Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Чувствительные элементы систем инерциальной навигации. принципы построения, технические требования, анализ погрешностей 14
1.1. Основные принципы построения систем инерциальной навигации 14
1.2. Взаимосвязь погрешностей инерциальных систем с параметрами, определяемыми чувствительными элементами 23
1.3. Принципы построения стабилизаторов направлений, как основной части ИС, на основе твердотельных гироскопов 27
1.4. Гироскопы с жидкостным заполнением 33
Выводы по разделу 1 35
ГЛАВА 2. Анализ погрешностей в системах измерения угловых и линейных перемещений 36
2.1. Постановка задачи... 36
2.2. Источники методических и инструментальных погрешностей гироскопического безопорного датчика угла 33
2.3. Интегральная коррекция гиродатчика угла 44
2.4. Погрешности БЦИЛ 45
2.5. Динамические погрешности прецизионных датчиков угла 47
2.6. Анализ и оценка инструментальных погрешностей угловых и линейных перемещений ротора криогенного сверхпроводящего гироскопа (КСГ) 49
Выводы по разделу 2 70
Глава 3. Многовариантный сравнительный анализ емкостных радиофизических методов измерений малых перемещений твердотельных поверхностей 72
3.1. Оценка точности преобразований сигналов и выбор критериев оценки по соотношению сигнал/шум 72
3.2. Включение емкостного датчика в последовательную RC -цепь с источником постоянного напряжения 74
3.3. Включение емкостного датчика в цепь колебательного контура с источником переменного напряжения 77
3.4. Включение емкостного датчика в колебательный контур с резонансом токов 80
3.5. Включение емкостного датчика в цепь регенерации электрических колебаний 85
3.6. Построение емкостных датчиков с переходным электродом 88
3.7. Сравнительные оценки чувствительностеи различных схем включения емкостных датчиков 90
3.7.1. Сравнительные оценки амплитудных чувствительностеи емкостных преобразователей 90
3.7.2. Сравнительные оценки фазовых чувствительностеи емкостных преобразователей перемещений 91
3.8. Виды случайных шумов емкостных преобразователей перемещений 92
3.8.1. Тепловой шум емкостного преобразователя с постоянным электрическим смещением 95
3.8.2. Шум емкостного преобразователя на основе последовательного резонанса 99
3.8.3. Шум емкостного датчика на основе параллельного резонанса 99
3.9. Сравнительные оценки отношений сигнал/шум для амплитудных уровней 100
3.10. Амплитудно-фазовые преобразования сигналов емкостных датчиков перемещений 101
3.11. Тепловые шумы емкостных преобразователей с частотно-фазовым съемом информации 104
3.12. Общая оценка разрешающей способности емкостных методов измерений смещений, определяемая их тепловым шумом 106
3.13. Измерительные возможности дифференциальных включений емкостных датчиков 108
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. Фазометрические измерения вектора состояния подвижных элементов инерциальных устройств на основе емкостных радиографических датчиков 112
4.1. Статистические методы преобразования первичной информации от емкостных датчиков 112
4.2. Сравнение особенностей преобразования широкополосных и узкополосных сигналов 115
4.3. Метрологические оценки преобразований узкополосных процессов 118
4.4. Оптимизация приема информационных сигналов 122
4.5. Фазовые преобразования угловой направленности колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа 124
4.5.1. Квадратурный метод фазовых преобразований 124
4.5.2. Следящий фазовый преобразователь волнового твердотельного гироскопа 129
4.6. Сравнительные особенности квадратурной и следящей схем преобразования фазовой информации в ТВГ 133
4.7. Сравнительные оценки точностей следящего и разомкнутого фазовых методов преобразования информации в волновом гироскопе 137
4.7.1. Влияние синхронной тональной помехи, на точностные возможности фазовых измерителей в Т В Г 139
Выводы по главе 4 147
ГЛАВА 5. Фазометрические методы съема информации о динамическом состоянии роторов безопорных гироскопов на основе емкостных чувствительных элементов 147
5.1. Качественные оценки обоснованности применения радиофизических методов определения вектора состояния роторов гироскопов с безопорным подвесом 147
5.2. Двухкоординатный фазовый измеритель углов прецессии ротора безопорных гироскопов 153
5.3. Потенциальная погрешность оценки фазы квазигармонического сигнала в условиях действия аддитивной и мультипликативной помех 158
5.4. Нелинейность статических характеристик емкостных датчиков 165
5.5. Экспериментальные исследования 166
5.5.1. Имитаторы угловых положений ротора 166
5.5.2. Конструкции двухкоординатных емкостных датчиков угловых прецессий роторов с безопорным подвесом 167
