Методы и средства построения высокоэффективных информационно-измерительных систем для исследования моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, доктор наук Блокин-Мечталин Юрий Константинович

• Блокин-Мечталин Юрий Константинович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Блокин-Мечталин Юрий Константинович

Введение

Глава 1 Современные требования к информационно-измерительным системам для исследований моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах

1.1 Комплексный подход к исследованию

1.2 Комплекс требований к информационно-измерительным системам для экспериментальной аэродинамики

Выводы

Глава 2 Методы и средства повышения точности измерительных преобразователей и

систем для экспериментальной аэродинамики

2.1 Структурные методы повышения точности измерений

2.1.1 Способы преобразования сигналов тензорезисторных мостовых датчиков и их погрешности

2.1.2 Структуры построения тензометрических преобразователей и способы питания тензорезисторного моста

2.1.3 Структурный метод повышения точности измерительных преобразователей углового положения изделий на основе микромеханических акселерометров

2.2 Алгоритмические методы повышения точности измерений

2.2.1 Методы уменьшения систематических погрешностей

2.2.2 Методы и средства усреднения динамических составляющих в измеряемом сигнале и уменьшения случайных погрешностей измерения

Выводы

Глава 3 Измерение параметров воздушного потока, положения модели и механизмов в аэродинамических трубах

3.1 Основы измерения параметров воздушного потока, положения модели и механизмов

3.2 Исследование виброчастотных датчиков давления параметров воздушного потока

3.3 Измерительный преобразователь сигналов датчиков давления с частотным

выходным сигналом

3.4 Измерительные преобразователи углового положения модели и механизмов

3.4.1 Измерительные преобразователи углового положения модели на основе микромеханических акселерометров

3.4.2 Измерительный преобразователь сигналов фотоэлектронных датчиков углового положения механизмов

3.4.3 Измерительный преобразователь сигналов сельсин-датчиков

3.5 Магистрально-модульная система измерения параметров потока, положения

модели и механизмов

3.6 Исследование и применение систем измерения параметров потока в аэродинамических трубах

3.6.1 Система измерения параметров потока в сверхзвуковой аэродинамической трубе

3.6.2 Системы измерения параметров потока в трансзвуковых аэродинамических трубах

3.6.3 Измерение статического давления по оси свободной струи потока в аэродинамической трубе малых скоростей

Выводы

Глава 4 Исследование распределения давления в аэродинамических трубах на основе многоканальных измерительных систем

4.1 Основы измерения распределения давления дренажным методом

4.2. Многоканальные модули давления ММД

З

4.3 Магистрально-модульная унифицированная измерительная система для исследования распределения давления...................................................................................12З

4.4 Многоканальная система измерения распределения давления с модулями ММД24

4.4.1 Схема подключения модулей к измерительно-управляющей аппаратуре и алгоритм управления модулями

4.4.2 Аппаратура питания и термостабилизации модулей ........................................................ l2S

4.4.3 Аппаратура нормализации, сбора, аналого-цифрового преобразования сигналов и управления модулями

4.5 Микропроцессорная измерительно-регистрирующая аппаратура сигналов модулей ММД32, встраиваемая в модель...............................................................................................1З6

4.6 Автоматизированные средства метрологического обеспечения и контроля многоканальных систем измерения давления.........................................................................1З9

4.7 Техника и методика подготовки и проведения измерений при исследовании распределения давления............................................................................................................ l4l

4.8 Применение систем измерения распределения давления в аэродинамических трубах .... 146 Выводы............................................................................................................................................1SS

Глава 5 Определение аэродинамических нагрузок на основе весоизмерительных тензометрических систем..................................................................................................................1SS

5.1 Основы измерения аэродинамических нагрузок...................................................................1SS

5.2 Цифровые усилители-нормализаторы сигналов тензометрических аэродинамических весов............................................................................................................................................16З

5.2.1 Тензометрический усилитель-нормализатор на основе преобразователей напряжения в частоту и частоты в код...................................................................................16З

5.2.2 Цифровые тензометрические усилители-нормализаторы на основе сигма-дельта преобразователей

5.3 Магистрально-модульная тензометрическая весоизмерительная система........................1SS

5.4 Микроконвертерная тензометрическая весоизмерительная система, встраиваемая в модель

5.5 Применение весоизмерительных систем в аэродинамических установках.......................2G7

Выводы

Глава 6 Измерения динамических процессов в аэродинамических трубах на основе тензометрических систем..................................................................................................................21S

6.1 Задачи измерений при исследовании динамических процессов.........................................21S

6.2 Цифровой широкополосный тензометрический усилитель-нормализатор динамических сигналов на несущей частоте..........................................................................21S

6.3 Цифровой широкополосный тензометрический усилитель-нормализатор динамических сигналов на постоянном токе..........................................................................22З

6.4 Магистрально-модульные широкополосные тензометрические система измерения динамических процессов: Применение в аэродинамических трубах

Выводы

Глава 7 Комплексные магистрально-модульные информационно-измерительные и управляющие системы аэродинамических установок и испытательных стендов.......................2З2

7.1 Этапы развития информационно-измерительных систем аэродинамических труб..........2З2

7.2 Измерительно-вычислительный и управляющий комплекс нового поколения ИВК М2М в стандарте VME.............................................................................................................24G

7.2.1 Структурное построение и функциональные возможности комплекса ИВК М2М

7.2.2 Измерительные и управляющие модули комплекса ИВК М2М......................................24S

7.2.3 Примеры построения информационно-измерительных и управляющих систем на базе аппаратно-программного комплекса ИВК М2М - ПОТОК

Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений................................................................................2SG

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акты внедрения результатов диссертационного исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства построения высокоэффективных информационно-измерительных систем для исследования моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах»

Введение

Актуальность темы исследования. Создание новых образцов авиационной и ракетно-космической техники требует проведения обширного комплекса экспериментальных исследований на всех этапах создания летательных аппаратов (ЛА), включающих, прежде всего, испытания моделей ЛА в аэродинамических установках и на испытательных стендах. Эксперимент в аэродинамике играет важную роль. Именно благодаря эксперименту стало возможным подтвердить основные законы аэродинамики, наблюдать картину обтекания ЛА и их отдельных элементов воздушным потоком, уточнять для расчета аэродинамические характеристики. Возрастающая сложность современной летательной техники диктует необходимость применения все более совершенных методов и средств экспериментальных исследований, способствующих продвижению достижений аэродинамики в практику.

Аэродинамическое моделирование предполагает задание внешних воздействий на объекты исследований - модели ЛА с целью определения параметров, характеризующих аэродинамические, прочностные и другие свойства испытываемых конструкций. Испытания моделей ЛА в аэродинамических трубах (АДТ) - сложный цикл информационных, измерительных и управляющих процессов с повторением отдельных циклов испытаний и возвратом на более ранние этапы исследований.

Модели ЛА исследуются в широком диапазоне режимов от взлетно-посадочных до сверхзвуковых и выше. Для этого существует гамма аэродинамических установок, моделирующих эти режимы.

Входные воздействия на модель ЛА в АДТ - это параметры воздушного потока, которые определяются на основе измерения давлений, температуры, влажности. Реакции объекта исследований - это аэродинамические силы и моменты, действующие на модель при различных угловых положениях, давления на поверхности модели, температура поверхности, статические и динамические деформации конструкции и другие.

Как правило, время испытаний моделей ограничено. В основном это связано с временем работы АДТ, которое зависит от энергетических ресурсов установки (сжатого воздуха, электроэнергии и др.). Здесь особенно важна оперативность получения данных, обеспечивающая контроль за развитием эксперимента, с целью исключения непроизводительных затрат энергии и аварийных ситуаций.

Технология аэродинамических экспериментов включает технику и методику подготовки, проведения испытаний, алгоритмы получения и преобразования измерительной информации, об-

работку и представление экспериментальных данных. В целях повышения экономичности эксперимент должен выполняться в автоматизированном режиме управления.

Основной технико-экономической задачей автоматизации аэродинамического эксперимента является получение в процессе испытаний максимума достоверной информации за минимальное время, необходимое для формирования обоснованных заключений по результатам испытаний моделей ЛА.

Аэродинамический эксперимент - чрезвычайно сложный и дорогостоящий вид исследований с высокими требованиями к точности, информативности, экономичности и соответствующими требованиями к информационно-измерительным системам и комплексам.

Исследования в АДТ перспективных моделей ЛА, выполнение заказов зарубежных авиационно-космических фирм требуют существенного повышения качества и экономической эффективности аэродинамического эксперимента.

Решение современных задач экспериментальной аэродинамики зависит от функциональных возможностей, метрологических и эксплуатационных характеристик информационно-измерительных систем и комплексов, применяемых в АДТ.

Поэтому создание специализированных, совершенных и высокоэффективных ИИС нового поколения для работы в тяжелых условиях эксплуатации с использованием новых методов и средств с высокими метрологическими, эксплуатационными и экономическими показателями для повышения качества и эффективности исследований по отработке авиационной и ракетно-космической техники в АДТ является актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются информационно-измерительные управляющие системы. Предметом исследования являются методы и средства построения информационно-измерительных систем для испытания моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах.

Степень разработанности темы. В аэродинамических трубах ЦАГИ информационно-измерительные системы начали создаваться в конце 1960х - начале 1970х годов. Первая ИИС «ЭПЮРА» с зарубежной мини-ЭВМ была создана для исследования распределения давления на моделях в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-109.

В период с 1973 г. по 1988 г. создавались ИИС на основе аналоговой тензометрической аппаратуры типа ЛУЧ на постоянном токе (ЛУЧ-3, ЛУЧ-4, ЛУЧ-5) и на несущей частоте типа АНЧ (8АНЧ-23, 8АНЧ-25, 8АНЧ-26), разработанных в ЦАГИ. В составе ИИС использовались отечественные системы сбора данных (К734, ИВК 7/8), связанные с микро и мини-ЭВМ (Элек-троника-60, СМ4), а также зарубежные системы (1М83510 - Англия, АБАС635 11/АО - США) с ЭВМ серии РБР11 (США).

