Разработанное измерительное устройство обладает мировой новизной, не является прямым заимствованием у зарубежных производителей подобной техники, а представляет собой следующий шаг в развитии существующих технологий магнитного позиционирования. В качестве прототипа использована американская система "Flock of Birds" [1], существенные отличительные особенности от которой оформлены в виде заявки на изобретение. Патентование новых технических решений в данном направлении продолжается. Разработанная система обладает полным спектром технических характеристик, характерных для современных систем магнитного позиционирования. Выбранный принцип построения системы позволяет наращивать технические характеристики в различных областях применения, не изменяя общей структуры системы.
Практическая часть работы выполнена в рамках независимого инициативного проекта "МАИТЕХ", организованного на частные финансовые вложения для создания базовой отечественной системы магнитного позиционирования подвижных объектов. Автор выражает признательность и благодарность предпринимателям Михаилу Антоновичу Шарову и Петру Сергеевичу Кузину за поддержку данного проекта, а также ЗАО "Транзас" за возможность обобщения данной технологии с другими возможными направлениями применения магнитного позиционирования, в частности, в области авиационного приборостроения [8, 9].
ЛИТЕРАТУРА
1. (http://www.ascension-tech.com•./)
2. Желамский М. В. Увеличение чувствительности магнитных измерений в авионике // Авиакосмическое приборостроение. — 2004. — № 12.
3. Желамский М. В. Полное позиционирование подвижных объектов при помощи одной измерительной
системы // Авиакосмическое приборостроение. — 2006. — № 8.
4. Желамский М. В. Магнитное позиционирование в нашлемных системах // Электроника — НТБ. — 2006. - № 7.
5. Желамский М. В. Электромагнитное позиционирование — преимущества и области применения // Электроника - НТБ. - 2007. - № 3.
6. Желамский М. В. Магнитное позиционирование в системах виртуальной и дополненной реальности // Электроника - НТБ. - 2007. - № 5.
7. Семевский Р. Б., Аверкиев В. В., Яроцкий В. А. Специальная магнитометрия. — СПб.: Наука, 2002.
8. Годунов В. А., Желамский М. В., Степанов Д. В., Третьяков Д. А. Определение веса и положения центра тяжести летательного аппарата // Мехатроника, автоматизация, управление. — 2004. — № 10.
9. Желамский М. В. Почему погиб генерал Лебедь? // Датчики и системы. - 2008. - № 7.
Михаил Васильевич Желамский — канд. техн. наук, директор и научн. руководитель инициативного венчурного проекта "МАИТЕХ" (Магнитные инструментальные технологии)
® +7 921 786-35-76
E-mail: MITECH@rambler.ru, zhelamsk@rambler.ru □
УДК 681.586.2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПУТИ ОПТИМИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА. Ч. 21
А. И. Скалой
Рассмотрены вопросы оценки качества датчиков с использованием фундаментальных физических величин — энергии и информации, что позволяет объективно оценивать характеристики приборов, построенных на различных физических принципах, проводить их сравнение и оптимизировать параметры по критериям чувствительности, точности и информативности.
При традиционных способах построения электромеханических инерциальных приборов как линейных систем с обратной связью характеристики чувствительности и точности находятся в обратно пропорциональной взаимной зависимости.
Стремление увеличить чувствительность таких приборов приводит к необходимости уменьшения
1 Окончание. Ч. 1 см. в № 11 2008 г.
жесткости обратной связи и опор подвижного узла (ПУ), что, как правило, вызывает ухудшение точностных характеристик, поскольку требует использования датчиков сверхмалых перемещений, а уровень выходного сигнала становится соизмеримым с уровнем шума.
Проблема измерения сверхмалых перемещений при создании на основе планарных технологий микромеханических инерциальных приборов
(акселерометров или датчиков угловых скоростей) была частично решена с применением резонансных режимов работы, позволяющих достаточно малыми управляющими воздействиями осуществить "раскачку" ПУ. Однако анализ показал, что информационная способность приборов изменилась мало, поскольку полезный выходной сигнал ДПИ формировался в виде огибающей с амплитудной модуляцией [1].
Улучшить характеристики приборов рассматриваемого типа позволяют новые физические принципы построения, с помощью которых реализуются временные или частотные методы модуляции сигнала, формирующего первичную измерительную информацию. Один из таких принципов — использование в электромеханических приборах компенсационного типа режима автоколебаний (АК).
В технике АК используются достаточно широко, но их применение в качестве информационно-измерительного режима в приборах встречается редко.
При построении электромеханических инер-циальных датчиков, работающих в режиме АК, функции элементов в общей структуре сохраняются, однако колебательной системой становится ПУ прибора, а обратная связь приобретает силовой характер (рис. 1). ЧЭ обеспечивает взаимодействие датчика с измеряемой физической величиной Увх (процессом) и формирует входное воздействие ГПХ1 прикладываемое к ПУ. Силовая обратная связь формирует компенсирующее воздействие которое из-за наличия релейного элемента (датчика положения ДП с усилителем-формирователем УФ) имеет импульсную форму. Автоколебания ПУ поддерживаются поступлением энергии от некоторого источника, которое регулируется движением самой системы, а силы, создаваемые компенсирующим преобразователем КП, имеют знакопеременный характер.
