Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву
Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Приборы навигации и их метрологическое обеспечениеСодержание книги
Поиск на нашем сайте Приборы навигации и их метрологическое обеспечение
Учебное пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» УДК 681.783.322.3 ББК К948я7 Д-13
Давыдов В. Б., Подгорная Л. Н., Ткаченко А. Н. Д-13 Приборы навигации и их метрологическое обеспечение: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 39 с.
ISBN Содержит материалы для подготовки к практическим занятиям по дисциплинам «Приборы ориентации» и «Метрологическое обеспечение навигационных систем». Предназначено магистрам, обучающимся по направлению «Приборостроение».
УДК 681.783.322.3 ББК К948я7
Рецензенты: кафедра аэрокосмических систем ориентации, навигации и стабилизации СПбГУАП; д-р техн. наук О.А. Степанов (ОАО «Концерн ЦНИИ “Электроприбор”»).
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Содержание Глава 1. Гироскопические вертикали (ГВ)................................................... 4 1.1. Общая характеристика................................................................... 4 1.2. Уравнение движения ГВ с постоянной коррекцией...................... 6 1.3. Об упрощениях уравнений при анализе поведения ГВ на подвижном основании.................................................................... 10 1.4. Поведение ГВ при отсутствии ускорений объекта...................... 11 1.5. Поведение ГВ при равноускоренном движении объекта постоянным курсом............................................................................. 12 1.6. Поведение ГВ при правильном вираже (циркуляции) объекта.. 15 1.7. Поведение ГВ в условиях правильного виража при выключенной поперечной коррекции................................................. 25 1.8. Влияние качки на ГВ.................................................................... 27 Глава 2. Методы и средства контроля угловых величин.......................... 30 2.1. Автоколлиматоры......................................................................... 30 2.2. Интерференционные приборы..................................................... 34 2.3. Гониометры................................................................................... 37 Список рекомендуемой литературы............................................................ 40 Глава 1. гироскопические вертикали Общая характеристика Гировертикали (ГВ) – это гироскопические приборы, которые пространственным положением главной оси гироскопа воспроизводят на борту подвижного объекта в месте его нахождения направление земной вертикали. ГВ используют для определения углового положения (ориентации) подвижного объекта относительно плоскости горизонта, то есть для определения углов дифферента и крена корабля, углов тангажа и крена самолета или аналогичных углов других подвижных объектов.
В настоящее время обычно применяют гировертикали с радиальной коррекцией. Название их связано с важной практической особенностью - после включения прибора при произвольном начальном отклонении от положения равновесия главная ось гироскопа под действием системы коррекции кратчайшим путем (на фазовой плоскости (рис. 1.1) – по радиусу r) движется к направлению вертикали. Наиболее распространенная схема ГВ с радиальной коррекцией (рис. 1.2) построена на базе трехстепенного астатического гироскопа в карданном подвесе. Оси подвеса – горизонтальны, главная ось гироскопа – вертикальна. Наружную ось подвеса ориентируют параллельно продольной оси объекта. На кожухе гироскопа устанавливают два маятниковых чувствительных элемента Маятниковый элемент В ГВ с радиальной коррекцией при повороте гироскопа вокруг наружной оси подвеса с помощью датчика момента
а б в Рис. 1.3. Виды характеристик системы коррекции Рассмотренные ГВ с радиальной коррекцией по виду характеристики системы коррекции (зависимости коррекционного момента На подвижном основании Уравнения движения ГВ (1.6) и (1.7) с учетом выбранных знаков коррекционных моментов, соответствующих устойчивому коррекционному движению гироскопа, в размерности угловой скорости получают следующий вид:
где Уравнения движения ГВ (1.8) представляют собой систему двух уравнений. С учетом предполагаемой малости углов В связи с изложенным будем пренебрегать членами При учете влияния ускорений объекта будем принимать во внимание только составные составляющие ускорений: для Кроме того, при анализе влияния той или иной причины погрешности прибора не будем учитывать влияние других причин погрешностей, то есть при рассмотрении погрешностей будем использовать принцип суперпозиции. Такой подход позволяет существенно упростить анализ различных причин погрешностей и делает полученные результаты наглядными. Постоянным курсом Предположим, что вектор линейной скорости объекта лежит в его продольной плоскости, то есть угол скольжения (дрейфа) объекта равен нулю. Тогда упрощенная математическая модель движения прибора приобретает вид
где по условию Влияние продольного ускорения
Будем считать, что постоянное ускорение
