Универсальный прецизионный мехатронный стенд с инерциальными чувствительными элементами для контроля гироскопических измерителей угловой скорости
измеритель линейного ускорения функционально-кинематическая схема измеритель угловой скорости инерциальный чувствительный элемент прецизионный мехатронный стенд
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для   испытаний  гироскопических измерителей угловых скоростей  различного класса и принципа действия  для аттестации по их статическим (масштабному коэффициенту) и динамическим характеристикам путем  задания угловых скоростей как постоянных по величине, так и изменяющихся по произвольному закону. 
Задачей настоящего изобретения является разработка прецизионного стенда,  принадлежащего к новому классу испытательных средств, представляющих собой совре-менную мехатронную систему, поскольку для обеспечения высокой стабильности зада-ния угловых скоростей постоянных по величине, (что необходимо для обеспечения высо-кой точности определения  масштабного коэффициента  испытуемых измерителей угло-вой скорости), управление двигателем стенда осуществляется по информации инерци-альных чувствительных элементов, охваченных собственной обратной связью, содержа-щей фильтры для вырезания помех, возбуждаемых аэростатическим подвесом  и измеря-ющих заданную от управляющего компьютера угловую скорость вращения  платформы, на которой закреплен аттестуемый измеритель.  
В системе управления двигателем стенда организовано сравнение  величины угло-вой скорости вращения платформы, измеренной инерциальными измерителями, с вели-чиной  угловой скорости, заданной управляющим компьютером, и внесение в управляю-щее воздействие,  подаваемое на двигатель, соответствующей корректирующей поправки, что и обеспечивает высокую стабильность  вращения платформы с заданной угловой ско-ростью. 
Поставленная задача достигается тем, что в качестве инерциальных измерите-лей используются два измерителя угловой скорости и две тройки измерителей линейного ускорения (акселерометров), измеряющих тангенциальное и центростремительное уско-рения точек их крепления к платформе стенда, оси чувствительности каждой тройки ак-селерометров расположены под углами 120 градусов друг относительно друга. В качестве первого измерителя угловой скорости (ИУС1) используется прецизионный измеритель угловой скорости, обладающий широким диапазоном измерения угловых скоростей (ла-зерный (ЛГ), волоконно-оптический (ВОГ), волновой твердотельный (ВТГ), измеритель угловой скорости на основе эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМГ)) с достаточно широкой полосой пропускания, в обратную связь которого введён фильтр, обеспечиваю-щий вырезание высокочастотных помех, возбуждаемых аэростатическим подвесом, а в качестве второго измерителя угловой скорости (ИУС2) используется  прецизионный по-плавковый гироскопический измеритель угловой скорости с газодинамической опорой ротора и магнитным центрированием его подвеса (ДУС с ГДО), обладающий узким диа-пазоном измерения угловых скоростей и достаточно узкой полосой пропускания, в об-ратную связь которого введен фильтр, обеспечивающий вырезание низкочастотных по-мех, возбуждаемых аэростатическим подвесом,   причём оба измерителя угловой скоро-сти могут работать как инерциальные чувствительные элементы стенда, так и находиться в режиме «самоконтроля».
  В качестве прецизионного измерителя линейных ускорений, измеряющего тан-генциальное  ускорение точек их крепления к платформе стенда, используется прецизи-онный измеритель линейных ускорений, обладающий узкой полосой пропускания и не-большим диапазоном измерения ускорений для измерения и компенсации колебаний платформы от вредных моментов по оси вращения, а в качестве прецизионного измерите-ля линейных ускорений, измеряющего центростремительное ускорение точек их крепле-ния к платформе стенда используется прецизионный измеритель линейных ускорений, обладающий широкой полосой пропускания и большим диапазоном измерения ускоре-ний для измерения центростремительного ускорения, в усилители обратной связи изме-рителей тангенциального ускорения введены фильтры, вырезающие низкочастотные по-мехи, возбуждаемые аэростатическим подвесом, а в усилители обратной связи измерите-лей центростремительных ускорений введены фильтры, вырезающие высокочастотные помехи, возбуждаемые аэростатическим подвесом.