5.5.3. Принципиальная схема имитатора угловых движений ротора с емкостным преобразованием его движений 167
5.6. Основные устройства электронных преобразований 170
5.6.1. Резонансный усилитель 170
5.6.2. Детектор 173
5.6.3. Селективный фильтр 173
5.6.4 Синхронный детектор 175
5.7. Результаты экспериментальных измерений 176
Выводы по главе 5 181
Заключение 182
Список использованной литературы 185
Приложение (Технический акт)
- Принципы построения стабилизаторов направлений, как основной части ИС, на основе твердотельных гироскопов
- Анализ и оценка инструментальных погрешностей угловых и линейных перемещений ротора криогенного сверхпроводящего гироскопа (КСГ)
- Включение емкостного датчика в цепь колебательного контура с источником переменного напряжения
- Сравнение особенностей преобразования широкополосных и узкополосных сигналов
Введение к работе
Задача получения информации о положении и динамическом состоянии материальных тел в пространстве является одной из важнейших в науке и технике измерений. Наиболее жесткие требования к качеству измерений предъявляются в системах, решающих навигационные задачи по определению навигационных параметров летательных аппаратов, морских судов, подводных лодок и т.п., подвижных объектов. При существующем уровне развития техники эти системы могут обеспечить достаточно высокую точность навигации, которая ограничивается практически только точностью датчиков первичной информации. В тех случаях, когда навигационные задачи решаются только внутренними средствами (без обращения к внешним ориентирам) инерциальные системы называются автономными. Потребность в автономных инерциальных системах вызвана либо невозможностью получения необходимых сведений с помощью неавтономных систем, например, радиотехнического или оптического типов, либо повышенной сложностью получения навигационных данных другими методами. Аналогичные ситуации возникают при геофизических исследованиях. При вождении подводных и надводных объектов вдали от дополнительных источников информации или при невозможности ими пользоваться, а также при управлении и стабилизации летательных аппаратов и т.п.
Основу действия приборов и устройств инерциального типа составляет получение измерительной информации в виде параметров вращательного движения некоторых опорных масс и их линейных ускорений. Полученной информации, в рамках Ньютоновских представлений, оказывается достаточно, например, для полного описания динамического состояния объектов. [25]
Необходимая информация выдается первичными инерциальными чувствительными элементами (ИЧЭ), обычно выполненными в виде
гироскопов, датчиков угловых скоростей, датчиков угловых ускорений и датчиков линейных ускорений.
Наибольшее применение на практике нашли чувствительные элементы с быстровращающимся ротором. Качественный уровень таких устройств оказался ограниченным технологическими проблемами создания равножестких и сбалансированных конструкций, а также сложностью устранения сил трения в опорах. Доводка классических гироскопов идет по пути разработки безопорных подвесов, в том числе с использованием электромагнитных полей. [18-22]
Необходимость проведения поисковых работ определена тем, что отмеченные факторы оказывают основное влияние на точностные характеристики ИЧЭ, вызывая ошибки местоопределения объектов в целом.
Наряду с традиционными исследованиями, ведутся поиски новых физических идей построения инерциальных датчиков и способов их технической реализации. Примером может служить создание гидродинамических и лазерных гироскопов. [29]
Пристальнее внимание, уделяемое криогенным сверхпроводящим гироскопам (КСГ) обусловлено известными их преимуществами по сравнению с другими безопорными гироскопами. Однако, при создании КСГ приходится решать ряд сложных проблем, одна из которых - формирование и разработка систем управления. Здесь под системой управления будем подразумевать совокупность средств, обеспечивающих:
получение информации о положении, угловом движении и движении центра масс сферического ротора;
исследование этой информации для управления движением центра масс и угловыми движениями (в частности, для коррекции положения оси ротора);
выставку оси ротора;
разгон ротора до номинальной частоты вращения и, в случае необходимости, поддержание частоты вращения.
Криогенные гироскопы должны удовлетворять ряду общих и специфических требований, с которыми тесно связаны требования к системе управления и ее элементам. Сформулируем эти требования:
Случайная составляющая скорости ухода оси ротора не должна превышать Ю-4 гр/час.
Несферичность ротора не должна превышать 0,5 мкм.