В 1980х годах с участием специалистов ЦАГИ был создан проблемно-ориентированный измерительно-вычислительный комплекс ИВК Л70 на базе аналоговых и цифровых приборов, микро и мини-ЭВМ, выпускаемых приборостроительной промышленностью. Архитектура и состав комплекса позволили создать ИИС, функционально распределенную на подсистемы: измерения параметров воздушного потока, аэродинамических нагрузок, распределения давления на моделях, метрологического обеспечения и контроля измерений.

В конце 1980х годов в практику автоматизации научных исследований начала широко внедряться методология магистрально-модульного международного стандарта CAMAC. В рамках «Комплексной программы научно-технического сотрудничества стран-членов СЭВ1» был разработан измерительно-вычислительный комплекс ИВК М1 в стандарте CAMAC с персональным компьютером. На его основе были созданы ИИС для различных видов измерений и испытаний в АДТ.

В аэродинамических трубах зарубежных научных центров NASA (США), ONERA (Франция), DERH (Англия), DLR (Германия) информационно-измерительные системы стали интенсивно использоваться в первой половине 1960х годов. Развитие ИИС шло в трех направлениях: системы с логически управляемым от ЭВМ оборудованием (кондиционеры, мультиплексоры, аналого-цифровые преобразователи, интегрирующие вольтметры); системы на базе мини-ЭВМ, системы на базе больших ЭВМ.

В настоящее время в зарубежных научных центрах наибольшее распространение получили распределенные системы и комплексы сбора данных магистрально-модульной архитектуры с использованием микропроцессорных устройств различного назначения, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), запоминающих устройств большой емкости и ЭВМ с быстродействующей многоядерной архитектурой.

Микропроцессоры с их низкой стоимостью и значительным объемом памяти обеспечивают проектирование периферийных измерительных и управляющих устройств, связанных с центральным процессором, что способствует увеличению времени работы ЭВМ при обработке и визуальном выводе данных в реальном масштабе времени. Небольшие размеры микропроцессоров, ПЛИС и микросхем памяти делают их идеальными для использования в качестве встроенных устройств в удаленных местах.

Системы измерения и сбора данных используются и для управления режимами работы аэродинамической трубы, элементами механизации модели, технологическим оборудованием, образуя единую информационно-измерительную и управляющую систему, реализующую максимальную эффективность использования аэродинамической установки.

1 СЭВ - Совет Экономической Взаимопомощи.

Измерительно-вычислительные комплексы и информационно-измерительные системы, созданные в 80х годах прошлого столетия, исчерпали свой ресурс и не удовлетворяют современным требованиям проведения эксперимента как по точности и производительности, так и по уровню автоматизации. Поэтому неотложной задачей является разработка и создание ИИС нового поколения и внедрение их в аэродинамических установках для повышения качества и экономичности исследований по отработке аэродинамики авиационной и ракетно-космической техники.

Степень совершенства и эффективность современных ИИС для экспериментальной аэродинамики определяется генеральной совокупностью показателей: точность - быстродействие -многофункциональность - унификация - экономичность, противоречивость которых определяет сложность решаемой научно-технической задачи по разработке и созданию высокоэффективных систем.

Анализ технических возможностей аппаратно-программных средств и систем, предлагаемых отечественными и зарубежными фирмами: НПП «МЕРА», Холдинг «ИНФОРМТЕСТ (Россия)», фирмы VMIC, PSI, National Instruments (США), HBM (Германия), показывает, что по совокупности этих показателей они не удовлетворяют в полной мере современным требованиям аэродинамического эксперимента.

Цель работы. Информационно-измерительные системы предыдущего поколения не обеспечивали необходимые качество и экономичность исследований моделей ЛА в АДТ, которые зависят от точности и информативности измерений аэродинамических нагрузок, параметров и режимов испытаний, и, как следствие, улучшение их аэродинамики, оптимизацию компоновок и топливной эффективности ЛА. Поэтому целью исследования является повышение точности, быстродействия, информативности и экономической эффективности измерительных преобразователей и информационно-измерительных систем для исследования характеристик моделей ЛА в АДТ.

Задачи работы:

• Исследование по формированию комплекса современных требований к высокоэффективным информационно-измерительным системам для экспериментальной аэродинамики.

• Анализ, исследование и разработка методов и средств повышения точности измерительных преобразователей и систем.

• Исследование и разработка принципов построения и технических решений новых измерительных преобразователей и систем для основных видов измерений и испытаний моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах.

• Исследование по созданию единой магистрально-модульной платформы аппаратных и программных средств построения унифицированного измерительно-вычислительного и управляющего комплекса для экспериментальных исследований моделей ЛА в АДТ.

• Создание, экспериментальные исследования и внедрение в практику испытаний моделей ЛА в АДТ высокоэффективных информационно-измерительных и управляющий систем (ИИУС) на основе унифицированного измерительно-вычислительного комплекса ИВК М2М на маги-стрально-модульной платформе.

Научная новизна работы:

• Впервые сформулирован комплекс современных требований к информационно-измерительным системам (ИИС) для исследования аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах. Требования являются руководством при разработке и создании высокоэффективных ИИС.

• Предложена и разработана концепция построения ИИС для экспериментальной аэродинамики на единой магистрально-модульной платформе аппаратных и программных средств в международных стандартах.

• Предложены и разработаны структурные и алгоритмические методы и средства повышения точности измерительных преобразователей и систем для экспериментальной аэродинамики.

• Предложены и разработаны принципы и технические решения построения новых прецизионных измерительных преобразователей и систем и на их основе созданы магистрально-модульные унифицированные ИИС для основных видов измерений и испытаний моделей ЛА в АДТ.

• Разработан и создан многофункциональный, унифицированный измерительно-вычислительный и управляющий комплекс ИВК М2М нового поколения на основе концепции единой магистрально-модульной платформы аппаратных и программных средств. Комплекс включен в Госреестр средств измерения РФ.

• Разработаны, созданы и внедрены в АДТ новые информационно-измерительные и управляющие системы на базе комплекса ИВК М2М для исследования аэродинамических характеристик моделей ЛА в АДТ с совокупностью показателей эффективности: точность - быстродействие - многофункциональность - унификация - экономичность.

Новизна разработанных измерительных преобразователей, систем и комплексов, предложенных методов и средств повышения их точности защищены авторскими свидетельствами СССР № 251687, № 405075 и патентами РФ № 2018173, № 84554, № 2374612, № 240071, № 2396511, № 249107, №2696930, №2696945, объектами изобретений в которых являются соответ-

ствующие структурные, схемотехнические и алгоритмические решения, обладающие рядом новых положительных свойств.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем:

• Разработанные комплекс требований и концепция единой магистрально-модульной платформы аппаратных и программных средств ИИС являются фундаментальной основой для разработки перспективных методов и средств информационно-измерительных и управляющих систем для исследования аэродинамических характеристик моделей ЛА в АДТ.

• Предложенные структурные и алгоритмические методы и средства повышения точности и быстродействия измерений использованы в разработанных и созданных новых измерительных преобразователях и системах.

• Разработанные измерительные преобразователи и системы для основных видов измерений и исследований аэродинамических характеристик моделей ЛА имеют улучшенные метрологические и эксплуатационные показатели.

• Разработка и внедрение многофункционального унифицированного измерительно-вычислительного и управляющего комплекса ИВК М2М в практику аэродинамического эксперимента улучшило показатели эффективности ИИС: точность - быстродействие - многофункциональность - унификация - экономичность. В результате повысилось качество исследований аэродинамических характеристик моделей ЛА.

• На основе комплекса ИВК М2М созданы ИИС нового поколения в крупных промышленных аэродинамических трубах ФГУП «ЦАГИ» (Т-101, Т-102, Т-103, Т-104, Т-5, Т-106, Т-112, Т-113, Т-116, Т-128), а также в ФГУП «СибНИА» (Т-203, Т-205), ФГУП «ЦИАМ» (У-107), ОАО «ГосМКБ «Радуга» (АУ-1, АУ-2), и в АО «Корпорация «Комета», НПК «КБМ.

• С использованием созданных систем на установках ФГУП «ЦАГИ» проведена отработка аэродинамики самолетов ОКБ ПО Сухого (Су-27, Т-50, ЯШ), ФГУП РСК «МИГ» (МИГ-29М), «ОКБ им. Яковлева» (МС-21), беспилотных ЛА, вертолетов ООО «Камов» (К-52), ОАО КВЗ («Ансат»), и ракет различного назначения ОАО «Корпорация «Тактическое Ракетное Вооружение», ФГУП «ГосМКБ «Вымпел», ОАО «ГосМКБ «Радуга», ФГУП ГНПП «Сплав», ОАО ОКБ «Новатор».

• Внедрение в эксплуатацию нового поколения ИИС на базе аппаратно-программного комплекса ИВК М2М - ПОТОК с высокими метрологическими характеристиками, надежностью, быстродействием, возможностью совмещать различные виды испытаний в одном пуске с оперативным контролем достоверности измерений позволило повысить точность измерений сигналов датчиков (в 2-3 раза); существенно (на порядок) повысить информативность эксперимента; сократить поточное время испытаний моделей (на 20-30%); расширить возможности существующих и внедрения новых экспериментов. За счет унификации и открытой архитектуры аппаратных

и программных средств значительно (в 2-3 раза) сокращены сроки создания и внедрения новых ИИС (с 12-18 месяцев до 6-9 месяцев), существенно (в разы) снижены затраты на эксплуатацию систем, обеспечивается возможность гибкой модификации систем и прикладного программного обеспечения.

