрационного момента вокруг оси подвеса при нестабильных масштабных коэффициентах установки на фиксированных частотах.

2. Упругий подвес на металлических струнах не обеспечивает постоянство ориентации оси подвеса и, следовательно, зазора в датчике, влияющем на стабильность масштабного коэффициента установки на фиксированных частотах.

3. Масштабирование установки с использованием эталонного гиромотора и ряда частот однофазного напряжения питания достаточно трудоемкий технологический процесс.

За прототип принят стенд, изображенный на фиг. 1 и описанный в [2]. Стенд для измерения вибрационных реактивных моментов ГМ (фиг. 1) содержит подвес, камеру, обеспечивающую закрепление гиромотора либо экваториальной либо полярной осями вдоль оси подвеса, измерительный усилитель, первый магнитоэлектрический датчик, обмотка которого соединена через измерительный усилитель со средством измерения и обработки выходных сигналов и закреплена на корпусе стенда в поле магнита, установленного на оси подвеса, второй магнитоэлектрический датчик, установленный соосно с первым датчиком и аналогично ему (обмотка второго датчика закреплена на корпусе стенда, а магнит закреплен на подвесе), усилитель мощности, выходом соединенный с обмоткой второго датчика, а входом соединенный с выходом измерительного усилителя, токоподводы с возможностью изменения коэффициента жесткости, при этом подвес выполнен в виде вала, соединенного с камерой и установленного в подшипниках корпуса стенда, а противоположные концы токоподводов через контактные платы соединены с камерой и корпусом.

Стенд, представленный на фиг. 1, при наличии компенсирующей обратной связи имеет одно значение масштабного коэффициента на любой фиксированной частоте в диапазоне от нижней до верхней частот среза сигнала с измерительного усилителя или усилителя мощности.

Однако указанный стенд не позволяет обеспечить оптимальное соотношение сигнал/шум, например, на низкой частоте вибраций ГМ (при ориентации экваториальной оси ротора ГМ вдоль оси подвеса, соответствующем положению ГМ в ДУС), на которой допустимый вибрационный момент (амплитуда сигнала с измерительного усилителя) существенно меньше, чем на высокой частоте вибраций ГМ.

Предлагается увеличить амплитуду сигнала на фиксированной (отдельной) частоте и тем самым повысить точность контроля вибраций на частотах с меньшей амплитудой вибрационного момента ГМ.

Задачей изобретения является повышение точности контроля вибраций ГМ, в диапазоне частот менее полосы пропускания выходного сигнала ДУС, за счет обеспечения оптимального соотношения сигнал/шум путем усиления/подавления отдельных гармоник с измерителя вибраций ГМ.

Технический результат достигается тем, что в стенд, содержащий подвес, камеру с возможностью закрепления гиромотора экваториальной либо полярной осями вдоль вертикальной оси подвеса, первый и второй магнитоэлектрические датчики, установленные соосно в корпусе стенда, измерительный усилитель, усилитель мощности, нагрузкой которого является обмотка второго датчика, и токоподводы, противоположные концы которых через контактные платы соединены с камерой и корпусом, при этом обмотка первого датчика соединена через измерительный усилитель со средством измерения сигнала, подвес соединен с камерой и установлен в подшипниках корпуса, токоподводы выполнены в виде пружин с возможностью изменения коэффициента жесткости, согласно изобретению вводится узкополосный фильтр, выходом соединенный с входом усилителя мощности, а входом соединенный с выходом измерительного усилителя, при этом фильтр обеспечивает усиление либо подавление отдельной гармоники сигнала с выхода измерительного усилителя.

Узкополосный фильтр практически не приводит к потере устойчивости стенда и улучшает соотношение полезный сигнал/шум. При этом частотные свойства фильтра описываются передаточной функцией

где K_доп - коэффициент усиления либо ослабления фильтром отдельной гармоники в сигнале U_f с выхода измерительного усилителя частотой , Т - постоянная времени, ξ - декремент затухания, при этом 2ξf - полоса пропускания фильтра (интервал от нижней до верхней частоты среза фильтра по уровню 0,7), K - коэффициент.

