Датчик угловых ускорений для стендовых исследований микровибрации систем высокоточного наведения и стабилизации линии визирования научной аппаратуры

борисов м.и.

влаДыкин с.а.

Жартовский г.с.

лоЖкин Д.с.

пахмутов п.а.

почекутов Д.в.

сумароков а.в.

ФеДосеев с.в.

При наземной отработке поворотных и стабилизированных платформ космической аппаратуры возникает необходимость в оценке угловых микровозмущений, влияющих на точность наведения и стабилизации осей визирования служебного и научного оборудования. Такие микровозмущения могут возникать при работе приводов (двигатели, редукторы и т. д.) и подвижных элементов научной аппаратуры и составлять в широком диапазоне частот (от долей до нескольких сотен герц) единицы и десятки угловых секунд.

В технике широко применяются промышленные датчики угловых ускорений [1], однако при решении многих задач их использование проблематично из-за недостаточного рабочего частотного диапазона, высокого порога чувствительности, значительных массо-габаритных характеристик и низких метрологических свойств.

При создании средств навигации и устройств, обеспечивающих высокую точность их стабилизации и пространственного ориентирования, приоритетными являются однокомпонентные датчики, способные обеспечивать требуемые метрологические свойства в условиях действия многомерной вибрации.

Известным и распространенным является компенсационный метод построения однокомпонентных измерений угловых ускорений с использованием пространственно разнесенных линейных датчиков, преимущественно пьезоакселерометров. Взаимное сложение и вычитание сигналов линейных акселерометров позволяет выделить интересующую компоненту колебаний [2]. Однако, описанные в литературе многочисленные конструкции датчиков угловых ускорений, разработанных на этой основе, например, с использованием биморфных консольных пьезопластин или пакетов пьезоэлементов, нагруженных инерционными массами, практической реализации не получили. Одной из причин является то, что датчики угловых ускорений выполнены на уровне патентных разработок и не содержат апробированных конструкций или технологических приемов, гарантирующих требуемые метрологические свойства, в частности, устойчивость к воздействию линейных компонент вибрации. Отсутствие специальных мер по обеспечению точностных характеристик датчиков угловых ускорений, построенных на использовании указанного выше компенсационного метода измерений, может приводить к недостоверным результатам измерений: сигналы, генерируемые линейными датчиками за счет поступательного движения, превышают таковые на порядок и более за счет угловых ускорений [3]. Это актуализирует задачу разработки высокоточного однокомпонентного датчика угловых ускорений с использованием компенсационного метода измерений.

однокомпонентный датчик угловых ускорений

В описанном здесь датчике угловых ускорений вышеуказанные недостатки либо устранены, либо их влияние сведено к минимуму благодаря использованию линейных пьезоакселерометров с нормализованной чувствительностью и конструктивной схеме их крепления.

Датчик состоит из основания 1, двух однотипных линейных пьезоакселерометров 2, сумматора зарядов 3 и кабеля 4 для их электрической связи (рис. 1).

Рис. 1. Датчик угловых ускорений: 1 — основание; 2 — пьезоакселерометр; 3 — сумматор зарядов; 4 — кабель; 5 — красная точка; A, B — поверхности для крепления пьзоакселерометров; С — поверхность для крепления датчика угловых колебаний на объекте измерения; L — базовое расстояние

Линейные пьезоакселерометры имеют нормализованную чувствительность по заряду, отрегулированную в процессе их заводского производства на определенное круглое значение, например, 1, 10 или 1 000 пКл/мс–2 с высокой точностью. В паспортах нормализованная чувствительность каждого линейного пьезоакселерометра указывается до третьей значащей цифры [4], что позволяет подбирать однотипные пьезоакселерометры с одинаковым ее значением и отказаться от схемного или конструктивного выравнивания чувствительностей разнесенных пьезоакселерометров и, как следствие, исключать одну из существенных составляющих погрешностей измерения.

Другой важной составляющей погрешностей измерения является чувствительность линейных пьезоакселерометров к неизмеря-емым компонентам вибрации, в первую очередь — поперечная чувствительность. Для ее определения используется номограмма, показанная на рис. 2 [4].