• Разработаны новое поколение прецизионных (<0,005%) и широкополосных тензометри-ческих модулей на перспективной магистрально-модульной платформе PXI/PXI Express и встраиваемые в объект испытаний микропроцессорные и микроконвертерные измерительные преобразователи и аппаратура.

• В Корпоративном университете ФГУП «ЦАГИ» неоднократно прочитан курс лекций «Многоканальный измерительно-вычислительный и управляющий комплекс ИВК М2М для проведения экспериментов в АДТ».

Методология и методы исследования. Создание высокоэффективных ИИС базируется на методологии комплексного подхода к проблеме, в основу которого положены взаимосвязанные теоретические и экспериментальные исследования, сопровождающиеся разработкой, внедрением и определением метрологических характеристик измерительных устройств и систем. Данная проблема включает анализ и синтез объектов и процессов экспериментирования, первичных преобразователей физических величин (датчиков), методов и средств обеспечения высокой точности и быстродействия измерительных каналов, оптимизацию структурно-функционального построения систем, алгоритмов измерения и обработки экспериментальных данных, а также моделирование процессов формирования и обработки сигналов отдельных устройств и систем.

Для решения задачи повышения качества и эффективности аэродинамического эксперимента автором разработана и реализована концепция и методология применения единой открытой магистрально-модульной платформы построения ИИС на основе международных стандартов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Современные требования к информационно-измерительным системам для исследования аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов в аэродинамических установках.

2. Методы и средства повышения точности измерительных преобразователей и систем в экспериментальной аэродинамике.

3. Принципы и технические решения построения измерительных преобразователей и систем для измерений:

- параметров воздушного потока и углового положения моделей;

- распределения давления на моделях дренажным методом;

- аэродинамических нагрузок при весовых испытаниях моделей;

- динамических процессов при испытании моделей.

4. Концепция и технические решения построения многофункционального, унифицированного, магистрально-модульного измерительно-вычислитель-ного и управляющего комплекса ИВК М2М для экспериментальной аэродинамики.

5. Новое поколение высокоэффективных ИИС и ИИУС на базе комплекса ИВК М2М для исследования аэродинамических характеристик моделей ЛА в АДТ.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается данными экспериментальных исследований характеристик измерительных преобразователей и систем на эталонных стендах и многократными испытаниями контрольных моделей ЛА в АДТ.

Результаты работы докладывались и обсуждались на 19 отраслевых и международных конференциях и семинарах, в том числе:

1. Школа-семинар «Аэродинамика летательных аппаратов» (ЦАГИ) в 2006, 2008 годах.

2. Научно-техническая конференция по аэродинамике (ЦАГИ) в 2010, 2011, 2012, 2014, 2019 годах.

3. Отраслевая научно-техническая конференция по измерительной технике и метрологии для экспериментальных исследований летательных аппаратов КИМИЛА (ЦАГИ) в 2014, 2016, 2018 годах.

4. Научные программы специализированных выставок приборов и средств контроля, измерений и испытаний и научно-практические конференции «Современные средства измерений и метрологического обеспечения для создания новой техники - выставки «Экспоконтроль», Москва в 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016 годах.

5. 3-я Всероссийская научно-техническая конференция «Современное состояние методов, средств и метрологического обеспечения исследований, испытаний и эксплуатации изделий авиационной техники» в рамках 14-ой Международной выставки испытательного и контрольно-измерительного оборудования «Testing&Control», Москва в 2017 году.

6. Всероссийская конференция «Измерения, испытания, контроль», «Testing&Control», Москва в 2018 году.

Результаты работы демонстрировались на выставках: 1) Авиа МАКС 2001 (г.Жуковский, 2001г.). 2) 1-я специализированная международная выставка испытательного оборудования, систем и технологи авиационно-космической промышленности. Aerospace Testing Russia 2004 (г.Москва, 2004г.). 3) 2-я международная специализированная выставка. Aerospace Testing Russia 2005. Испытательное оборудование, системы и технологии авиационно-космической промышленности (г.Москва, 2005г.). 4) 3-я международная специализированная выставка. Aerospace Testing Russia 2006. Испытательное оборудование, системы и технологии авиационно-космической

промышленности (г.Москва, 2006г.). 5) 12-й Московский международный инновационный форум «Точные измерения - основа качества и безопасности». 12-я выставка средств измерений и метрологического обеспечения «МЕТЯОЬЕХРО - 2016» (г.Москва, 2016г.). 6) XIII Московский международный инновационный форум «Точные измерения - основа качества и безопасности». 13-я выставка средств измерения и метрологического обеспечения «МЕТЯОЬЕХРО - 2017» (г.Москва, 2017г.). 7) 12-я Международная выставка «Гидросалон - 2018» (г. Геленджик, Россия, 6 - 9 сентября 2018 г.)

Личный вклад автора. Соискателем сформулированы все основные идеи защищаемых методов, средств, методик, принципов построения, структурных и принципиальных электрических схем основных измерительных преобразователей, измерительных систем и комплексов для исследования аэродинамических характеристик модулей ЛА в АДТ. Работы, выполненные в соавторстве, подчинены общей постановке проблемы и концепции ее решения, предложенной соискателем. Соавторы участвовали в разработке конкретных аппаратных и программных средств, конструкций, проведения исследований и испытаний измерительных систем и комплексов, их внедрении в практику аэродинамического эксперимента.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. По теме и содержанию материалов диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы» (по отраслям) в области «Исследование возможностей и путей совершенствования существующих и создание новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшения их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов и технических решений, методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их метрологической аттестации» в соответствии с п.п. 6, 3.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 55 научных работ, из них 19 работ - в изданиях, рекомендованных ВАК, одна монография. Получены два авторских свидетельства СССР, восемь патентов Российской Федерации на изобретение, один из них - на полезную модель. Написаны более 100 научно-технических отчетов, сделаны 19 публичных докладов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы, который включает 142 наименования. Полный объем диссертации составляет 291 страница машинописного текста с 130 рисунками, 25 таблицами.

Глава 1 Современные требования к информационно-измерительным системам для исследований моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах

На основе многолетнего опыта разработки, создания, внедрения и эксплуатации информационно-измерительных систем для исследования моделей ЛА в АДТ автором сформулирован комплекс требований к ИИС, как основы при разработке и создании перспективных высокоэффективных ИИС для экспериментальной аэродинамики.

1.1 Комплексный подход к исследованию

Крупнейшая в России экспериментальная база ЦАГИ, создаваемая на протяжении многих десятилетий и являющаяся национальным достоянием, в настоящее время включает в себя более 60 аэродинамических установок и испытательных стендов для отработки ЛА на всех этапах их функционирования (взлет, посадка, отделение боевых средств поражения от самолетов-носителей, разделение ступеней ракет, стыковка-расстыковка космических объектов и др.) [1].

Современный аэродинамический эксперимент является сложным, дорогостоящим видом исследований и характеризуется повышенными требованиями к точности, информативности, экономичности и соответствующими требованиями к функциональным возможностям информационно-измерительных систем аэродинамических труб, газодинамических установок и испытательных стендов.

Характерной особенностью аэродинамического эксперимента является комплексный подход к исследованиям объекта. С одной стороны, это обусловлено необходимостью расширять возможности и углублять исследования, с другой экономить энергетические ресурсы экспериментальных установок. Например, весовые испытания моделей целесообразно сопровождать исследованием распределения давления по моделям с помощью дискретных и непрерывных (по поверхности) преобразователей давления, визуализацией течения оптико-физическими методами и средствами, контролем линии перехода пограничного слоя, исследованием статических и динамических нагрузок на элементы объекта. В ряде испытаний требуется также исследовать пульсации давления на поверхности модели и динамические характеристики вибрации объекта. Важной задачей является обеспечение безопасности испытаний модели с мониторингом аэродинамических нагрузок в процессе эксперимента.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Блокин-Мечталин Юрий Константинович, 2020 год

\ /

100 200 300 400 17 Н Гц

Рисунок 2.17 - Спектральная характеристика фильтра Дольфа-Чебышева нижних частот с оптимальной помехоподавляющей весовой функцией (0=50, N=20)

В полосе задерживания АЧХ имеет равновеликие полуволны (боковые лепестки), число которых равно N — 2, где N - минимальное число весовых коэффициентов функции Дольфа-

Чебышева, необходимое для подавления в D раз помехи, имеющей частоты fH, при заданной частоте дискретизации. Затем снова следует пик с амплитудой ) = 1 и т.д.

В общем случае спектральные окна не обеспечивают характеристики фильтра с наименьшей возможной шириной переходной полосы при фиксированных допусках в полосе пропускания и полосе задерживания.

В работе [53] предложен метод аппроксимации АЧХ нерекурсивного фильтра интерполяцией Лагранжа, обеспечивающий равноволновые проекты фильтров относительно высоких порядков с узкой переходной полосой.

Основываясь на работе [46], разработаны низкочастотные цифровые фильтры Дольфа-Чебышева для использования в весоизмерительных и других системах (см. гл.5, раздел 5.3).

Методы и устройства аналого-цифрового преобразования сигналов датчиков

Для преобразования в цифровую форму неизвестное напряжение в дискретные моменты времени сравнивается с эталонным напряжением. Это сравнение выполняется посредством цепей делителя на основе сопротивлений, индуктивностей или емкостей, например, в преобразователях, работающих по методу последовательного приближения, либо с помощью методов, использующих операцию интегрирования за фиксированный интервал времени. К последним относится метод двухтактного интегрирования и метод преобразования напряжения в частоту следования импульсов, которая измеряется за фиксированный интервал времени.

В методах преобразования, использующих операцию интегрирования за фиксированный интервал времени, измерение времени известными методами проводится очень точно, при этом достигается высокая разрешающая способность и точность, однако, ценою увеличения продолжительности времени измерения. Вариантом метода измерения времени являются схемы, построенные по принципу уравновешивания зарядов. К ним относятся, в частности, схемы АЦП с преобразователями напряжение-частота (ПНЧ), АЦП с широтно-импульсной модуляцией [54] и сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи [55, 56].