Погрешности измерения угловых положений оси ротора не должны превышать 2-3".
Погрешности измерения положения центра масс ротора не более 0,2 мкм.
Полосы частот датчиков угловых положений и положения центра масс для сигналов в контурах управления порядка 10-15 Гц, а в контурах измерения (измерение направлений, ускорений и др.) не более 3-5 Гц.
Датчики информации не должны оказывать заметного силового и энергетического влияния на ротор КГ. Силовое воздействие может вызвать уход оси ротора, энергетическое разрушение сверхпроводимости.
Статическая жесткость повеса должна быть порядка 2-Ю4 н/м.
Быстродействие системы управления движением центра масс должно быть таким, чтобы исключить касание ротора о корпус при резких ударах. Это будет обеспечено при времени регулирования порядка Тр = 0,04 - 0,05 с.
По вопросам исследования элементов и систем управления КГ имеется ограниченное число работ. Наиболее обстоятельно исследованы датчики информации об угловом положении оси ротора. В настоящее время считается, что наиболее перспективными являются оптические и емкостные датчики. Другие элементы систем управления КСГ исследованы менее обстоятельно. [5-6]
В данной работе ставятся следующие задачи: теоретическое и экспериментальное исследование датчиков информации об угловых и линейных перемещениях; разработка принципов построения искомых решений этих датчиков; исследование особенностей использования датчиков в контурах измерения и управления.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Во введении дано обоснование выбора темы диссертационной работы и кратко сформулированы основные положения, составляющие предмет проведенных исследований.
В первой главе дан анализ основных принципов построения систем инерциальной навигации и чувствительных элементов систем, показано их место и целесообразность применения в инерциальных навигационных системах (ИНС), отмечены сравнительные особенности их технического выполнения и эксплуатации. Показано, что точность ИНС ограничивается точностью датчиков первичной информации в связи с чем, главные пути совершенствования инерциальных датчиков связаны с решением проблем технологичности их изготовления, повышения надежности в работе и точности преобразования первичной информации.
Во второй главе исследованы методические и инструментальные погрешности чувствительных элементов ИНС на основе гироскопического безопорного датчика угла. Выявлены основные источники погрешностей. Проведена оценка погрешностей из-за влияния таких дестабилизирующих факторов как воздействие кариолисовых ускорений, дисбалансы сферического ротора и его динамические деформации и ряд других факторов. Более подробно рассмотрены инструментальные погрешности криогенного сверхпроводящего гироскопа (КСГ), вызванные дисбалансами ротора и несферичностью его наружной поверхности. Показано, что при изготовлении роторов дисбалансы могут быть довольно значительными, достигая по условному смещению центра масс в радиальном направлении 0,04 - 0,05 мм и в осевом до 0,2 мм. Динамическая составляющая неуравновешенности
ротора, оцениваемая углом несовпадения оси главного центрального момента инерции ротора и предполагаемой оси вращения, для несбалансированного ротора может составлять величину порядка 25'. Несферичность ротора, вызванная погрешностями его изготовления и сборки, может усугубляться его динамическими деформациями. Показано, что помимо осесимметричных деформаций наружной поверхности ротора в общем случае возникают осенесимметричные деформации, обусловленные конструктивными и технологическими причинами. В главе дан расчет деформаций и выработаны рекомендации по совершенствованию технологического процесса изготовления ротора.
В третьей главе диссертационной работы дан многовариантный сравнительный анализ емкостных радиофизических методов измерений малых перемещений твердотельных поверхностей. Существующее разнообразие построения емкостных датчиков вызывает необходимость их сравнения по принципиально важным характеристикам. Основными метрологическими критериями оценки технического решения являются чувствительность датчика, помехозащищенность и разрешающая способность. В данной главе представлены сравнительные оценки амплитудных и фазовых чувствительностей различных схем включения емкостных преобразователей. Показано, что для амплитудных чувствительностей сравнение схем включения емкостных преобразователей говорит об их эквивалентности, по оценке фазовых чувствительностей более эффективны генераторные схемы включения датчиков. Для оценки разрешающей способности в работе проанализированы виды случайных шумов емкостных преобразователей перемещений. Показано, что по критерию отношения сигнал/шум все рассмотренные варианты практически равноценны как при измерении амплитудных значений сигнала, так и при частотно-фазовых измерениях, что говорит об их эквивалентной помехозащищенности. Показано, что с целью повышения точностных характеристик целесообразно в допустимых пределах воздействовать на
сужение полосы частот выделения полезного сигнала и использовать дифференциальные схемы включения емкостных датчиков.