Если
При
откуда
Поскольку при
После достижения значения
После прекращения действия ускорения, то есть при Заметим, что время
Следовательно, погрешности ГВ в рассматриваемых условиях малы как при малых ускорениях вследствие малости отклонения маятника Очевидно, что существует некоторое значение ускорения, его называют критическим, при котором погрешность ГВ с постоянной коррекцией будет максимальной. Поскольку
и, следовательно,
При
Можно отметить два простых пути уменьшения влияния продольных ускорений объекта: 1) уменьшение скорости продольной коррекции; 2) выключение продольной коррекции гироскопа на время действия ускорения. Выясним, какие факторы ограничивают снизу величину скорости коррекции Влияние качки на ГВ При качке и рыскании объекта возникают знакопеременные (с частотой качки) ускорения, вызывающие раскачивание маятников системы коррекции. Колебания маятников через цепи коррекции передаются гироскопу –таков механизм влияния качки на ГВ. При составлении математической модели влияние качки и получении формулы для расчета погрешности прибора от качки ограничимся для простоты случаем одноосной бортовой качки объекта. Предположим, что вокруг продольной оси
Место установки прибора на объекте смещено вдоль нормальной оси объекта относительно его продольной оси, проходящей через центр масс, на величину
Считая, что объект движется с постоянной скоростью
где Второе уравнение (1.41) интереса не представляет. Рассмотрим первое уравнение. Если главная ось гироскопа выставлена системой коррекции в положении равновесия, то
или, с учетом (1.39), в виде
Как видно из (1.42), гироскоп по координате Наибольшие отклонения гироскопа от положения равновесия, то есть наибольшая погрешность прибора, определяется выражением
где Если
При Поскольку максимальная скорость поворота земной вертикали определяется выражением
При невыполнении условия (1.43) система коррекции может не выполнять своего функционального назначения. В режиме выставки гироскопа системой коррекции в рабочее (вертикальное) положение (после включения прибора), скорость коррекции может ограничиваться снизу также допустимым временем выставки. Мы рассмотрели влияние на ГВ одноосной регулярной качки. Очевидно, что качка объекта вокруг его поперечной оси вызывает возмущение маятника продольной коррекции и погрешности по координате В ГВ обычно используют смешанную характеристику системы коррекции, что объясняется следующими ее достоинствами: 1) отсутствием особенностей типа зоны нечувствительности или петли гистерезиса в области нуля, которые практически неизбежны при релейной (постоянной) коррекции; 2) значительно меньшей погрешностью прибора при больших возмущениях маятника системы коррекции по сравнению с линейной коррекцией; 3) простотой реализации такой характеристики. При этом выбор скорости системы коррекции сводится к выбору крутизны начального линейного участка характеристики или удельной скорости коррекции и к выбору уровня насыщения или значения постоянной скорости коррекции на участке насыщения. Скорость коррекции выбирают, исходя из условий: выполнения системой коррекции своего назначения, обеспечения заданного или желаемого времени начальной выставки прибора в положение равновесия, получения достаточно малых погрешностей прибора. Первое условие ограничивает снизу значение скорости коррекции на участке насыщения: постоянная скорость коррекции должна быть больше суммарной скорости кинематического и динамического ухода некорректируемого гироскопа, то есть должно выполняться неравенство (1.43). Время выставки гироскопа в вертикальное положение после включения системы коррекции при максимальном начальном отклонении
При известных условиях работы ГВ задачу выбора скорости коррекции можно решать строго, как задачу расчета оптимального значения скорости коррекции по критерию минимума суммарной погрешности прибора в заданных условиях. При этом под заданными условиями подразумеваются внутренние и внешние воздействия, вызывающие погрешности. Автоколлиматоры Одним из распространенных и широкоизвестных высокоточных угломерных приборов (УП), используемых в различных областях машиностроения, приборостроения, геодезии и измерительной техники является автоколлиматор (АК). АК – это оптико-электронный прибор, основанный на явлении автоколлимации. Он используется для точных измерений углового положения зеркала, закрепленного на контролируемом объекте, и может применяться для контроля прямолинейности и плоскостности направляющих (например, станка). Широкое применение АК в контрольно-измерительных устройствах обусловлено высокой чувствительностью автоколлимационного метода к незначительным поворотам отражающего зеркала. Напомним, что автоколлимация – это автоматическое возвращение светового пучка, вышедшего из фокуса объектива, обратно в фокус (то есть объединение в одном приборе коллиматора и зрительной трубы), если за объективом расположено плоское зеркало строго перпендикулярно к оптической оси. При автоколлимации происходит самонаведение посылаемого светового луча оптической системы АК на его же ось. По количеству координатных