В наиболее совершенных АЦП с преобразованием напряжения в частоту по методу уравновешивания зарядов используются тактируемые импульсно-компенсационные ПНЧ на основе суммирующего интегратора. Входная величина АЦП измеряется путем счета числа импульсов за время цикла интегрирования. Эти устройства измеряют средние значения напряжения за определенный промежуток времени, равный времени интегрирования. Они обладают важным свойством подавления действия помех, в том числе и наиболее распространенных периодических. Усреднители с ПНЧ не уступают по точности и быстродействию преобразовате-

лям с двухтактным интегрированием и лишены их недостатков. В последних информация о входном сигнале используется в течение части цикла измерения, что может привести к значительной погрешности при быстро изменяющемся входном сигнале [42].

На основе тактирующего импульсно-компенсационного ПНЧ и преобразователя частоты в код (ПЧК) разработан тензометрический интегрирующий преобразователь для измерения сигналов тензовесов и других первичных преобразователей (см. гл.5, раздел 5.2.1).

В аналого-цифровых преобразователях по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) частота импульсов компенсационного тока постоянна, в то время как продолжительность импульса (в каждом периоде) изменяется.

Известны интегрирующие АЦП с многоступенчатой широтно-импульсной модуляцией, позволяющие решать задачи как высокоточных измерений квазистатических сигналов, так и измерений быстрых динамических сигналов [54]. Однако многоступенчатые широтно-импульсные АЦП достаточно сложные в реализации устройства.

К аналого-цифровым преобразователям, построенным по методу уравновешивания зарядов, относятся сигма-дельта преобразователи. Один из принципов, заложенных в такого рода преобразователях, позволяющий уменьшить погрешность, вносимую шумами, а, следовательно, увеличить разрешающую способность, - это усреднение результатов измерения. Второй важный момент - это автоматический перенос спектра шума квантования в более высокочастотную область при высокочастотной дискретизации низкочастотного сигнала [57]. На основе сигма-дельта АЦП фирмы Analog Devices разработаны прецизионные модули цифровых тензометри-ческих усилителей-нормализаторов для измерения сигналов тензовесов и других первичных преобразователей [17] (см. гл.5, раздел 5.2.2).

В наиболее совершенных АЦП, построенных по методу последовательного приближения, вместо резистивного делителя используется набор двоично-взвешенных емкостей [57]. Емкостная матрица исключает изменение линейности преобразования от влияния температуры и позволяет автоматически выполнять функцию выборки-хранения без дополнительных внешних цепей. Начальные ошибки в рассогласовании емкостей исключаются схемой автокалибровки. На основе такого АЦП разработан специализированный модуль для измерения сигналов и управления многоканальными модулями давления (ММД) (см. гл.4, раздел 4.4.3).

При исследованиях высокочастотных быстропротекающих процессов, например пульсаций давлений, требуется измерять и регистрировать динамические сигналы датчиков в диапазоне до 100 кГц. Для решения таких задач необходимо использовать АЦП повышенного быстродействия со скоростью преобразования в диапазоне 1^10 МГц и разрешающей способностью не менее 14 двоичных разрядов. Такие характеристики обеспечивают АЦП дифференциальной многоступенчатой конвейерной архитектуры. Точность преобразования, отсутствие пропущен-

ных кодов обеспечивается расположенными на кристалле высококачественным УВХ, источником опорного напряжения ИОН и логикой коррекции ошибок [57].

Микросхема АЦП из этого семейства используется в разработанном широкополосном цифровом тензометрическом усилителе-нормализаторе для измерения пульсаций давления, вибрации, динамических нагрузок и других широкополосных процессов при исследованиях моделей в АДТ [17] (см. гл.6, раздел 6.3).

Выводы

Предложены и разработаны структурные и алгоритмические методы и средства повышения точности измерительных преобразователей и систем для экспериментальной аэродинамики:

• Способы преобразования сигналов тензорезисторных мостовых датчиков.

• Структурные методы повышения точности тензометрических схем измерения.

• Структурный метод повышения точности преобразователя углового положения изделий на основе микромеханических акселерометров.

• Алгоритмические методы, направленные на уменьшение систематических погрешностей, подавление динамических составляющих в измеряемом сигнале, уменьшение методических и случайных погрешностей.

1. Наибольшую разрешающую способность и точность измерений дает способ дискретной компенсации нормированного (усиленного) сигнала неуравновешенного тензомоста. Способ применяется в тензометрических измерительных преобразователях сигналов многокомпонентных преобразователей силы (аэродинамических тензовесов ТВ), многоканальных модулей давления (ММД) и сигналов других первичных измерительных преобразователей и датчиков.

2. Для повышения точности тензометрических преобразователей и систем следует использовать схему с питанием тензомоста, сформированным от источника опорного напряжения кодирующего преобразователя. При этом для прецизионных измерений сигналов тензомостов, образованных проводниковыми тензорезисторами, целесообразно использовать схему с питанием тензомоста напряжением, а для тензомостов, образованных полупроводниковыми тензо-резисторами, - схему с питанием тензомостов током.

3. Для повышения чувствительности и точности, уменьшения температурной погрешности, повышения помехоустойчивости измерений предложена структура измерительного преобразователя углового положения изделий на основе микромеханических акселерометров.

4. Для уменьшения аддитивных погрешностей измерения предложены и реализованы алгоритмы:

- двухтактный следящий алгоритм для уменьшения погрешности дискретизации измеряемой величины методом вспомогательных измерений;

- алгоритм уменьшения погрешности от напряжения смещения измерительного преобразователя и термо-ЭДС методом компенсации погрешности по знаку;

- алгоритм и схема аналого-цифрового преобразователя с коррекцией погрешности «нуля» методом обратных преобразований измеряемой величины.

Алгоритмы уменьшения аддитивных погрешностей используются: в измерителе частоты сигналов прецизионных виброчастотных датчиков давления (ВЧД) параметров воздушного потока АДТ, в измерительных преобразователях сигналов тензовесов ТВ, в многоканальных измерительных системах с модулями давления ММД.

5. Для уменьшения мультипликативных погрешностей измерительных преобразователей и систем предложены и реализованы алгоритмические методы:

- метод вспомогательных измерений влияющих факторов. Используется в измерительных системах с виброчастотными датчиками давления ВЧД параметров потока и системах для исследования распределения давления с модулями давления ММД для коррекции температурной погрешности измерительных каналов;

- метод образцовых мер. Применяется в измерительных системах для исследования распределения давления с коммутаторами пневмотрасс (КП) и модулями давления (ESP), для уменьшения температурной погрешности измерений;

- предложен тестовый метод измерений применительно к тензометрическому преобразователю сигналов мостовых датчиков, уменьшающий погрешности измерения. Результат измерения не зависит от параметров функции преобразования. Тестовый алгоритм реализован в цифровом тензометрическом преобразователе на несущей частоте.

6. Рассмотрены алгоритмы изменения аэродинамических нагрузок в динамическом режиме работы многокомпонентных тензовесов. Показано преимущество алгоритма измерения, при котором после нормализации и аналого-цифрового преобразования мгновенных значений динамических сигналов тензовесов определяются мгновенные значения аэродинамических нагрузок - выполняется развязка компонент (в соответствии с градуировочными формулами тензовесов), а затем выполняется программная цифровая фильтрация данных. В результате исключается методическая погрешность определения нагрузок, вызванная нелинейным взаимовлиянием компонент тензовесов в динамическом режиме работы. Возможность реализации алгоритма заложена в цифровых многоканальных тензометрических преобразователях на основе

сигма-дельта АЦП с программируемой частотой режекции ФНЧ, эквивалентной частоте отсчетов.

7. Проведен анализ методов и средств подавления динамических составляющих в измеряемом сигнале и случайных погрешностей измерения, выбраны для практического использования и реализованы в измерительных преобразователях наиболее эффективные, а именно:

- активные ФНЧ на переключаемых емкостях, управляемые тактовой частотой (широкополосные цифровые тензометрические модули АВСОРТ, АВСООТ);

- интегрирующие импульсно-компенсационные преобразователи напряжения в частоту и частоты в код (интегрирующий цифровой измерительный модуль УБС на основе ПНЧ -ПЧК);

- усредняющие сигма-дельта преобразователи с программируемой частотой режек-ции ФНЧ (прецизионные цифровые тензометрические модули АОС6, ЛВС7Х95, ЛВС7021);

- цифровые фильтры Дольфа-Чебышева с оптимальной помехоподавляющей весовой функцией (цифровая обработка низкочастотных сигналов);

- аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения с емкостной матрицей (модули ЛВС16, ЛВС64);

- аналого-цифровые преобразователи с дифференциальной многоступенчатой конвейерной архитектурой повышенного быстродействия (модуль ЛССИРТ).

Глава 3 Измерение параметров воздушного потока, положения модели и механизмов в аэродинамических трубах

3.1 Основы измерения параметров воздушного потока, положения модели и механизмов

В аэродинамических трубах моделируются условия полета ЛА по соответствующим критериям подобия и определяются силы и моменты, действующие на модель ЛА [2, 4]. Наиболее важными критериями подобия являются число Рейнольдса Яв = VI/V, моделирующее вязкость воздуха и число Маха М = У/а, моделирующее сжимаемость воздуха, где V - скорость потока, V - кинематическая вязкость, I- размер модели, а - скорость звука.

Чтобы перейти от сил (X, У, X) и моментов (Мх, Му, М^) действующих на модель ЛА в аэродинамической трубе, к силам и моментам, действующим в реальном полете, используют аэродинамические коэффициенты сил и моментов:

Сх = Х/ц£> - коэффициент лобового сопротивления;

Су = - коэффициент подъемной силы;

с2 = 2/ц£> - коэффициент боковой силы;

тх= Мх/ц$>Ь - коэффициент момента крена;

ту = Му - коэффициент момента рыскания;

т2 = М2/ц£>Ь - коэффициент момента тангажа;

где q = '/2 pV2 - скоростной напор, £ - характерная площадь, Ь - характерная длина, р -плотность воздуха.