При K_доп<1 отдельная гармоника сигнала U_f усиливается, а при K_доп>1 - ослабляется, при этом масштабный коэффициент, соответственно, уменьшается в 1/K_доп раз либо увеличивается в K_доп раз и определяется отношением вибрационного момента к сигналу U_f на входе фильтра.

На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого стенда, при ориентации ротора ГМ экваториальной осью вдоль оси подвеса, содержащая гиромотор 1, камеру 2, вал подвеса 3, подшипники 4, магниты (5 и 7) и обмотки (6 и 8), соответственно, первого и второго магнитоэлектрических датчиков, корпус 9, контактные платы 10, пружины 11 (токоподводы с регулируемой угловой жесткостью), измерительный усилитель 12, усилитель мощности 13, узкополосный фильтр 14, средство измерения и обработки выходного сигнала (ПЭВМ 15 и аналого-цифровой преобразователь 16 через который подается в ПЭВМ сигнал с измерительного усилителя 12), при этом питание ГМ осуществляется от источника в виде процессорного модуля на базе ADUC 7026 (на фиг. 2 не показан). Первый датчик связан через последовательно соединенные измерительный усилитель, узкополосный фильтр и усилитель мощности со вторым датчиком. При этом выход усилителя мощности соединен с обмоткой второго датчика по схеме стабилизатора тока, а второй вход усилителя мощности соединен с генератором синусоидального напряжения 17 (не включен в состав стенда).

На фиг. 3 приведена схема (в частном случае) усилителя мощности, соединенного выходом с выводами обмотки второго датчика и содержащего усилитель У1, соединенный инвертирующим входом через резистор R1 с выходом узкополосного фильтра, а через резистор R2 с выходом генератора синусоидального напряжения. Выход усилителя У1 через усилитель У2 (эмиттерный повторитель по схеме Дарлингтона) соединен с началом обмотки второго датчика, конец которой соединен через эталонный резистор R_н с общей шиной, а также через резистор R3 с инвертирующим входом усилителя У1. Ток i_дм через обмотку второго датчика и напряжение U_oc (выходной сигнал стенда) на резисторе RH определяются по формулам:

;

где R_н<(R1 и R3), R3 - регулировочный резистор, U_г - сигнал имитации вибрационного момента, U_ф - напряжение с выхода фильтра.

Для реализации цифрового узкополосного фильтра предполагается использовать мощный процессор со встроенным быстродействующим аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на входе и ЦАП на выходе фильтра. При этом на выходе фильтра формируется сигнал U_ф на k-м шаге дискретизации h по алгоритму вида:

, , , , , , .

На фиг. 4 приведена структурная схема узкополосного фильтра, при реализации на аналоговых элементах. Схема содержит последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель (1), первый неинвертирующий усилитель (2) и инвертирующий суммирующий усилитель (6), второй инвертирующий усилитель (3), второй неинвертирующий усилитель (4), инвертирующий полосовой усилитель (5) и коммутатор (Кл); суммирующий усилитель первым входом соединен с выходом первого неинвертирующего усилителя, а вторым входом - с выходом полосового усилителя, который первым входом соединен с выходом второго инвертирующего усилителя, а вторым входом - с выходом второго неинвертирующего усилителя, второй инвертирующий усилитель входом связан с первым выходом коммутатора, второй неинвертирующий усилитель входом соединен со вторым выходом коммутатора, выход первого инвертирующего усилителя соединен с входом коммутатора, при этом вход первого инвертирующего усилителя является входом фильтра, выход инвертирующего суммирующего усилителя является выходом фильтра.