направлений, на которых производятся измерения, АК подразделяются на следующие подклассы: однокоординатные, измеряющие угловой поворот объекта в одной плоскости; двухкоординатные, измеряющие угловые повороты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; трехкоординатные, измеряющие дополнительно угол скручивания, и многофункциональные. Чем больше используется координатных направлений, тем сложнее схема и конструкция прибора. По степени участия наблюдателя в измерениях все автоколлиматоры делятся на два класса: визуальные и фотоэлектрические автоколлиматоры (ФЭАК). В ФЭАК отсчет основного параметра производится с помощью фотоэлектрических приемников без участия глаза человека, а степень их автоматизации определяется назначением и может быть различной. К техническим параметрам ФЭАК можно отнести: - величину углового диапазона, в котором производятся измерения (АК делятся на узкопольные ( - порог угловой чувствительности – угол отклонения контролируемого элемента, при котором сигнал на фотоприемном устройстве равен суммарному шуму системы; - погрешность измерений. Типичная схема ФЭАК показана на рис. 2.1. Она включает в себя излучатель 7, в качестве которого чаще всего применяется светодиод, конденсор 6, концентрирующий излучение светодиода на диафрагму 5, имеющую форму отверстия, щели или перекрестия, светоделительный кубик 3, коллимирующий объектив 2, фотоприемное устройство 4. Диафрагма 5 располагается в фокальной плоскости объектива 2 так, что на контролируемый объект 1, в качестве которого применяется зеркало или призма, падает параллельный пучок лучей.
Рис. 2.1. Схема ФЭАК Если плоскость зеркала 1 перпендикулярна падающему пучку лучей, то отраженный им пучок параллелен падающему и в обратном ходе лучей центр автоколлимационного изображения диафрагмы 5 совпадает с центром фотоприемного устройства 4. Если в качестве последнего применяется позиционно-чувствительный фотоприемник, то при этом сигнал с его выхода равен нулю. При повороте зеркала 1 на некоторый угол a отраженный им пучок лучей будет наклонен по отношению к падающему пучку лучей на угол 2a. При этом центр автоколлимационного изображения диафрагмы 5 сместится относительно центра позиционно-чувствительного фотоприемника на величину
где Вследствие этого смещения с выхода позиционно-чувствительного фотоприемника получим сигнал, пропорциональный смещению По виду обрабатываемого сигнала, несущего информацию об угловом положении контролируемого объекта относительно линии визирования, ФЭАК чаще всего является прибором, регистрирующим амплитуду сигнала. В этом случае ФЭАК характеризуются тем, что амплитуда выходного сигнала пропорциональна углу наклона объекта. Эти ФЭАК обычно строятся на основе разрезных или мозаичных фотоприемников с поперечным фотоэффектом; позиционно-чувствительных фотоприемников с продольным фотоэффектом; систем со светоделительным элементом и др. Автоколлимационное изображение делится дифференциальным фотоприемником или светоделительным элементом на несколько частей. Разности сигналов регистрируются от каждой пары частей изображения, смещенных вдоль соответствующих координатных осей фокальной плоскости объектива ФЭАК. Их достоинства: простота реализации, высокая чувствительность, хорошее разрешение, высокая точность. Недостаток: разброс и нестабильность параметров отдельных приемников. Значительная часть используемых в настоящее время АК являются аналоговыми устройствами с присущими им недостатками. В аналоговых ФЭАК, как правило, имеются оптические компенсаторы, служащие для компенсации смещений изображения. Введение компенсаторов приводит к появлению дополнительных погрешностей. В цифровых ФЭАК угол поворота контрольного элемента определяется, например, путем подсчета числа стандартных импульсов, заполняющих интервал времени между опорным импульсом и рабочим импульсом, возникающим при попадании на анализатор потока излучения, отраженного контрольным элементом. В последние годы с появлением многоэлементных фотоприемников (ПЗС-линеек и матриц) были разработаны цифровые АК нового поколения. ФЭАК с ПЗС-линейками или матрицами не требует использования компенсаторов и позволяет увеличить диапазон измерений до нескольких градусов. Благодаря более высокой разрешающей способности ПЗС по сравнению с фотодиодными аналогами и удобству связи с другими узлами измерительного или следящего оптико-электронного прибора, ФЭАК с ПЗС-матрицами вытесняют в настоящее время аналоговые АК. Современные АК (как цифровые, так и визуальные) выпускаются фирмами «Taylor Hobson» (Англия), «Logitech Inc.» (Шотландия), «Moeller-Wedel» (Германия), «Davidson Optronics» (США) и др. Основными недостатками АК являются сравнительно небольшой диапазон угловых измерений и невозможность использования для анализа высокочастотных составляющих углового движения объекта из-за сравнительно большой постоянной времени прибора. Интерференционные приборы Интерференционные УП – наиболее точные из известных в настоящее время. Явление интерференции света лежит в основе многих высокоточных измерительных систем и датчиков перемещений.