Правильно поставленный аэродинамический эксперимент предполагает геометрическое подобие модели и натуры и подобие основных аэродинамических критериев - числа Рейнольд-са Яв и числа Маха М.

Для определения критериев подобия и аэродинамических коэффициентов необходимо знать параметры потока в АДТ, от точности измерения которых во многом зависит качество экспериментальных исследований.

Число Маха М и скоростной напор q, характеризующие режимы испытаний моделей, вычисляются по результатам измерений полного давления в форкамере АДТ - Ро и статическо-

го давления на стенке рабочей части АДТ - Р или их разности А — Р — Р, в соответствии с формулами (3.1), (3.2):

М —

1

х — 1

Г р \ 1 0

V Р У

х—1

, д — -РМ2, 2

где х = 1,4 для воздуха (показатель адиабаты), или

М —

1

2

х — 1

г

х—1

1+АР

v Р У

(3.1)

(3.2)

Диапазон давлений, измеряемых в АДТ, чрезвычайно широкий. В зависимости от числа М давления могут изменяться в пределах от 100 Па до 107 Па.

Измерение Ро и Р проводится с помощью специальных приемников, непосредственно устанавливаемых в потоке [58]. Приемники давления соединяют манометрическими трассами с преобразователями (датчиками) давления.

Преобразователи углового положения модели (датчики) размещаются внутри модели или на механизмах поддерживающих устройств.

Для измерения давлений Ро, Р и их разности АР в АДТ используются различные типы измерительных преобразователей отечественного и зарубежного производства (Таблица 3.1).

Основные требования к системе измерения параметров потока: широкий диапазон измерения давлений — от 100 Па до 107 Па; постоянство относительной погрешности измерения давлений в широком диапазоне - 0,01% — 0,02%; абсолютная погрешность измерения числа Маха -0,001 ... 0,002 М; скорости потока — V < 0,2 м/с.

Требование к точности измерения углового положения модели - от 0,005° до 0,01°.

Для прецизионных измерений параметров воздушного потока, от точности измерений которых зависит точность определения аэродинамических характеристик моделей, автором исследованы и предложены для практического использования в АДТ виброчастотные датчики давления с постоянной относительной погрешностью в широком диапазоне измерений и разработанный автором измеритель частоты с программируемыми точностью и быстродействием измерений.

х

3.2 Исследование виброчастотных датчиков давления параметров воздушного потока

Высокую точность, широкий рабочий диапазон и вибростойкость обеспечивают виброчастотные датчики давления (ВЧД) с вибрирующим цилиндром. За рубежом ВЧД (фирмы 8о1аг1гоп) используются в качестве бортовых приборов и в цифровых системах управления двигателей [59, 60].

Среди отечественных датчиков высокую точность и широкий рабочий диапазон имеют виброчастотные датчики (ВЧД) абсолютного давления ОАО «Аэроприбор-Восход».

Принцип действия виброчастотных датчиков давления основан на изменении частоты собственных колебаний тонкостенного металлического цилиндра в зависимости от механических напряжений, вызываемых изменением давления внутри цилиндра [61]. При изменении измеряемого давления изменяется собственная частота колебаний за счет изменения жесткости оболочки цилиндра на изгиб. Технология изготовления цилиндрического резонатора, разработанного в ОАО «Аэроприбор-Восход», обеспечивает высокую точность измерения давления и стабильность характеристик во время эксплуатации.

Датчики абсолютного давления ДДГ и БДДМ предназначены для использования в измерительных системах авиационно-космической техники. Блок малогабаритных датчиков давления БДДМ разработан для малогабаритных цифровых систем воздушных сигналов. Размещение двух датчиков в одном корпусе и использование общих электронных узлов позволяют уменьшить погрешности при измерении разности давлений.

Датчики абсолютного давления типа ДДЧП предназначены для установки в контрольно-поверочное оборудование в качестве вторичного эталона давления. Для улучшения характеристик узел чувствительного элемента (миниатюрный тонкостенный цилиндрический резонатор) помещен в термостат.

Датчики абсолютного давления ДДГМ предназначены для систем контроля авиационных двигателей.

Принципиальная схема и конструкции виброчастотных датчиков давления ВЧД показаны на рисунке 3.1.

Тонкостенный цилиндрический элемент 1 возбуждается электромагнитным полем возбуждающей катушки 2 и его стенки начинают вибрировать с собственной частотой. Вибрационное движение цилиндра воспринимается съемной катушкой 3 и его частота передается в схему усилителя-ограничителя датчика 4. Усиленный сигнал подается в качестве сигнала обратной связи на катушку возбуждения 3 [61].

1 - вибрирующий цилиндрический элемент; 2 - катушка, возбуждающая колебания; 3 -катушка приемная; 4 - усилитель-ограничитель; 5 - вакуумированная полость, давление в которой служит в качестве опорного; 5 - вакуумированная полость, давление в которой служит в качестве опорного

Рисунок 3.1 - Конструктивная схема и общий вид виброчастотных датчиков давления Частота выходного сигнала датчика зависит не только от давления, но и от температуры. Эта зависимость объясняется тем, что присоединенная масса газа в пограничном слое стенок

цилиндра колебательной системы зависит (согласно уравнению состояния газа р = рЯТ) от

плотности и температуры. Поэтому некоторые типы виброчастотных датчиков (ДДГ, ДДГМ) имеют встроенный датчик температуры, сигнал которого измеряется для введения поправок с целью повышения точности измерений. Другие типы датчиков (ДДЧП) термостатируются. Зависимость частоты выходного сигнала датчика от давления нелинейна и дается в виде градуи-ровочной таблицы.

Таблица 3.1 - Д

атчики давления, используемые для измерения параметров воздушного потока в АДТ

Характеристики ИКД САПФИР ВЧД МЕТРАН SITRANS MENSOR KELLER

Сенсоры давления Индукционный Тензорезис-торный Виброчастотный (вибрирующий цилиндр) Тензорезисторный, емкостной Пьезорезистивный Тензорезисторный Пьезорезистивный

Исполнение Абс. или дифф. Абс. или дифф. Абс. Абс. или дифф. Абс., дифф., избыточный Абс., дифф., избыточный Абс. или дифф.

Диапазон измерения -(0.5-250)* 105 Па (2.5 - 250) кПа 0.66 - 2550 кПа ±25Па -±100 МПа ±25Па -±100 МПа 0 - 41,4 МПа 0.01 - 200 МПа, -3 - 3 кПа

Погрешность измерения ±1.5% (по паспорту) ±0.3% (градуировка) (0.25-1) % 0.01% 0.10% (0.1 - 0.6)% (0.01 - 0.03)% Абс - 0.05%, диф - 0.2%

Перегрузка по давлению 10*105 Па Односторонняя перегрузка 200% от диапазона Менее -3 кПа, более +30 кПа Не более номинального давления 150% от диапазона Менее -3 кПа, более +30 кПа

Выходной сигнал 0 - 5 В 0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА Начальная частота (4.5 - 14) кГц + 20% 0 - 5 мА, 4 - 20 мА 4 - 20 мА RS-232, RS-485 4-20 мА, RS-485

Рабочий диапазон температур от минус 50 до 60 0C от минус 50 до 80 0С от минус 55 до 1120С от минус 40 до 85 0С от минус 40 до 85 0C от 0 до 50 0C От минус 20 до 80 0C

Температурная компенсация погрешности — — Термостатирование, алгоритмическая термокомпенсация — — В диапазоне от 5 до 45 0C В диапазоне от 10 до 50 0C

Температурный коэффициент чувствительности -50 0C = ± 5% 60 0C = ± 4% — <0.01%/0С — — — —

Инерционность (отклик) 2 c 0.5 с 50 мс 100 мс 0.2 с 250 мс 20 мс

Питание 6.3 В 36 В 27 В (±15 В) 8 - 28 В 10.5 - 45 В 6 - 20 В 8 - 28 В

Размеры d = 86 мм, l = 135 мм — 50x80x120 (ДВБЧУ) 202х96х92 — 99х55х55 62х62х50

Вес — от 1.6 до 13 кг < 0.65 кг 3.1 кг 1.5 - 4.5 кг 0.45 кг 0.19 кг

Фирма-изготовитель п/я Г-4388, РФ ПО "Манометр", РФ ОАО "Авиаприбор-Восход", ОАО "Утёс", РФ ЗАО "ПГ "Метран", РФ "Siemens", Германия "Mensor", США "Keller", Швейцария

Обработка выходного сигнала термостатированного датчика проводится путем аппроксимации зависимости давления Р от периода колебаний Тх полиномом вида:

Р (Т) = а 0 + апТ + а 2Т2 +... + а]ПТп (3.3)

Для нетермостатированного датчика дополнительно осуществляется обработка сигнала температурного датчика ит путем аппроксимации зависимости:

а] (иТ ) = Ъ0 + Ьи + Ъ2иТ + ... + (3.4)

Коэффициенты а] и в формулах (3.3) и (3.4) определяются на основании градуировоч-ной таблицы для каждого значения температуры Т.

Использование термостатированного датчика не требует дополнительного канала измерения температуры, упрощает алгоритм и программу обработки результатов измерений.

Для оценки возможности работ виброчастотных датчиков в широком диапазоне, соответствующем диапазону измеряемых давлений в АДТ, под руководством и при непосредственном участии автора проведены метрологические исследования партии (20 шт.) термостатированных датчиков ДВБЧУ (новое обозначение типа ДДЧП).

Согласно техническому паспорту диапазон измеряемых давлений датчиков ДВБЧУ -660 Па...280000 Па, основная погрешность измерения - ± 0,06%. Исследования проводились в диапазоне давлений 1000 Па.. .500000 Па, характерном для АДТ.