В качестве измерителя угла используется угловой энкодер, информация которого вводится в управляющий компьютер.
Разработанный стенд отличается от прототипа и аналога тем, что может работать в пяти режимах: 
1 режим: от 0.001 до 1 º/с, когда в качестве чувствительных элементов  работают изме-ритель угловой скорости ИУС2, в качестве которого используется поплавковый ДУС с ГДО,  три акселерометра, измеряющих тангенциальное ускорение точек их крепления к платформе стенда, и угловой энкодер, причем верхний диапазон измерения 1 определя-ется диапазоном измерения угловой скорости ДУС с ГДО, который может колебаться в зависимости от конструкции и точностных характеристик прибора от 0,5 до 3 º/с;
2 режим:  от 1 до 2 º/с, когда в качестве чувствительных элементов  работают  тройки акселерометров, измеряющих тангенциальное и центростремительное ускорения точек их крепления к платформе стенда, измеритель угловой скорости ИУС1 , в качестве кото-рого могут быть применены ЛГ, ВОГ, ЯМГ и ВТГ и угловой энкодер, причем диапазон  2 определен верхним пределом измерения ИУС1 – в случае, если применяются ВОГ и ЛГ, то он определен верхним пределом измерения данного типа приборов, т.е. угловыми скоростями порядка 400 – 500 º/с, а когда применяются ВТГ в режиме интегрирующего гироскопа и ЯМГ, то – угловыми скоростями порядка 2500 – 3000 º/с, также определен-ными верхним пределом диапазонов измерения данных приборов.
3 режим: от 2 º/с до 4000 – 5000 º/с, когда в качестве чувствительных элементов рабо-тают  тройки акселерометров, измеряющих тангенциальное и центростремительное ускорения точек их крепления к платформе стенда и угловой энкодер, причем верхний диапазон измерения определен диапазоном измерения прецизионного центростреми-тельного акселерометра, который может достигать уровня 50 – 60 g при сохранении вы-соких точностных характеристик по масштабному коэффициенту и погрешности нулево-го сигнала;
4 режим: от 4000 – 5000 º/с   до 10000 º/с , когда в качестве чувствительных элементов работают тройка акселерометров, измеряющая тангенциальное ускорение точек крепле-ния акселерометров к платформе стенда, и угловой энкодер.
5 режим: - режим калибровки  стенда, когда измерители угловой скорости  ИУС1   и ИУС2  работают поочередно в режиме «самоконтроля» и информация снимается пооче-редно с каждого ИУС и сверяется с информацией с углового энкодера.
Процессор находится в мультиплексной связи с управляющим компьютером. В компьютер от процессора поступает информация по величине измеренной инерциальны-ми измерителями угловой скорости, от энкодера  поступает информация по величине уг-ла разворота платформы, что позволяет в компьютере  осуществлять дополнительное уточнение величины измеренной угловой скорости; в компьютер поступает выходная информация испытуемого  измерителя угловой скорости и рассчитывается  его масштаб-ный  коэффициент. Введение цифровой системы управления позволяет без перепроекти-рования  перестраивать систему  управления путем перепрограммирования процессора с целью формирования (при необходимости) новых регуляторов, причем смена инерциаль-ных чувствительных элементов не приводит к существенным изменениям структуры ре-гулятора, а необходимое качество регулирования осуществляется перепрограммировани-ем коэффициентов цифрового регулятора системы управления двигателем стенда, что существенно унифицирует конструкцию по сравнению с имеющимися аналогами. 
Кроме того, в предлагаемый стенд введен целый ряд технических решений, направленных на разгрузку оси вращения платформы  от вредных моментов, создаваемых трением в опорах подвеса и в коллекторе подвода питания. Эффект достигается за счет использования аэростатического подвеса вала вместо механизма отслеживания, приме-ненного в прототипе, кроме того, для ослабления влияния момента трения от щеток кол-лектора, информация от инерциальных чувствительных элементов передается в управля-ющий процессор по беспроводному передатчику сигналов, что уменьшает количество контактных колец и щеток коллектора и уменьшает момент трения по оси подвеса стен-да.