Для измерения перемещений чаще всего используют двухлучевые интерферометры. Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона (рис. 2.2). Параллельный пучок света источника L, попадая на полупрозрачную пластинку Интерферометрические приборы для измерения углового положения (перемещения) объекта строятся на основе интерферометра Майкельсона, в котором оба световых пучка направляются на одно контролируемое зеркало.
В другом методе, который применяют наиболее широко, при развороте объекта измеряется разность хода лучей посредством счета числа интерференционных полос фотоприемником. Для повышения диапазона измерений вместо контролируемого зеркала часто используют блок с двумя уголковыми отражателями (рис. 2.3).
– базу интерферометра). База интерферометра определяет его чувствительность к угловым измерениям. Однако сильное увеличение базы снижает жесткость конструкции угломерного устройства, поэтому интерферометры обычно выполняют небольших габаритов и с малым числом оптических деталей.
Современные лазерные интерферометры могут подразделяться на интерферометры без переноса спектра сигнала и с переносом спектра сигнала. Наиболее «слабым звеном» лазерных интерферометров постоянного тока (без переноса спектра сигнала) является операция формирования из аналоговых сигналов фотоприемников импульсных сигналов прямоугольной формы. Однако у таких приборов есть и преимущества – простой формирователь счетных импульсов, отсутствие ограничений на скорость перемещения подвижного отражателя и хорошая помехоустойчивость при реверсивной регистрации счетных импульсов. Появление интерферометров с переносом спектра сигнала вызвано решением задачи фильтрации шумов интерференционного фона в тракте усилителей постоянного тока с помощью смещения спектра информационных частот в область высоких частот и, таким образом, измерения перемещения с помощью «бегущей» интерференционной картины. Это дало существенные преимущества: улучшение отношения сигнал/шум, увеличение точности отсчета дробной полосы, расширение измерительных функций интерферометров. В настоящее время в промышленных лазерных интерферометрах в качестве источников света применяют одночастотные и двухчастотные He-Ne-лазеры, генерирующие излучение в видимой части спектра с длиной волны 0,63 мкм. Главным условием применения лазеров в интерферометрах является постоянство частоты излучения, которая, в свою очередь, определяется особенностями работы системы стабилизации частоты генерации. Наиболее эффективной для высокоточной интерферометрии является система стабилизации частоты с использованием в резонаторе лазера (или вне его) пассивных поглощающих ячеек, содержащих пары йода или какого-либо другого вещества с узкими линиями поглощения. Современные интерферометры выпускаются такими фирмами, как «Zygo» (США), «Hewlett-Packard» (США), «Heidenhain» (Германия), «Metra Blansco» (Чехия), «SORO» (Франция). Следует отметить некоторые существенные недостатки интерференционных УП: · Нелинейность выходной характеристики. Интерференционные УП измеряют линейные перемещения, которые затем пересчитываются в угловые перемещения через функцию арксинуса линейного перемещения, отнесенного к базе интерферометра. · Функция пересчета требует точного знания базы интерферометра, что является достаточно сложной проблемой. · В связи с расширением диапазона измеряемых углов необходима установка на объект в качестве отражающих элементов уголковых отражателей, что в ряде случаев может быть проблематично. Гониометры Рассмотрим, наконец, третью группу – гониометрические методы и средства угловых измерений. Сюда, прежде всего, следует отнести традиционный гониометр – оптико-механический прибор, предназначенный для измерения углов между плоскими полированными гранями призм, углов отклонения лучей, проходящих через прозрачные призмы и клинья, пирамидальности призм, определения показателя преломления и дисперсии оптических материалов. Измерение углов с помощью гониометров такого типа осуществляется в горизонтальной плоскости абсолютным методом путем сравнения углов с точно градуированным лимбом. Основными узлами традиционного гониометра (схема на рис. 2.4) являются лимб (круговая шкала с делениями) с осевой системой 3, предметный столик 1, на котором устанавливается контролиру
|
||||||||
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-24; просмотров: 275; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 216.73.217.39 (0.015 с.) |