Разработана методика исследований и определения погрешностей ДВБЧУ, программное обеспечение обработки результатов градуировок и получения индивидуальных градуировочных характеристик датчиков. Градуировки датчиков выполнялись в диапазонах 1000.25000 Па, 25000.140000 Па, 140000.40000 Па как относительно избыточного, так и абсолютного давления. В качестве образцового средства использовался манометр МПА-15 класса 0,01. Для измерения сигналов датчиков применялся частотомер в режиме измерения периода частоты.

При градуировках по избыточному давлению контролировалось атмосферное давление, а при градуировках в диапазоне низких абсолютных давлений (Рабс<7000 Па) вводились поправки на изменение температуры и опорного давления МПА-15 во время градуировок.

Программное обеспечение метрологических исследований позволило получить для каждого датчика следующие характеристики:

- диапазон рабочих давлений (верхний допустимый предел измерения, ниже которого не наблюдаются срывы частоты колебаний выходного сигнала датчика);

- индивидуальную градуировочную таблицу, в которой для каждой ступени задаваемого давления приводится период, вычисленный усреднением по всем циклам градуировки;

- полиномы, аппроксимирующие с заданной точностью зависимость давления от периода выходного сигнала (рабочая формула), позволяющие по заданной величине давления вы-

числить величину периода (прямой полином), а по измеренной величине выходного сигнала определить величину заданного на вход датчика давления (обратный полином);

- градуировочные таблицы, рассчитанные по рабочим формулам как для прямого, так и для обратного полинома;

- погрешности аппроксимации градуировочной характеристики как абсолютные, так и относительные (в процентах относительно измеряемой величины).

Результаты многократных градуировок датчиков ДВБЧУ и обработки данных показали: во всем исследованном диапазоне абсолютных давлений (1000. 500000 Па) погрешность аппроксимации для прямого полинома не превышает 0,001%; разность между максимальным и минимальным значениями выходного сигнала на любой из ступеней градуировочной таблицы не превышает величины, соответствующей погрешности задания давления - 0,03%; градуировки по поддиапазонам и увеличение числа циклов градуировки не улучшают точность градуиро-вочных характеристик.

Реальное распределение относительной погрешности датчиков ДВБЧУ по рабочему диапазону давлений, характерному для околозвуковых и сверхзвуковых АДТ, показано на рисунке 3.2. В диапазоне 0,001...0,5 МПа погрешность постоянна и практически не превышает 0,03%.

Для использования в измерительной системе индивидуальная градуировочная характеристика датчика ДВБЧУ дается в виде таблицы 3.2. Для нетермостатированных датчиков типа ДДГ, БИД-2 (модификация БДДМ, разработанная для трансзвуковой аэродинамической трубы ЦАГИ Т-128) - в виде таблицы 3.3, где представлены градуировочные данные при разных температурах датчиков (каналы № 1, 2) и градуировочные данные встроенного датчика температуры (иТ).

5,%

1 .............................

0,1

0,0001 0,001 0,01 0,1 1

Рисунок 3.2 - Относительная погрешность измерений давлений, полученная по результатам метрологических исследований виброчастотных датчиков ДВБЧУ Таблица 3.2 - Индивидуальная градуировочная характеристика виброчастотного датчика ДВБЧУ