Технологичнее каждый из усилителей 2 и 4 выполнить в виде двух последовательно соединенных инвертирующих усилителей. Управление коммутатором производится в ручном или автоматическом режиме. Передаточные функции фильтра и полосового усилителя имеют вид:

,

, если Кл - в положении I

, если Кл - в положении II

K₁ - коэффициент передачи первого инвертирующего усилителя (1),

K₂ - коэффициент передачи первого неинвертирующего усилителя (2),

K₃ - коэффициент передачи второго инвертирующего усилителя (3),

K₄ - коэффициент передачи второго неинвертирующего усилителя (4),

- коэффициент передачи по первому входу инвертирующего суммирующего усилителя (6),

- коэффициент передачи по второму входу инвертирующего суммирующего усилителя (6),

А - коэффициент усиления полосового усилителя на резонансной (фиксированной) частоте

Коэффициент передачи фильтра на отдельной частоте определяется по формуле: .

Если Кл в положении I , тогда частотная характеристика фильтра (сигнала U_ф по сигналу U_f) имеет на резонансной частоте всплеск с полосой пропускания 2ξf по уровню 0,7 всплеска и высоте в раз выше уровня на других частотах, а именно уровня при положении III Кл. Сигнал U_f по моменту M_f (на резонансной частоте фильтра в составе стенда) уменьшается в раз.

Если Кл в положении II , тогда частотная характеристика фильтра (сигнала U_ф по сигналу U_f) имеет на резонансной частоте провал с полосой пропускания 2ξf по уровню 0,7 провала и глубине в раз ниже уровня на других частотах (при положении III Кл).

Сигнал U_f по моменту M_f (на резонансной частоте фильтра в составе стенда) увеличивается в раз.

Если Кл в положении III , тогда при , частотная характеристика сигнала U_f по моменту M_f аналогична АЧХ стенда, приведенного на фиг. 1.

Таким образом, представляется возможным узкополосным фильтром улучшать соотношение сигнал/шум путем увеличения амплитуды полезного сигнала, если Кл в положении II , либо путем подавления одной из гармоник в сигнале U_f, если Кл в положении I .

При этом масштабный коэффициент стенда, соответственно, увеличивается либо уменьшается на резонансной частоте, запасы устойчивости сохраняются, a U_oc и i_дм практически будут как у стенда на фиг. 1 и определяться вибрационным моментом M_f.

Изменение масштабного коэффициента стенда в K_доп раз на фиксированной (отдельной) частоте контролируется по отношению сигнала имитации U_г к сигналу U_f на резонансной частоте фильтра.

Сущность формирования в стенде оптимального соотношения сигнал/шум на отдельной частоте с выхода измерительного усилителя состоит в следующем:

Предлагаемый стенд относится к замкнутым системам автоматического регулирования, управляющее воздействие М_дм (момент второго датчика) в частотном диапазоне от нижней до верхней частоты среза практически соответствует моменту M_f. При этом выполняется условие: M_f-М_дм=0, где М_дм определяется по формуле: M_дм=K_дм·i_дм.

При воздействии угловых вибраций ГМ или при имитации вибрационного момента (при выключенном ГМ) амплитудно-частотную характеристику «сигнал U_f - момент M_f» или «сигнал U_f - сигнал U_г» можно определить из передаточных функций или которые принимают вид:

Здесь W₁(s)÷W₆(s) - передаточные функции соответствующих звеньев: подвижная часть стенда (гиромотор, ось подвеса и магниты датчиков) первый датчик - измерительный усилитель - узкополосный фильтр - усилитель мощности - второй датчик.

В достаточно широком диапазоне частот (не менее полосы пропускания выходного сигнала стенда) усилитель мощности и второй магнитно-электрический датчик, описываемый передаточными функциями W₅(s) и W₆(s), практически безынерционные.

Передаточная функция W₄(s) узкополосного фильтра аналогична передаточной функции (*).

Частотные характеристики стенда, соответствующие передаточным функциям или , практически идентичны.