В четвертой главе дан анализ точностных возможностей широкополосных и узкополосных фазочастотных методов съема информации с емкостных датчиков малых перемещений. В работе показано, что проблемы измерений сверхмалых величин, в том числе перемещений, наиболее эффективно решается частотно-фазовыми методами. При этом в узкополосных системах, у которых прием и фильтрация сигналов с первичных преобразователей осуществляется по основным гармоникам, в отличие от широкополосных систем, процедуры по уменьшению шумов оказываются более эффективными, позволяющими в десятки раз увеличить соотношение сигнала к помехам. Доказано, что алгоритм преобразования информационного сигнала, технически реализованный в схемах квадратурного типа для процедуры фазовых измерений позволяет исключить влияние не только аддитивных, но и мультипликативных помех с произвольным законом распределения. Рассмотрена задача съема информации с твердотельного волнового гироскопа с помощью узкополосных фазочастотных методов.
В пятой главе дана оценка обоснованности применения радиочастотных емкостных методов определения вектора состояния ротора безопорного гироскопа. Представлены результаты разработки двухкоординатного фазового измерителя углов прецессии ротора, даны расчеты его метрологических характеристик. В этой же главе представлены результаты экспериментальных исследований. Теоретические исследования точностных возможностей радиочастотных емкостных методов съема информации об угловых и линейных перемещениях ротора безопорного гироскопа подтверждаются экспериментальными исследованиями с помощью разработанного имитатора КСГ. Метрологический анализ экспериментальных данных дал возможность найти разрешающую способность системы съема информации, которая составляет по угловым
смещениям порядка единиц угловых секунд, по линейным перемещениям до 1 мкм. Показана целесообразность использования и возможность технической реализации емкостных радиофизических методов системах съема информации для безопорных гироскопов.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.
Принципы построения стабилизаторов направлений, как основной части ИС, на основе твердотельных гироскопов
Общий взгляд на типовую ИС показывает, что её основу составляет базовая система координат с установленными по ее осям датчиками линейных ускорений. Базовая система координат, в свою очередь, не может быть организована без решения проблем построения вертикали и курсоуказателей, которые решаются с помощью устройства стабилизации направлений (СН). Техническое выполнение последних сводится к вопросам сохранения угловой ориентации некоторого основания в инерциальном пространстве. Многими исследованиями показано, что эта ориентация может быть обеспечена с помощью использования гироскопических свойств вращающегося твердого тела (гироскопа) или с помощью следящих устройств, управляемых сигналами от поворотных чувствительных элементов. [29]
Наиболее распространенными устройствами СН являются гироскопические устройства. Их основу составляет гироскоп в виде массивного твердотельного ротора, вращающегося с большой угловой скоростью. Такой ротор обладает свойством сохранения в абсолютном пространстве углового положения оси его вращения. Если к оси гироскопа приложить возмущающий момент Мв то она начнет совершать сложное движение, называемое прецессией. Действие последней сводится к появлению со стороны гироскопа гироскопического момента Мг, противодействующего приложенному возмущению. Характер прецессии оси гироскопа таков, что ее угловая скорость а пр ее зависит от кинетического момента H = Jp o0, где Jp - момент инерции ротора относительно оси вращения, со0 - угловая скорость собственного вращения гироскопа. Из уравнения следует, что увеличением Н можно как бы увеличить инерционность гироскопа. Под влиянием приложенного момента Мв к оси гироскопа уход её в инерциальном пространстве замедляется. После снятия возмущения движение оси мгновенно прекращается. Таким образом, прецессия гироскопа обладает безинерционностью действия во времени.