Рис. 2. Номограмма для определения поперечной чувстви- тельности пьезоакселерометра

В зависимости от направления вектора поперечной вибрации по номограмме определяют ее долю от паспортируемого максимального значения поперечной чувствительности, установленного при заводских испытаниях. Как видно из номограммы, векторы максимальной (ось 0-180°) и минимальной (ось 90-270°) поперечной чувствительности находятся под углом 90°. Определенное при заводских испытаниях направление минимальной поперечной чувствительности отмечается на корпусе пьезоакселерометра красной точкой 5 (см. рис. 1). Следует отметить, что полярность генерируемых зарядов всех однотипных нормализованных пьезоакселерометров одинаковая как в направлении оси чувствительности, так и в поперечном направлении.

Основание 1 датчика угловых ускорений (см. рис. 1) выполнено жестким, недеформи-руемым в диапазоне измеряемых частот. Разнесенные на базовое расстояние L линейные пьезоакселерометры 2 закреплены на параллельных поверхностях А и B основания. Поверхность (плоскость) С выполнена перпендикулярно поверхностям А и В и оси измерения угловых ускорений (ось Z ). Она служит для установки датчика на объекте измерения.

Пьезоакселерометры 2 соединены электрически параллельно, их заряды по кабелю 4 поступают на сумматор 3. Для пьезоакселерометров с нормализованной по заряду чувствительностью можно не учитывать присоединенную емкость кабеля и, таким образом, не налагать ограничений на его длину [4]. В качестве сумматора зарядов может быть использован высокочастотный байонетный разъем, с выхода которого сигнал подается на стандартный измеритель заряда, используемый в технике виброизмерений.

Как следует из рис. 1, линейные пьезоакселерометры 2 установлены на основании 1 осями чувствительности встречно и параллельно оси углового измерения (ось Z ). При воздействии на основание 1 линейного ускорения (вдоль оси Y ) заряды пьезоакселерометров с нормализованной чувствительностью на сумматоре 3 взаимно компенсируются. При угловых колебаниях основания 1 (вокруг оси Z ) с выхода сумматора 3 на измеритель заряда поступает удвоенный (суммарный) заряд пьезоакселерометров 2, тем больший, чем больше базовый размер L .

Для повышения помехозащищенности датчика угловых ускорений от неизмеряемых компонент многомерной вибрации линейные пьезоакселерометры 2 закреплены на основании 1 так, чтобы оси их минимальной поперечной чувствительности (ось 90-270 ° на рис. 2) были параллельными оси измерения углового ускорения (ось Z ) с односторонним расположением красных точек 5 на корпусах, как показано на рис. 1. Это обеспечивает минимальную поперечную чувствительность датчика угловых ускорений в направлении осей Z и Х . Вдоль оси Х минимизация поперечной чувствительности обеспечивается за счет вза-имокомпенсации соответствующих сигналов пьезоакселерометров, оказывающихся в противофазе из-за разворота лепестков номограммы.

Чувствительность датчика к неизмеряемым компонентам угловых колебаний зависит от чувствительности к неизмеряемым линейным компонентам. Минимизация последней обеспечивает помехозащищенность датчика к неиз-меряемым компонентам угловых колебаний.

Для калибрования датчика угловых ускорений могут быть использованы те же средства, что и для линейных датчиков. На эталонном вибростенде задают ускорение Ẍ , м/с² одному пьезоакселерометру и с помощью измерителя заряда измеряют выходное напряжение U , В. В предположении, что второй пьезоакселерометр колеблется так же, но в противофазе, и их суммарный заряд удваивается, это равносильно действию угловых колебаний на оба датчика, разнесенных на базовое расстояние L , м и объединенных общим основанием. Тогда чувствительность датчика к угловым ускорениям составит

γ = ( Ẍ )^–1 UL,

В . с2 рад .

Среднее квадратическое значение (СКЗ) погрешности калибрования датчика с учетом характеристик эталонного вибростенда может составлять ±0,5%. СКЗ суммарной погрешности измерения угловых ускорений с помощью датчика, в котором используются линейные пьезоакселерометры с нормализованной чувствительностью, не превышает ±2,5%.