Т, мксек Р, мм вод.ст. Р по полиному Разность Погрешность, %

0.11448080Е+03 0.27190000Е+04 0.27181812Е+04 -0.81884766Е+00 -0.0301

0.11379250Е+03 0.31268501Е+04 0.31267188Е+04 -0.13134766Е+00 -0.0042

0.11289410Е+03 0.36706499Е+04 0.36710554Е+04 0.40551758Е+00 0.0110

0.11201711Е+03 0.42144502Е+04 0.42150376Е+04 0.58740234Е+00 0.0139

0.11116050Е+03 0.47582500Е+04 0.47589038Е+04 0.65380859Е+00 0.0137

0.11011761Е+03 0.54380000Е+04 0.54384531Е+04 0.45312500Е+00 0.0083

0.10890480Е+03 0.62537002Е+04 0.62538394Е+04 0.13916016Е+00 0.0022

0.10754040Е+03 0.72053501Е+04 0.72050674Е+04 -0.28271484Е+00 -0.0039

0.10622700Е+03 0.81570000Е+04 0.81564624Е+04 -0.53759766Е+00 -0.0066

0.10496160Е+03 0.91086504Е+04 0.91079775Е+04 -0.67285156Е+00 -0.0074

0.10425880Е+03 0.96524502Е+04 0.96518770Е+04 -0.57324219Е+00 -0.0059

0.10391270Е+03 0.99243496Е+04 0.99238984Е+04 -0.45117187Е+00 -0.0045

0.10340010Е+03 0.10332200Е+05 0.10331948Е+05 -0.25195312Е+00 -0.0024

0.10272839Е+03 0.10876000Е+05 0.10876167Е+05 0.16699219Е+00 0.0015

0.10220700Е+03 0.12235500Е+05 0.12235969Е+05 0.46875000Е+00 0.0038

0.99562195Е+02 0.13595000Е+05 0.13595422Е+05 0.42187500Е+00 0.0031

0.97375198Е+02 0.15634250Е+05 0.15634591Е+05 0.34082031Е+00 0.0022

0.95329803Е+02 0.17673500Е+05 0.17673420Е+05 -0.80078125Е-01 -0.0005

0.94037102Е+02 0.19033000Е+05 0.19032975Е+05 -0.25390625Е-01 -0.0001

0.92796997Е+02 0.20392500Е+05 0.20392463Е+05 -0.37109375Е-01 -0.0002

0.91027100Е+02 0.22431750Е+05 0.22432707Е+05 0.95703125Е+00 0.0043

0.89358307Е+02 0.24471000Е+05 0.24472064Е+05 0.10644531Е+01 0.0043

0.87781097Е+02 0.26510250Е+05 0.26511055Е+05 0.80468750Е+00 0.0030

0.86287506Е+02 0.28549500Е+05 0.28549652Е+05 0.15234375Е+00 0.0005

0.84870506Е+02 0.30588750Е+05 0.30587775Е+05 -0.97460937Е+00 -0.0032

0.83523697Е+02 0.32628000Е+05 0.32625543Е+05 -0.24570313Е+01 -0.075

0.82244896Е+02 0.34667250Е+05 0.34657328Е+05 -0.99218750Е+01 -0.0286

0.91012100Е+02 0.36706500Е+05 0.36711199Е+05 0.46992188Е+01 0.0128

0.79843201Е+02 0.38745750Е+05 0.38750285Е+05 0.45351563Е+01 0.0117

0.78724693Е+02 0.40785000Е+05 0.40789965Е+05 0.49648438Е+01 0.0122

0.78078192Е+02 0.42008551Е+05 0.42010496Е+05 0.19453125Е+01 0.0046

0.76361702Е+02 0.45407301Е+05 0.45406309Е+05 -0.99218750Е+00 -0.0022

0.74759903Е+02 0.48806051Е+05 0.48793383Е+05 -0.12667969Е+02 -0.0260

0.73834297Е+02 0.50845301Е+05 0.50853414Е+05 0.81132813Е+01 0.0160

Таблица 3.3 - Градуировочные данные блока виброчастотных датчиков БИД-2

БИД-2 № 0403125

Канал № 1 Канал № 2

кПа -10°С +15°С +35°С +60°С -10°С +15°С +35°С +60°С

15G 225.2415 225.2624 225.2611 225.2628 116.4691 116.4116 116.4859 116.4811

2GG 223.1642 223.1151 223.1115 223.1101 115.6208 115.6258 115.6334 115.6334

25G 221.1402 221.1481 221.1422 221.1381 114.1855 114.1894 114.1942 114.1926

3GG 219.1101 219.1151 219.1611 219.1608 113.9619 113.9636 113.9669 113.9636

35G 211.2541 211.2561 211.2460 211.2311 113.1508 113.1503 113.1518 113.1468

4GG 215.3888 215.3862 215.3143 215.3633 112.3508 112.3480 112.3482 112.3418

45G 213.5111 213.5665 213.5525 213.5391 111.5626 111.5511 111.5562 111.5482

5GG 211.1991 211.1901 211.1141 211.1591 110.1841 110.1116 110.1146 110.1649

55G 210.0131 210.0620 210.0442 210.0264 110.0181 110.0096 110.0050 169.9938

6GG 208.3892 208.3146 208.3551 208.3348 169.2628 169.2515 169.2455 169.2328

65g 206.1411 206.1293 206.1081 206.6851 168.5118 168.5043 168.4969 168.4828

1GG 206.1431 205.1233 205.1002 205.0151 161.1821 161.1613 161.1583 161.1426

15G 203.5189 203.5551 203.5312 203.5046 161.0580 161.0406 161.0303 161.0131

8GG 202.0489 202.0229 201.9961 201.9610 166.3424 166.3221 166.3111 166.2925

85G 200.5543 200.5251 200.4918 200.4668 165.6362 165.6149 165.6016 165.5815

9GG 199.0935 199.0620 199.0328 198.9991 164.9396 164.9161 164.9011 164.8802

95G 191.6649 191.6306 191.5998 191.5648 164.2518 164.2263 164.2106 164.1815

1GGG 196.2665 196.2300 196.1912 196.1603 163.5126 163.5453 163.5219 163.5035

1G5G 194.9005 194.8601 194.8261 194.1811 162.9030 162.8131 162.8552 162.8295

11GG 193.5621 193.5202 193.4845 193.4436 162.2413 162.2102 162.1902 162.1632

115G 192.2516 192.2011 192.1100 192.1211 161.5819 161.5549 161.5336 161.5051

12GG 190.9682 190.9216 190.8830 190.8383 160.9421 160.9019 160.8852 160.8553

125G 189.1133 189.6640 189.6240 189.5112 160.3064 160.2698 160.2459 160.2149

13GG 188.4825 188.4308 188.3893 188.3410 159.6116 159.6390 159.6138 159.5815

135G 181.2149 181.2213 181.1119 181.1218 159.0555 159.0155 158.9881 158.9554

14GG 158.4414 158.3995 158.3115 158.3366

15GG 151.2356 151.1905 151.1598 151.1223

1600 156.0518 156.0092 155.9163 155.9362

11GG 154.9011 154.8551 154.8191 154.1113

1800 153.1835 153.1282 153.6900 153.6454

1900 152.6842 152.6262 152.5854 152.5385

2000 151.6102 151.5486 151.5061 151.4566

2200 149.5304 149.4625 149.4152 149.3613

2400 141.5386 141.4641 141.4131 141.3545

2600 145.6282 145.5483 145.4923 145.4293

2800 143.1943 143.1086 143.6485 143.5812

3000 142.0320 141.9402 141.8161 141.8041

3200 140.3312 140.2399 140.1116 140.0960

3400 138.1050 138.6020 138.5298 138.4501

3600 131.1321 131.0244 136.9484 136.8641

3800 135.6180 135.5035 135.4238 135.3361

4000 134.1516 134.0365 133.9529 133.8613

4050 133.8012 133.6183 133.5936 133.5010

Ut 5.133 3.442 1.660 -0.645 5.133 3.442 1.660 -0.645

3.3 Измерительный преобразователь сигналов датчиков давления с частотным выходным сигналом

Исследования виброчастотных датчиков давления применительно к задачам измерения параметров потока в АДТ показали их преимущества перед другими типами преобразователей давления. В частности, датчики ДВБЧУ отличаются широким диапазоном измерения, прецизионностью, равномерным распределением относительной погрешности измерений в рабочем диапазоне давлений, стабильностью метрологических характеристик, эксплуатационной надежностью.

Уникальность технических характеристик виброчастотных датчиков и особенности измерений параметров потока предъявляют особые требования к измерителю частотных сигналов датчиков, который должен обладать следующими свойствами:

- широким диапазоном измерений;

-постоянной относительной погрешностью по шкале, в несколько раз меньшей погрешности виброчастотных датчиков;

-программно адаптироваться к требуемой точности и быстродействию в зависимости от задач измерений и регулирования параметров потока в разных АДТ;

-помехоустойчивостью.

Проблема создания цифровых измерителей частоты простыми средствами, обеспечивающих высокую точность и помехоустойчивость измерений, является одной из актуальных задач в научном и промышленном эксперименте [16,62].

Разработан измеритель частоты, позволяющий обеспечить измерение в широком диапазоне с оптимальными точностью и быстродействием, близкими к принципиально возможным. Точность и быстродействие измерителя могут изменяться в зависимости от текущего значения измеряемой частоты.

Для этой цели в измерителе частоты счетчики измеряемой и эталонной частот выполнены программируемыми и соединены с процессором [24]. Измеритель частоты построен по принципу сравнения измеряемой частоты / и образцовой частоты кварцевого генератора /о.

Для уменьшения погрешности измерения применяется усреднение результата измерения частоты/ за время X равное длительности некоторого числа импульсов измеряемой частоты.

Время измерения 1х и период измеряемой частоты Тх определяются по числу импульсов измеряемой Пх и образцовой По частоты и известному значению образцовой частоты . 1

/ = — из соотношений:

0 ГТ1

То

= ПхТх = ПоТо (3.5)

Тх = ^ Т0 (3.6)

пх

Число импульсов По формируется в счетчике образцовой частоты, а число импульсов Пх - в счетчике измеряемой частоты. Относительная погрешность измерения периода Тх, обуслов-

ленная погрешностью квантования, определяется соотношением:

8 Т. = ±

Г т \

8+Т-

ТхПх у

(3.7)

где 8г - погрешность генератора образцовой частоты, которой можно пренебречь.

Соотношения (3.5), (3.6) и (3.7) показывают принципиальную возможность оптимизации измерителя частоты по точности и быстродействию путем выбора числа импульсов измеряемой

частоты Пх .

Программно адаптируемый к требованиям по точности и быстродействию измеритель частоты (рисунок 3.3) содержит программируемые счетчики СЧ1 и СЧ2, входящие в состав одной микросхемы, генератор кварцевой частоты Г, регистр управления РУ, двунаправленные приемопередатчики ПП, входной регистр Рвх, выходной регистр Рвых, схему управления СУ и входной коммутатор К.

Через Рвх и ПП в РУ записывается соответствующий код управления коммутатором К и подается сигнал «Пуск» на схему управления СУ. Последняя осуществляет привязку момента

начала заполнения счетчика образцовой частоты /о к фронту измеряемой частоты /х и вырабатывает команду «Начало счета».

Счетчики СЧ1 и СЧ2, запрограммированные в соответствии с циклом измерения, одновременно начинают счет и работают на вычитание. По окончании счета на выходе СЧ2 устанавливается сигнал «Конец счета», блокирующий через схему управления поступление образцовой и измеряемой частот в соответствующие счетчики.

Сигнал «Конец счета» является одновременно командой «Готовность», по которой данные результата измерения считываются со счетчика СЧ1 через 1111 и Рвых. Приведение СУ в исходное состояние осуществляется командой «Сброс» в каждом цикле измерения.

Процесс программирования счетчиков начинается с записи управляющего слова данных ЗП.Д, определяющего режим работы счетчика. Для этого на адресный вход микросхемы (А0А1) подается код, соответствующий адресу счетчика, на вход ВМ подается сигнал выбора микросхемы, на вход ЗП - сигнал записи управляющего слова.

Аналогичным образом производится запись в счетчик СЧ2 слова данных, определяющего число импульсов измеряемой частоты Пх, и запись в счетчик СЧ1 слова данных, определяющего максимально возможный счет на вычитание.

Для обеспечения требуемого быстродействия в заданном диапазоне частот измерение производится в один цикл.

Число импульсов Пх, по которым производится усреднение, выбирается из соотношения (3.5) и программно заносится в счетчик измеряемой частоты СЧ2.

Для обеспечения требуемой точности измерения в заданном диапазоне частот измерение также производится в один цикл, а число импульсов выбирается из соотношения (3.7) и программно заносится в счетчик СЧ2.

Для оптимизации измерителя по точности и быстродействию в зависимости от текущего значения измеряемой частоты, обеспечения заданных величин погрешности и быстродействия, постоянных в широком диапазоне частот и близких к принципиально возможным, измерение производится в два цикла.

В первом цикле измерения программируется минимальное число импульсов Пх для получения грубой оценки текущего значения fx. Во втором цикле для получения повышенной точности и соответствующего быстродействия программируется оптимальное число импульсов, определяемое из соотношений (3.5) и (3.7) при условии n Tx = const.

Рисунок 3.4 иллюстрирует получение заданной постоянной по шкале погрешности измерения периода STx при постоянном времени измерения tx . Для этого используются вспомогательные измерения и двухтактный следящий алгоритм (рисунок 3.5), позволяющие изменять (уменьшать) погрешность дискретизации (квантования) в зависимости от текущего значения измеряемой величины [24] и получить постоянную погрешность по шкале - ± 0,001%.

РУ

ПП

Чтение данных

Запись данных

А/

Д ЗП ЧТ АО А1 ВМ

СЧ1 СЧ2

Начало счета

Пуск

Конец счета

СУ

Сброс

Готовность

Рисунок 3.3 - Структурно-функциональная схема программируемого измерителя часто-

ты

^Х, кГц Тике

1

1000

10 - 100

1 10

ЬпДгСОПЙ

М,005%

N

ТТЛ

-8^=0,01%

0,0(

2%

10

100

\

§т =Т, / ^сог^.

1000

10000

Рисунок 3.4 - Постоянные погрешность измерения периода дт% и время измерения 1х в

диапазоне измеряемых частот

Рисунок 3.5 - Двухтактный следящий алгоритм программируемого измерителя частоты с заданными постоянной погрешностью и временем измерения

3.4 Измерительные преобразователи углового положения модели и механизмов

В экспериментальной аэродинамике углы положения модели измеряются с помощью внутримодельных датчиков углов и датчиков, устанавливаемых на механизмах положения модели, а также измеряются положения элементов механизации модели, координатников с приемниками давления и температуры, экранов, имитирующих «землю», рейтеров автоматических весовых элементов и другого оборудования. Перемещения измеряются с помощью датчиков различных типов: потенциометрических, тензометрических, индуктивных, трансформаторных, фотоэлектронных, акселерометров и соответствующих измерителей.

Точность измерений углового положения моделей во многом определяет точность их аэродинамических характеристик. Для измерения угла атаки моделей в АДТ использовались тензометрические датчики углов (ТДУ), разработанные в ЦАГИ. Метрологические характеристики ТДУ не отвечают современным требованиям аэродинамического эксперимента по точности (0,1°). Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее приемлемыми для измерения углов крена и тангажа модели являются акселерометры. Известны отечественные и зарубежные преобразователи углового положения изделий на основе акселерометров (Таблица 3.4).

В европейской трансзвуковой аэродинамической трубе ETW для измерения углов положения модели применяется блок угломеров, устанавливаемый внутри модели. Блок включает одноосевой акселерометр марки Q-Flex и миниатюрный трехосевой акселерометр «Entran» [63]. В высокоскоростной трубе HST национальной аэрокосмической лаборатории NLR (Голландия) угловое положение модели также измеряется акселерометрами марки Q-Flex, имеющими специальные устройства компенсации от вибрации модели [64]. В американском научно-исследовательском центре NASA создана универсальная система измерения углов тангажа и крена AMS. Основу системы составляют четыре акселерометра типа Q-Flex и два - типа Jewell LCI -145-90°, объединенные в один прибор. Эта система используется для измерения мгновенных значений угла тангажа и крена, а также для калибровки приборов, контролирующих положение моделей в аэродинамических трубах [65]. Исследования, проведенные в АДТ Т-128 и Т-106 ЦАГИ, отечественных акселерометров типа А-15 и А-17, разработанных Раменским приборным конструкторским бюро (РПКБ), показали, что в целом они не уступают используемым в аэродинамических трубах за рубежом [Исследования характеристик акселерометров для их использования в качестве средств измерения углов тангажа и крена моделей в АДТ Т-128 и новых методов измерения углов атаки в АДТ Т-106: отчет о НИР/ Горбушин А.Р. - ЦАГИ, НИО-2 Инв. №11564. 2007. - 70 с.].