На основании указанных свойств следует: чтобы решить проблемы ориентации гироскопа с вращающимся ротором, необходимо до требуемого уровня уменьшить возмущающие моменты. Причины их возникновения связаны с принципами построения самих гироскопов и их подвесов. В тех случаях, когда гироскоп является хранителем исходного направления его оси в качестве "свободного гироскопа", он подвешивается либо в кардановом подвесе, либо в подвесах с использованием иных физических принципов (электростатический, магнитный и пр.) Общая направленность разработок подвесов сводится к устранению эффектов сухого трения и моментов "тяжения", как главных причин "дрейфа" систем ориентации. Наиболее типовой схемой СН является схема свободного (астатического) гироскопа в кардановом подвесе, показанная на рис.1.8. В нём центр масс гироскопа 1 и подвеса, состоящего из внутренней 2 и внешней 3 рамок, совмещаются, с целью исключения момента от сил тяжести. При движении основания подвеса, связанного с внешней рамкой 3, положение ротора гироскопа в инерциальном пространстве может меняться вследствие действия на гироскоп сил трения в осях подвеса и некоторой остаточной несбалансированности. Рис. 1.9. поясняет принцип действия свободного гироскопа с безопорным подвесом в магнитном поле в условиях сверхпроводимости. Подвес основан на использовании эффекта Мейснера, суть которого сводится к выталкиванию магнитного поля из сверхпроводника. В указанной схеме ротор представляет собой твердую тонкостенную сферу, изготовленную из сверхпроводящего металла (ниобия, переходящего в сверхпроводящее состояние при 9 К). Эта сфера свободно поворачивается внутри сферической полости 2 относительно неподвижной точки 0. Внутри сферы находится тяжелый обод, раскручиваемый асинхронным электродвигателем 3. В пространстве между ротором и полостью 2 корпуса создается вакуум. Корпус прибора представляет собой криогенную установку 4, заключенную в кожух 5 (сосуд Дьюара). Криогенная установка охлаждается жидким гелием и азотом и внутри прибора поддерживается необходимая температура (4-1 К). Ток, протекающий по обмоткам катушек 6, создает центрирующее магнитное поле. На поверхности сверхпроводящей сферы образуются вихревые токи, создающие магнитное поле, препятствующее проникновению магнитного поля в металл. Силы взаимодействия центрирующего поля и поля, наводимого в металле ротора, удерживают ротор во взвешенном состоянии. При установке прибора на платформе гиростабилизатора малые угловые отклонения оси собственного вращения ротора 1 относительно корпуса 4 определяются, например, с помощью оптической установки 7, фиксирующей моменты пересечения потоком света контрастных линий, спирали 9, специально нанесенной на поверхность сферы 1.
Принцип действия электростатического подвеса определяется действием электрических (кулоновских) сил на наэлектризованную сферу со стороны высоковольтного электрического поля, создаваемого системой внешних электродов. Конкретные варианты построения криогенных и электростатических гироскопов могут быть самыми разнообразными.
Современными исследованиями показано, что СН могут быть созданы с помощью следящих приводов и угловых ЧЭ. Схема такой стабилизации на основе простейших одноконтурных статических регуляторов пояснена рис. 1.10. В качестве первичных ЧЭ-I, установленных на стабилизируемой платформе 2, способной вращаться в подшипниках 3 (в абсолютной системе координат), могут быть выбраны датчики угловой скорости (ДУС) и датчики углового ускорения (ДУУ). По сигналам Uc , снимаемым с угловых ЧЭ, после предварительного их усиления усилителем 4 возникающие угловые возмущения а компенсируются приводом 5. Для указанной следящей системы можно записать:
Анализ и оценка инструментальных погрешностей угловых и линейных перемещений ротора криогенного сверхпроводящего гироскопа (КСГ)
Известно, что принцип действия КСГ основан на эффекте Мейснера, при котором магнитное поле подвеса поддерживает сверхпроводящий ротор. При этом поддерживающие ротор силы перпендикулярны его наружной поверхности. [17]. Очевидно, что несферичность наружной поверхности явится причиной возникновения уводящих моментов, т.к. в этом случае равнодействующая сил подвеса не будет проходить через центр наружной поверхности ротора. Несферичность ротора, вызванная погрешностями изготовления и сборки ротора может усугубляться его динамическими деформациями. Ниже будет рассмотрено влияние несферичности и даны расчеты динамических деформаций ротора. Отметим, что погрешности КСГ от влияния захваченных магнитных потоков, а также от магнитной анизотропии материала ротора и поверхностных потерь могут быть сведены к минимуму уже на этапе изготовления. Для этого необходимо во-первых применение сверхчистых материалов для изготовления ротора, а во-вторых тщательное экранирование в процессе достижения сверхпроводимости. Влияние отдельных составляющих неуравновешенности ротора на качество прибора различно. Ниже будет рассмотрено это влияние для каждой из составляющих неуравновешенности и намечены технологические пути повышения качества работы прибора. [2], [3]
Сферический ротор в силу конструкторских и технологических причин, анизотропии материала ротора в общем случае изготавливается неуравновешенным. При этом неуравновешенное состояние сферического ротора имеет свои особенности. Это обусловлено, во-первых, тем, что в КСГ подвес обеспечивает ротору три угловые степени свободы и при вращении позволяет ему устанавливаться таким образом, чтобы ось собственного вращения совпадала с главной центральной осью инерции ротора. Поэтому динамическая неуравновешенность в том смысле, в котором её понимают для роторов с жесткими осями, здесь отсутствует. Под динамической неуравновешенностью сферического ротора понимается такое состояние ротора, при котором имеет место угловое расхождение главной центральной оси инерции ротора с осью, задаваемой системой съема информации об угловом положении ротора, т.е. расчетной осью вращения (рис.2.4.). Кроме того, сферический ротор КСГ является составным, что обусловлено необходимостью использования для раскрутки сверхпроводящего двигателя. Одним из конструктивных элементов сверхпроводящего двигателя является стакан с прорезями, установленный в центре сферического ротора. В общем случае имеет место несовпадение главных центральных моментов инерции стакана и сферического ротора, что является нежелательным и, как это будет показано ниже, может вызвать деформацию ротора.