конструкция двухосной платформы наведения «монитор» и стенда обезвешивания

Разработанный ВНИИтрансмаш датчик угловых ускорений был использован для исследования микровибраций и их уменьшения при наземной отработке двухосной платформы наведения (ДПН) «Монитор». Платформа предназначена для эксплуатации в открытом космосе и закреплена на установочной поверхности Российского сегмента Международной космической станции (МКС). В ее функции входит обеспечение:

• •    точного наведения полезной нагрузки (ПН) по двум взаимно перпендикулярным осям;

• •    слежения за различными объектами и процессами в открытом космосе с установленной на платформе ПН.

ДПН может входить в состав внешнего наблюдения и обеспечивать выполнение различных операций контроля внешней поверхности МКС и действий экипажа при его работе в открытом космосе.

При использовании по назначению ДПН обеспечивает:

• •    ориентацию оси аппаратуры в заданном направлении;

• •    управление ориентацией оси аппаратуры по двум направлениям в соответствии

с траекторией, задаваемой бортовой цифровой вычислительной машиной;

• •    измерение положения оси аппаратуры по двум направлениям относительно базовой системы координат.

Двухосная платформа наведения (рис. 3) представляет собой единую конструкцию, основными узлами которой являются:

• •    блоки электромеханических приводов 6 и 10 со встроенными датчиками углов поворота и управляемыми тормозами, обеспечивающие разворот и удержание ПН вокруг двух взаимно перпендикулярных осей X (угол β ) и Y (угол α );

• •    контейнер 12 для блоков электроники и активной части системы обеспечения теплового режима;

• •    угольник 8, соединяющий приводы наведения;

• •    кронштейн 5 с тремя площадками для замков крепления ПН;

• •    панели 4 и 13 с соединителями для подключения приборов ПН к ДПН и к борту;

• •    кабельная сеть;

• •    узлы крепления ДПН в грузовом транспортном контейнере и таре.

Рис. 3. Общий вид двухосной платформы наведения (ДПН): 1 — места крепления ДПН в грузовом транспортном контейнере и в таре; 2 — крышка контейнера; 3 — транспортировочный кронштейн; 4 — панель верхняя; 5 — кронштейн; 6 — привод β ; 7 — штырь; 8 — угольник; 9 — бирка; 10 — привод α ; 11 — поручень; 12 — контейнер; 13 — панели нижние; 14 — площадка для установки замка крепления ДПН на штанге

В связи с тем, что в качестве ПН было предложено использовать телевизионную камеру высокого разрешения HRC канадской фирмы UrtheCast , возникла необходимость в оценке угловых колебаний ДПН вокруг осей X и Y и разработке мероприятий по ослаблению их влияния.

Анализ конструкции ДПН (рис. 3) показывает, что в качестве основных источников микроколебаний элементов конструкции ДПН могут выступать приводы наведения 6 и 10, содержащие электродвигатели, зубчатые соединения, подшипниковые узлы и электромагнитные тормоза, а трансформирующими к ПН микровозмущениями служат детали и узлы платформы со своим спектром собственных частот изгибных и угловых колебаний. Собственные частоты зависят от инерционных характеристик отдельных узлов, наличия зазоров в подвижных элементах конструкции, контактной жесткости сопрягаемых деталей и ряда других факторов.

Измерение угловых колебаний ДПН выполнялось с использованием разработанного ВНИИтрансмаш стенда разгрузки с системой «обезвешивания» (рис. 4). Он представляет собой жесткий портал 2, на котором закрепляется платформа 3. В нем элементы 6, 7 и 8 механизма подвеса создают разгрузочное усилие с точностью «обезвешивания» 0,1 Н. Стенд позволяет осуществить свободный поворот разгруженной части платформы относительно осей наведения в пределах углов ±175 ° . Специальный имитатор 12 служит для инерционного нагружения платформы, эквивалентного влиянию ПН.