Таблица 3.4 - Измерительные преобразователи углового положения изделий

Тип датчика А17 одноосе-вой элек-троме-ханиче-ский QA-300 одноосе-вой элек-троме-ханиче-ский JA-5H175 одноосе-вой элек-троме-ханиче-ский ИПД-9 три одноосе-вых микро-механических ZCTJ-NQQ-IA двухосе-вой микро-механический SCA125T-D08-A двухосевой микромеханический 2ADXL203 двухосевой микромеханический ТДУ-3 одноосевой тензомет-рический

Разработчик РПКБ (Россия) Honewell (США) (Япония) (Россия) Shanghai Zhichuan Electronic (Китай) VTI Technologies (Канада) ФГУП «ЦАГИ» (Россия) ФГУП «ЦАГИ» (Россия)

Диапазон углов ±20° ±20° ±20° ±90° ±60° ±30° ±20° ±40°

Погре-ность измерения ±0,01° (36») ±0,01° (36») ±0,01° (36») ±0,1° (360») 180» 130» ±30» 0,05° (180»)

Выход Аналоговый Аналоговый Аналоговый Цифровой Цифровой (RS485) Цифровой (RS485) Аналоговый цифровой (RS485) Аналоговый

Частотный диапазон, Гц 1000 300 500 500 500 500 500 2

Габаритные размеры, мм 24x24x23,7 - 29,5x29,5x 19 45x35x20 36x32x12 38x41x15 34x20x7 50x60x70

Вес, г 60 71 50 - - - 14 300

3.4.1 Измерительные преобразователи углового положения модели на основе микромеханических акселерометров

Одним из направлений повышения точности, уменьшения габаритов, веса и стоимости является разработка измерительных преобразователей углов положени моделей на основе микромеханических акселерометров, построенных по МЭМС технологии [66, 67].

Для решения задачи повышения точности углового положения модели, под руководством и непосредственном участии автора, разработаны и исследованы прецизионные, двухка-нальные, миниатюрные, встраиваемые в модель датчики углового положения с аналоговым и цифровым выходом на основе двухосевого микромеханического акселерометра.

Известны отечественные разработки измерителей углов на основе микромеханических акселерометров [68, 69], а также зарубежные двухосевые датчики углов SCA125T-D08-A (VTI Technologies, Канада), ZCT260J-NQQ-IA (Shanghai Zhichuan Electronic, Китай).

Предложенные структурные и схемотехнические решения (см. гл.2, раздел 2.1.3) позволили создать датчики с высокими метрологическими характеристиками и широкими эксплута-ционными возможностями [70, 21].

Двухосевой датчик углового положения с аналоговым выходом 2ADXL203/A. Датчик углового положения изделия 2ADXL203/A (рисунок 3.6) содержит два двухосевых акселерометра ADXL203, установленных на противоположные стороны базового основания (платы) таким образом, что их одноименные оси чувствительности (Х1, Х2 и Y1, Y2) направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные (Х1, Y2 и X2, Y1) - в противоположные стороны. В этом случае полезные выходные сигналы акселерометров AX1, AX2 и соответственно AY1, ÄY 2 имеют противоположную полярность.

К высокоомным выходам акселерометров (20 кОм) подключены буферные измерительные усилители (AD8676) с низкоомным выходным сопротивлением, а также конденсаторы (С2), определяющие полосу рабочих частот датчика. Выходные сигналы акселерометров

X1 = X 1н +Ax1, X2 = X2н -Ax2 и Y1 = Y1H + AY1 , y2 = y2 - ay2 через буферные измерительные усилители подаются на соответствующие дифференциальные входы BX1, BX2 и BY1, BY2 аналого-цифровых преобразователей. Во входных дифференциальных цепях АЦП начальные сигналы акселерометров X 1н, X2 н и Y1M, Y2н одного знака, существенно зависящие от температуры, взаимно компенсируются и выделяются полезные удвоенные дифференциальные сигналы (AX1), (-AX 2) и (AY1), (-AY 2).

Схемотехническое построение датчика повышает чувствительность и точность измерения углов, уменьшает температурную погрешность, повышает помехоустойчивость измерений.

Исследование метрологических характеристик датчика 2ЛБХЬ203/Л. Разработана методика исследований метрологических характеристики датчиков 2АОХЪ203/А, посредством их градуировок с помощью образцовых средств задания угла и измерения выходных сигналов прецизионным многоканальным АЦП с дифференциальными входами.

Средства градуировки (задания угла): синусная линейка ЛС-1 (200*120 мм) 2-го класса точности (<8") № Г258; меры длины концевые плоскопараллельные № 325002; модуль АЦП АОС6 (погрешность ±0,01.. .±0,02%).

Расчет ступеней градуировки приведен в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Расчет ступеней градуировки

о а . Г к Л Б1П а = 1 — 1 1Ь ) к = Ь 81п ос (мм) к' (мм) . ' Г к'Л ъта =1 — 1 1Ь ) а' (агсвта')

3 0,05234 10,468 10,5 0,0525 3,009°

6 0,1045 20,91 20,9 0,1045 5,998°

9 0,1564 31,28 31,3 0,1565 9,004°

12 0,2079 41,58 41,6 0,208 12,005°

15 0,2588 51,76 51,8 0,259 15,011°

Ь - длина образующей синусной линейки ( Ь = 200 мм);

к' - длина выбранных концевых мер. Условия градуировки: температура окружающей среды - 20 ± 5°С; относительная влажность не более 80%.

В таблице 3.6 приведены погрешности аппроксимации градуировочных характеристик

2 3

датчиков полиномом вида у = а0 + а1а + а2а + а3а , где у - выходные сигналы датчика в

мВ, а - значение заданного угла наклона в угловых градусах (прямая функция преобразования).

Таблица 3.6 - Погрешности аппроксимации датчиков угловых перемещений

2А0ХЬ203/А при использовании прямой функции преобразования

№ датчика Ось чувствительности Дата Диапазон градуировок (угл. Град) Абсолютная погрешность (угл. Сек) Примечание

№ 1 X 26.04.11 -15...0...+15 23,76 Схема с двуполярным питанием буферных измерительных усилителей и датчиков.

У 25.04.11 26,3

№ 2 X 28.04.11 -15...0...+15 23,76

У 28.04.11 26,3

№ 3 X 06.05.11 -15...0...+15 25,5 Схема с однополярным питанием буферных измерительных усилителей и датчиков.

У 06.05.11 38,6

Для сравнения проведена обработка данных с использованием компьютерной програм-

мы, аппроксимирующей зависимость угла отклонения а от значения выходного электрического

сигнала у (мВ) датчика: а = Ь0 + Ь1 у + Ь2у + Ь3у (обратная функция преобразования) и вычислены погрешности аппроксимации в угловых секундах.

Погрешности аппроксимации, полученные при использовании обратной функции преобразования, приведены в таблице 3.7.

0№5-Ю шк

Рисунок 3.6 - Схема электрическая датчика углов положения с аналоговым выходом на

основе микромеханических акселерометров Таблица 3.7 - Погрешности аппроксимации датчиков угловых перемещений 2ADXL203/A при использовании прямой функции преобразования

№ датчика Ось чувствительности Дата Диапазон градуировок (угл. Град) Абсолютная погрешность (угл. Сек) Примечание

№ 1 X 26.04.11 -15...0...+15 25,0 Схема с двуполярным питанием буферных измерительных усилителей и датчиков.

У 25.04.11 23,0

№ 2 X 28.04.11 -15...0...+15 22,7

У 28.04.11 22,3

№ 3 X 06.05.11 -15...0...+15 36,4 Схема с однополярным питанием буферных измерительных усилителей и датчиков.

У 06.05.11 37,8

Согласно данным, приведенным в таблицах 3.4 и 3.5, расхождения в величинах погрешностей аппроксимации у датчиков № 1 и № 2 незначительны и лежат в диапазоне 22,3"-26,3". Погрешности аппроксимации датчика № 3 с однополярным питанием буферных измерительных усилителей и датчика выше приблизительно на 30%. Исследования температурной погрешности датчиков 2АЭХЬ203/А проводились в диапазоне температур 20°С.. .50°С. Датчики помещались в термостат. Углы положения датчика относительно осей чувствительности X и У вычислялись с помощью обратной функции преобразования, полученной по массиву данных градуировок для определения прямой функции преобразования.

На рисунках 3.7 и 3.8 приведены графики погрешности измерения угла, в зависимости от

температуры, при различных углах положения датчиков по двум осям (X, У) № 1, № 2. Как следует из графиков, погрешность измерения угла в диапазоне температуры от 20°С до 50°С и углов положения в диапазоне от 0 до 60° не превышает 40" (угловых секунд).

15

10

5

1° -5

-10 -15

Датчик N01

1 \

2 1 0\

\ у /

/ /

/

1-Х -2,7° 2 - У = 3,6°

20 25 30 35 40 45 50 Т,*С

Рисунок 3.7 - Графики погрешности измерения углов положения датчиком 2АЭХЬ203/А

№ 1 в зависимости от температуры в диапазоне углов до 10°

20 15 10

5

V 0

£ -5 <

-10 -15 -20 -25

х\ 1

Л датч л<с г« г.

N

\

\

\

\