Таким образом, предлагаемый стенд обеспечивает  повышение стабильности зада-ваемой угловой скорости, позволяет осуществлять смену инерциальных чувствительных элементов без изменения конструкции стенда, расширяет как диапазон измеряемых угло-вых скоростей, так и улучшает точностные характеристики стенда, позволяя испытывать с высокой точностью гироскопические измерители угловой скорости различного класса и принципа действия.
Военно-технический рост РФ в случае перехода на указанный принцип построения контрольно-измерительной аппаратуры для измерителей угловой скорости (ИУС) обусловлен тем, что бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) ныне применяются практически везде в современных системах управления: в ракетно-космической, авиационной, морской и наземной технике, в системах инклинометрии и контроля состояния трубопроводов, в беспилотных летательных аппаратах, крылатых ракетах и иных системах. Причем с каждым годом точностные характеристики ИУС по погрешности масштабного коэффициента и смещения нуля приборов повышаются, поэтому требуются все более точные системы контрольно-измерительной аппаратуры, позволяющие измерить эти параметры. Именно к такой аппаратуре и принадлежат рассмотренный прецизионный мехатронные стенды.
Кроме того, использование результатов может обеспечить реализацию приоритетов научно-технологического развития РФ и заключается в том, что сформирована общая концепция построения прецизионных поворотных стендов как современных мехатронных систем с использованием современных инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) с цифровыми системами управления (ЦСУ), обеспечивающих точностные характеристики системы за счет комплексирования первичных измерителей различной физической природы (ИУС на новых физических принципах, измерители линейных ускорений (ИЛУ) также на различных физических принципах, оптические датчики угла и алгоритмы цифровой обработки информации и цифровые регуляторы, программируемые в процессор ЦСУ), обеспечивающие в комплексе точностные характеристики стендов на порядок точнее, нежели у поверяемых приборов, что позволяет сформировать по указанному принципу как государственный первичный эталон задания и хранения угловой скорости, так и иерархически подчиненные ему эталоны. Таким образом, предполагаемый принцип позволяет создавать прецизионные стенды с ЦСУ и ИЧЭ как для метрологических институтов (первичные эталоны), так и для промышленных предприятий (иерархически подчиненные им эталоны). Все это позволит создать единую систему построения эталонов задания и хранения угловых скоростей, что позволит РФ стать одним из мировых лидеров в данной области техники.
59.13.21
Технология и оборудование для испытания и контроля качества приборов
28.15.15
Линейные детерминированные системы
28.17.19
Математическое моделирование
Дмитрий
Калихман
Михайлович
"Доктор технических наук"
"Отсутствует"
"AAB-9817-2021"
"37013429100"
"335911"
"https://www.sstu.ru/teachers/1797-kalikhman_dmitriy_mikhaylovich.html"
"0000-0002-3295-2108"
РОССИЯ
Екатерина
Депутатова
Александровна
"Кандидат технических наук"
"Отсутствует"
"AAB-9176-2021"
"37087025100"
"1171044"
"https://www.sstu.ru/teachers/6201-deputatova_ekaterina_aleksandrovna.html?ysclid=lsuok6okxh746149143"
"0000-0001-8870-8107"
РОССИЯ
Валерий
Горбачев
Олегович
"Кандидат технических наук"
"Отсутствует"
"-"
"-"
"-"
"https://www.sstu.ru/obrazovanie/instituty/immt/struktura/kafedry/tmm/"
"-"
РОССИЯ
Светлана
Пчелинцева
Вячеславовна
"Кандидат технических наук"
"Доцент"
"AAD-7509-2021"
"56368530900"
"417234"
"0000-0003-0230-780X"
РОССИЯ
РНФ
Российский научный фонд
1137799022261
Организация
Организации, учрежденные юридическими лицами или гражданами, или юридическими лицами и гражданами совместно
Фонды
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А."
1026403341139
СЕРГЕЙ
НАУМОВ
ЮРЬЕВИЧ
Организация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральные государственные бюджетные учреждения