Рис. 4. Стенд разгрузки с установленной двухосной платформой наведения (ДПН): 1 — тумба; 2 — портал; 3 — ДПН; 4 — рамка; 5 — подвес; 6 — штанга подвеса; 7 — шарнир подвеса; 8 — датчик положения по оси р ; 9 — фиксаторы; 10 — динамометр; 11 — электронный тензометричеcкий блок; 12 — имитатор полезной нагрузки; 13 — датчик положения по оси a

Угловые колебания измерялись вокруг оси Y (угол а ) с установкой датчика угловых колебаний на переходном угольнике (рис. 5, а) и вокруг оси Х (угол р ) на рамке крепления верхней панели (рис. 5, б).

а)

б)

Рис. 5. Испытания двухосной платформы наведения (ДПН) на стенде разгрузки: а — движение вокруг оси Y (угол а); б — движение вокруг оси Х (угол р); 1 — ДПН; 2 — стенд разгрузки; 3 — имитатор полезной нагрузки; 4 — датчик угловых ускорений особенности микровибраций Дпн

Результаты этих измерений использовались в качестве оценочной характеристики работы ДПН. Все изменения, вносимые в программу управления ДПН на этапе конструкторско-доводочных испытаний, сопровождались контролем и анализом параметров угловых колебаний. Они обеспечили возможность высокоточного наблюдения с борта МКС за интересующими объектами на поверхности Земли с помощью телевизионной камеры HRC с разрешением 1,5…2,0 м.

Так как устойчивость работы используемой на ДПН полезной нагрузки (телевизионная камера высокого разрешения HRC ) привязана к параметрам угловой скорости (угл. мин/с), сигнал датчика угловых ускорений однократно интегрировался. Регистрация и частотный анализ виброграмм угловой скорости осуществлялись с помощью анализатора спектра ZET -017- Т 8.

На рис. 6 и 7 представлены примеры записи виброграмм угловой скорости ДПН вокруг осей Y и Х и их амплитудно-частотных спект- ров (масштаб 0,31 угмлВ.м. син).

в)

Рис. 6. Виброграммы угловой скорости двухосной платформы наведения при движении вокруг оси Y (угол а ): a — скорость 1 °/с, с одним подключенным программным GH-фильтром; б — скорость 3 °/с, с одним подключенным программным GН-филыnром; в — скорость 1 °/с, без GН-фильтра

Приведенные на рис. 6 виброграммы соответствовали движению ДПН вокруг оси Y (угол а ):

• •    со скоростью 1 ° /с (рис. 6, а) и 3 ° /с (рис. 6, б) с одним подключенным программным GН- фильтром;

• •    со скоростью 1 ° /с (рис. 6, в) без программных GН- фильтров;

Амплитудно-частотные спектры на рис. 7 представлены для виброграмм на рис. 6 соответственно их буквенным обозначениям.

Рис. 7. Амплитудно-частотные спектры максимальных и средних значений угловой скорости двухосной платформы наведения: a — скорость 1 °/с, с одним подключенным программным GH-^ильтром; б — скорость 3 °/с, с одним подключенным программным GН-фильтром; в — скорость 1 °/с, без GН-фильтра

Как видно из приведенных данных, угловые микроколебания ДПН имеют случайный широкополосной характер с достаточно выраженными узкополосными составляющими, амплитуды и средние значения частот которых отражают конструктивные особенности платформы и режимов ее работы, являясь, таким образом, информативными признаками этих особенностей.

заключение

Таким образом, во время конструкторско-доводочных испытаний ДПН «Монитор» были проверены и положительно оценены технические возможности разработанного датчика угловых ускорений в части однокомпонентных измерений возмущений малых уровней (от долей угловых секунд) в широком диапазоне частот, целиком определяемом свойствами входящих в него линейных пьезоакселерометров и измерителей зарядов. Такой датчик может найти широкое применение при отработке других систем, например, средств навигации и оптического наведения, а также устройств, обеспечивающих высокую точность их стабилизации и пространственного ориентирования, где актуальны вопросы обеспечения точности наведения и стабилизации линии визирования научной аппаратуры в условиях действия многомерной вибрации.