Рассмотрим раздельно составляющие неуравновешенности сферического ротора: статическая неуравновешенность - состояние ротора, при котором центр масс ротора (см. рис.2.5.), смещен от геометрического центра наружной сферической поверхности, являющейся несущей поверхностью. Статическую неуравновешенность можно представить суммой радиальной и аксиальной составляющих; радиальная неуравновешенность - смещение ц.м. ротора в радиальном направлении. Измерение радиального дисбаланса может быть осуществлено в статическом или динамических режимах. При измерении в статическом режиме методом маятниковых колебаний радиальный дисбаланс определяется как составляющая полной статической неуравновешенности и осуществляется на этапе предварительной балансировки. Измерение радиального дисбаланса в динамическом режиме производится путем фиксации биений наружной поверхности сферического ротора на частоте вращения. Измерение радиального дисбаланса в динамическом режиме на завершающем этапе балансировки является более предпочтительным, т.к. обладает большей точностью. Для компенсации радиальной составляющей неуравновешенности принципиально необходима только одна плоскость исправления. Но т.к. радиальный дисбаланс является не единственным видом возможной неуравновешенности ротора, необходимо наличие большего числа плоскостей исправления. Как показывают результаты работы [2] начальный радиальный дисбаланс сферического ротора может быть довольно значительным и достигать по условному смещению ц.м. ротора относительно наружной сферической поверхности 0,04 - 0,05 мм; аксиальная неуравновешенность - состояние ротора КСГ, при котором имеет место смещение ц.м. ротора вдоль оси относительно геометрического центра наружной поверхности. Аксиальная неуравновешенность обуславливает наличие систематической составляющей дрейфа гироскопа в поле ускорения. Измерение этой составляющей неуравновешенности может быть осуществлено в статическом и динамическом режимах. В динамическом режиме величина аксиального дисбаланса может быть выявлена по скорости прецессии оси ротора. Компенсация аксиальной составляющей неуравновешенности требует двух плоскостей исправления. Наличие двух плоскостей исправления, необходимо во-первьк из-за неопределенности в направлении возможного смещения ц.м. ротора, а во-вторых из-за возможности при балансировке перекомпенсации устраняемого дисбаланса. По условному смещению ц.м. ротора величина начального аксиального дисбаланса может достигать 0,2 мм (2). динамическая неуравновешенность, как уже было отмечено, для сферического ротора есть несовпадение главной центральной оси инерции с предполагаемой осью вращения. Компенсации этой составляющей неуравновешенности можно избежать, если выбор предполагаемой оси вращения производить после определения главной центральной оси инерции-ротора. Динамическая балансировка осуществляется попарным устранением расчетного количества материала в двух плоскостях исправления. Первоначальное, несовпадение осей может достигать 25 ;
Включение емкостного датчика в цепь колебательного контура с источником переменного напряжения
В качестве примера рассмотрим ротор, изготовленный из ниобия с диаметром 60 мм и толщиной стенки 1 мм, вращающийся с угловой скоростью 30000 об/мин. В соответствии с полученным решением максимальные радиальные перемещения точек ротора составляют около 40 мкм, что более чем на два порядка выше погрешностей механической обработки.