В датчиках, работающих в режиме АК, вследствие периодического движения ЧЭ процесс измерения принципиально изменяется, поскольку регистрируемой величиной становится время, а не амплитуда перемещения. Пояснить это можно на
} Ч V
0 1 I \ I □ 0 1
А А А
а) 6)
Рис. 2. Принципы регистрации входного воздействия:
а — в приборах с аналоговым контуром; б — в автоколебательных приборах
-х0 ■ +Х0 X
*
и,
<¡1 ■- Л
31
Н. 4
7Х 1>б
ОТ!^ ,'оТ2
т2
1 3 5
Ч
и1
й '''' ' '
и1 — и2
ж
ш
и1 + и2
Рис. 1. Обобщенная структурная схема
Рис. 3. Диаграммы движения ПУ и формирования выходных сигналов
примере маятникового компенсационного акселерометра. Из рис. 2 видно, что в приборах, построенных по обычной схеме, наличие входного воздействия приводит к отклонению ПУ на некоторую малую величину, которая измеряется датчиком угла (рис. 2, а), а в АК-схеме при колебательном движении ПУ фиксируются лишь моменты прохождения последним некоторых фиксированных относительно корпуса точек А и А' (рис. 2, б). Для пояснения особенностей работы прибора на рис. 3 приведены статическая характеристика ключевого элемента, диаграмма движения ПУ и диаграмма сигнала управления, поступающего в цепь обратной связи. Как видно, переключение управляющего сигнала в цепи обратной связи происходит в точках 1, 2, 3 и т. д., а входное воздействие смещает центр колебаний ПУ и приводит к временной модуляции управляющего сигнала.
Таким образом, использование АК-режима дает возможность осуществить широтно- или частотно-импульсную модуляцию выходного сигнала. При этом регистрируемым параметром становится время, так как глубина модуляции вы-
8
Бепзогэ & Бузгетв • № 1.2009
ходного сигнала пропорциональна входному воздействию. Вид модуляции сигнала определяется физической природой измеряемого процесса. Если измеряемая величина по физической сущности отличается от параметров, определяющих свойства датчика (инерция, демпфирование, жесткость), то осуществляется широтная модуляция выходного сигнала. При совпадении физической природы входного воздействия и параметров прибора, например, при измерении сопротивления среды (сухого или вязкого трения), жесткости, инерционности и т. п. происходит изменение частоты АК-системы, пропорциональное измеряемой величине.
Пожалуй, самое существенное достоинство АК-систем, определяющее их широкое распространение в природных биологических и физических объектах [2, 3], заключается в значительно более высоких характеристиках преобразования энергии, позволяющих при значительно меньших затратах (потреблении) энергии получать большее количество информации.
Соотношение сигнал/шум у приборов, работающих в режиме АК, значительно выше, чем у приборов, построенных по традиционным схемам, поскольку отсечка времени производится в точках, где сигнал датчика положения ПУ уже имеет существенную величину. При этом отпадает необходимость измерять сверхмалые величины перемещений ПУ, как в традиционных приборах.
Наиболее рационально осуществлять построение АК-систем, реализуя композицию собственных механических колебаний ПУ с его АК. Для осуществления целенаправленного синтеза параметров нелинейной части системы, формирующей импульсы сигнала управления, наиболее удобно применение метода гармонической линеаризации [4], ибо физические предпосылки, положенные в его основу, реализуются в АК ДПИ в силу принципа их функционирования.
На основании приведенной структурной схемы, а также с учетом дифференциального уравнения, описывающего движение ПУ [5], общее уравнение движения ПУ, можно представить как
(+ 2^Тхр + 1 )(Т2р + 1)х + КФ(х, рх) = = Кх{Т2р + 1)УВХ,
где Т\, Т2 — постоянные времени ПУ и КП; с — относительный коэффициент демпфирования; Ф(л\ рх) — нелинейная функция; К, К\ — коэффициенты преобразования линейной части системы и ЧЭ. Постоянные времени Т\ и Т2 отражают инерционные свойства ПУ и КП.
Разделяя движения на медленную и колебательную составляющие, из этого выражения можно получить два уравнения вида
(т?Р2 + + 1 )(т2Р + 1 )Рх° + ад, ф°(х°) =
= ХВ(Т2Р + 1)УВХ; (7\У + 2 + 1 )(7> + 1 )рх* +
+ KNKQ
q(A, со) + ^Шр
(О
х* = О,
где Ад,- — постоянная часть коэффициента преобразования функции Ф(л\ рх); д(А, со), д'(А) — коэффициенты гармонической линеаризации; х° — величина смещения центра колебаний.
Эти уравнения дают возможность, применяя процедуру вибрационного сглаживания нелинейности, исследовать реакцию системы на статическое или медленно меняющееся входное воздействие, а также характеристики ее собственного
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.