На резонансной (отдельной) частоте коэффициент передачи фильтра изменяется, а амплитудно-частотные характеристики стенда «сигнал U_f - момент M_f» или «сигнал U_f - сигнал U_г» имеют всплеск (если K_доп<1), либо провал (если K_доп>1). Тем самым, имеем увеличение либо уменьшение отдельной гармоники сигнала U_f, и, соответственно, уменьшение в 1/K_доп раз либо увеличение в K_доп раз масштабного коэффициента.

Контролировать частотную характеристику сигнала U_f и тем самым масштабный коэффициент стенда на резонансной частоте можно путем подачи с генератора сигнала имитации вибрационного момента на второй вход усилителя мощности при выключенном ГМ.

Допустимое значение вибрационного момента на отдельных частотах определяется из выражения: , где A(2πf) - значения АЧХ датчика угловой скорости (уменьшается на частотах более полосы пропускания ДУС); Н - кинетический момент; - допустимая переменная составляющая нулевого сигнала, приведенная к угловой скорости по оси чувствительности ДУС.

Из выражения (**) следует, что момент зависит от частотных свойств ДУС, при этом минимальное его значение будет на частотах менее полосы пропускания ДУС. Следовательно, для повышения точности контроля минимального значения момента потребуется увеличить чувствительность стенда на частотах менее полосы пропускания ДУС путем оптимизации соотношения сигнал/шум (усиления/подавления гармоник сигнала U_f).

Таким образом, заявлен стенд для измерения вибрационных реактивных моментов гиромотора, содержащий подвес, камеру с возможностью закрепления гиромотора экваториальной либо полярной осями вдоль вертикальной оси подвеса, первый и второй магнитоэлектрические датчики, установленные соосно в корпусе стенда, измерительный усилитель, усилитель мощности, нагрузкой которого является обмотка второго датчика, и токоподводы, противоположные концы которых через контактные платы соединены с камерой и корпусом, при этом обмотка первого датчика соединена через измерительный усилитель со средством измерения сигнала, подвес соединен с камерой и установлен в подшипниках корпуса, токоподводы выполнены в виде пружин с возможностью изменения коэффициента жесткости. Отличительная особенность стенда состоит в том, что введен узкополосный фильтр, входом соединенный с выходом измерительного усилителя, а выходом - с входом усилителя мощности, при этом фильтр содержит последовательно соединенные первый инвертирующий усилитель, первый неинвертирующий усилитель и инвертирующий суммирующий усилитель, второй инвертирующий усилитель, второй неинвертирующий усилитель, инвертирующий полосовой усилитель и коммутатор; суммирующий усилитель первым входом соединен с выходом первого неинвертирующего усилителя, а вторым входом - с выходом полосового усилителя, который первым входом соединен с выходом второго инвертирующего усилителя, а вторым входом - с выходом второго неинвертирующего усилителя, второй инвертирующий усилитель входом связан с первым выходом коммутатора, второй неинвертирующий усилитель входом соединен со вторым выходом коммутатора, выход первого инвертирующего усилителя соединен с входом коммутатора, при этом вход первого инвертирующего усилителя является входом фильтра, выход инвертирующего суммирующего усилителя является выходом фильтра.

Узкополосный фильтр практически не приводит к потере устойчивости стенда и улучшает соотношение полезный сигнал/шум при вибрации ГМ. Предлагается реализация УФ в аналоговом варианте (возможна реализация и в цифровом варианте с АЦП и ЦАП соответственно на входе и выходе фильтра). Каждый неинвертирующий усилитель фильтра выполнен в виде последовательного соединения двух инвертирующих усилителей.

Кроме того, в средствах измерения и обработки выходного сигнала программируется алгоритм, описывающий цепь узкополосных фильтров ряда частот вибрационных колебаний ГМ, для сравнения с результатами разложения в ряд Фурье выходных сигналов стенда.

Литература

1. RU 2427801, опубл. 27.08.2011 г.

2. Заявка №2012135406. Приоритет от 20.08.12.

3. П. Хорвиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Том 1. - М.: Мир, 1983.

4. Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983.