Отметим, что осесимметричная деформация сферического ротора в поле центробежных сил может быть рассчитана и учтена в конструкции прибора. Так, например, фирма Honeywell предлагает для компенсации этой деформации изготавливать ротор с такой формой криволинейной образующей поверхности, которая обеспечит ротору правильную сферическую форму при рабочей угловой скорости вращения [4]. Рассмотренная осесимметричная деформация сферического ротора не является единственно возможной деформацией в поле центробежных сил. Так, например, разностенность ротора или наличие эксцентриситета внутренней и наружной поверхностей приведет к неосесимметричной деформации. Она же имеет место для рассматриваемого составного ротора (рис.2.5.), если стакан, являющийся ротором сверхпроводящего двигателя, не уравновешен относительно оси, проходящей через центры посадочных поверхностей полой сферы.
Рассмотрим механизм возникновения напряжений в местах сопряжения стакана и полой сферы, являющихся причиной неосесимметричной деформации ротора. На рис.2.6.а показана статическая неуравновешенность стакана относительно оси посадочных мест под стакан в полой сфере, на рис.2.6.б - динамическая неуравновешенность стакана относительно той же оси. Здесь 0 - геометрический центр наружной сферической поверхности собранного ротора, 01 - центр масс ротора, 02 -центр масс полой сферы, 03 - центр масс стакана, а-а - предполагаемая ось вращения, S-S - ось главного центрального момента инерции собранного ротора, в-в - ось главного центрального момента инерции полой сферы, с-с -ось главного центрального момента стакана. Несовпадение центра масс стакана с геометрическим центром наружной поверхности, а - его главного центрального момента инерции с осью а-а является причиной возникновения сферы, влияние вышеназванных силовых факторов, а следовательно и деформации наружной поверхности ими вызванной, увеличивается. Таким образом, на этапе конструирования и изготовления геометрически стабильного ротора нельзя не учитывать это явление. Расчет деформации сферического ротора, вызванного названными факторами, задача довольно сложная. Полная система дифференциальных уравнений состоит из семнадцати уравнений, включающих в себя пять статических уравнений равновесия оболочки, составленных в соответствии с общей теорией оболочек, шесть геометрических уравнений, связывающих деформации и перемещения, и шесть физических, вытекающих из закона Гука и связывающих в алгебраической форме внутренние усилия и моменты с компонентом деформации. В практических случаях целесообразно использование численных методов расчета. Приближенное решение уравнений для вышеопределенного сферического ротора показывает появление несферичности более чем на порядок, превышающий несферичность, получаемую на этапе механической обработки. Рассмотренные погрешности КГС, обусловленные дисбалансами ротора и его динамической деформацией, позволяют дать некоторые рекомендации по выбору материалов, технологических приемов и конструктивных вариантов КГС, направленные на их уменьшение. Рассмотрим, прежде всего, пути уменьшения динамической деформации полого ротора из-за влияния несовпадения главных центральных моментов инерции полой сферы и стакана-ротора сверхпроводящего двигателя. Очевидно, что если оси главных центральных моментов сферы и стакана совпадают, и, в дальнейшем, ротор динамически не балансируется, т.е. его расчетная ось является действительной осью вращения, то динамическая деформация, вызванная вышеназванными факторами, отсутствует. Для того, чтобы после балансировки собранного ротора происходило совпадение всех трех осей целесообразна корректировка технологических процессов изготовления и сборки ротора. Корректировка заключается в следующем. Во-первых, в технологический процесс изготовления стакана вводится операция статической и динамической балансировки его относительно оси посадочных мест. Операция может быть осуществлена на обычном балансировочном станке для динамической балансировки. Кроме того, доводка наружной сферической поверхности должна производиться относительно оси посадочных мест под стакан в полой сфере, при этом эта же ось должна быть предлагаемой осью вращения, т.е. относительно нее ориентируются элементы датчика съема информации (зеркальная лыска, рисунок на роторе, электроды емкостного датчика и т.д.). Эти технологические мероприятия позволят с достаточной степенью точности совместить ось главного центрального момента инерции стакана с расчетной осью вращения, проходящей через центр наружной поверхности ротора. А поскольку балансировка собранного ротора и осуществляется относительно этой оси, то влияние несовпадения осей главных центральных моментов инерции полой сферы и стакана становится пренебрежимо малым, т.е. стабильность геометрических характеристик ротора увеличивается. Балансировка сферического ротора состоит в измерении и исправлении всех трех составляющих неуравновешенности. Целесообразна следующая структура процесса балансировки: 1. Статическая балансировка по методу маятниковых колебаний. При этом балансировка производится до достижения периода колебаний не менее 15 сек., что соответствует смещению ц.м. ротора относительно центра наружной поверхности 5 мкм. 2. Динамическая балансировка на рабочих или технологических скоростях вращения ротора. При этом производится измерение и устранение динамической и радиальной составляющих неуравновешенности.
Сравнение особенностей преобразования широкополосных и узкополосных сигналов
Основные результаты сравнительного анализа точностных возможностей широкополосных и узкополосных фазочастотных методов съема информации от емкостных датчиков малых колебательных смещений тонкостенных оболочек сводятся к ориентации на использование узкополосных информационных сигналов. Такой путь обеспечивает нормализацию реального шумового процесса в каналах его преобразования, гарантируя исключение ошибок смещений, вызванных самим методом статистических измерений, а также позволяет технически простейшими средствами подавить часть помех сужением полосы частот фильтрами приемных устройств.
В приложении к задаче съема данных с Т В Г узкополосные фазочастотные методы равноценно могут быть применены в системах как разомкнутого квадратурного типа, так и следящего фазометрического типа. Их сравнительные метрологические возможности определяются практически отношением согласно (4.61.) ті ЬХЕ1 IАЁ , где АХЁ} разрешающая способность имитатора фазовых сдвигов, аАЕ - разностная величина изменений коэффициента передачи сигналов в квадратурных каналах.
Существенные различия двух методов определены влиянием синхронной тональной помехи. Ее прохождение через паразитные каналы в схеме квадратурных преобразований вызывает мешающее действие, начиная с первичного приемника. Во втором случае эффект влияния тональной помехи может существовать только в тракте детектирования сигналов, т.е. соотношения - сигнал/шум, принципиально определяемые точностные возможности методов, в первом случае, будут формироваться на малых уровнях первичных колебаний, а во втором - на больших, что и предопределяет достоинства фазометрических систем следящего типа.
Основными представителями гироскопов безопорного типа промышленного и перспективного применения в данной работе рассматриваются криогенные гироскопы и гироскопы с газодинамическим подвесом. [37-41]. Подобные конструкции инерциальных приборов предусматривают регистрацию в них бесконтактными методами угловых и линейных смещений быстровращающихся масс. Используемые измерительные средства, с учетом принципа действия рассматриваемых гороскопов не должны оказывать обратные реакции на прибор, превышающие допустимые значения. В то же время эти средства должны обладать достаточно большой энергией по отношению к шумам и возможностями применения в них помехоустойчивых методов выделения полезной измерительной информации. Конструктивно их применение в рассматриваемых моделях должно сопровождаться простотой технической реализации и возможностью работы в специфических условиях не нарушая их. Такие средства в приложении к рассматриваемым вариантам гироскопов могут быть созданы на основе фазометрических методов преобразования первичных данных, с емкостным переходом специальной конструкции. Сравнение их точностных возможностей, например, по отношению к оптическим методам позволяет считать, что с точки зрения шумового воздействия последние должны уступать приборным устройствам емкостного типа, так как преобразование сигналов оптической природы в электрическую физически более сложный процесс, чем преобразование сигналов электрической природы.
Конечная цель поставленной задачи, определения угловых и линейных параметров смещений безопорных быстровращающихся роторов иллюстрируются рис.5.1. и 5.2. Одним из важнейших критериев сравнения емкостных методов съема информации с быстровращающихся роторов гироскопов, и в частности гороскопов криогенного типа, с оптическими методами может быть эффект теплового воздействия со стороны зондирующих сигналов. При коэффициенте отражения rj для оптических лучей энергия 9С, превращенная в тепло составит величину Схема, соответствующая условию (5.1.), показана на рис.5.1., где: 1 - ротор подвеса, 2 - источник световой энергии, 3 - луч света, 4 - отражающая поверхность, 5 - приемник света. Тепловыделение, вызванное электрическим воздействием следует учитывать при условии равенства начального уровня энергии световых волн Еос и электрической Еоэ, запасенной в емкостном переходе Тепловыделение вэ со стороны емкостного датчика связано с рассеянием энергии электрических колебаний на активном сопротивлении г емкостных электродов. Соответствующая блок-схема радиочастотного метода съема данных с подвижных роторов показана на рис.5.2. а и б. Здесь: 1 - ротор гороскопа, 2 - источник электрических колебаний, 3 - переходные емкости, 4 - переходное активное сопротивление, 5 - приемник. 2
