Глава VII. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ИНЕРЦИОННОГО ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Системы отсчета и измерительные устройства. Движения тел, в том числе и вибрацию тел, можно описывать в различных системах отсчета. Но по отношению к рассматриваемому телу это могут быть только две системы отсчета: жестко связанная с движущимся телом и не связанная жестко с ним. Промежуточное положение занимают системы отсчета, имеющие общую точку с телом, которые следует относить ко вторым (например, система отсчета трехстепенного гироскопа имеет начало координат, совпадающее с некоторой точкой тела).

Измерительные устройства, действие которых основано на использовании систем отсчета, не связанных жестко с движущимся телом, называют устройствами измерения относительно назначенной (фиксированной) системы отсчета (НСО) или назначенной системы координат (НСК). Поскольку назначенные системы от счета (координат) можно условно принять за неподвижные, эти устройства называют также устройствами измерения относительно неподвижной системы отсчета (коор динат) [6]. В иностранной литературе эти устройства называют «fixed reference in btruments» [17].

В общем случае назначенные системы отсчета могут быть основными и подвиж ными, инерциальными и неинерциальными [14] (см. также гл I). Примерами устрой ства НСО являются устройства контактного и бесконтактного действия, определяющие взаимное положение тел (реостатные, емкостные, индуктивные, токовихревые датчики, в иностранной литературе их называют «proximity type transducers» [17]; локационные измерительные устройства; гироскопические измерители угловых координат и т. п.) или скорость изменения взаимного положения тел (индукционные датчики, допплеровские измерители скорости и т. п.). Все измерительные устройства НСО являются устройствами кинематического принципа действия [6], т. е. устройствами, работа которых основана на регистрации относительного движения тел.

Измерительные устройства, действие которых основано на использовании для описания движения тел систем отсчета, жестко связанных с движущимся телом, по аналогии с предыдущим можно назвать устройствами измерения относительно собственной системы отсчета (ССО) или собственной системы координат (ССК) (см также гл. VI).

Измерительные устройства инерционного принципа действия. Измерительные устройства, действие которых основано на использовании сил инерции и момешов сил ииерции, называют устройствами инерционного действия (ИД) или кратко инерционными [7, 10], (см. также гл. VI). Устройства ИД применяют, как правило, для измерения параметров абсолютной вибрации в НСО и ССО. Действие инерционных устройств НСО основано на использовании сил инерции только для задания неподвижной системы отсчета. В инерционных устройствах ССО силы инерции используются непосредственно в процессе измерения для задания движения измерительной инерционно-упругой системе; для получения сил инерции эти устройства всегда скрепляют с движущимся телом Таким гбразом, эти инерционные устройства имеют динамический принцип действия [6]. Их называют устройствами ИД сейсмического типа Эти устройства не следует называть просто сейсмическими, поскольку сейсмические устройства предназначены для измерения колебаний земной коры при землетрясениях. Иногда устройствами инерционного действия называют только устройства сейсмического типа [6]. Неотъемлемой частью устройств ИД является инерционный элемент (явный или неявный) — источник сил инерции.

Инерционные измерительные устройства являются разновидностью инерци альных измерительных устройств [7], в основе работы которых лежит использование инертности материальных тел — свойства, «проявляющегося в сохранении движения, совершаемого телом при отсутствии действующих сил, и в постепенном

измерении этого движения с течением времени, когда на тело начинают действовать силы» [14] Большой подкласс ииерциальных измерительных устройств образуют гироскопические устройства, действие которых основано на использовании вращающихся (часто с большой скоростью) материальных тел. Гироскопические измерительные устройства могут быть как устройствами НСО, так и устройствами ССО инерционного действия [6].

Измерительные устройства ИД сейсмического типа применяют, как правило, для измерения кинематических величин, характеризующих движение и, в частности, вибрацию в инерциальной системе координат, с которой в данный момент времени совпадает измерительная система координат устройства. При этом последняя, как правило, не является инерциальной. Таким образом, эти устройства измеряют характеристики абсолютного движения в собственной системе отсчета тела, на котором они установлены. Устройства ИД сейсмического типа можно применять также для измерения силы тяжести, инерционных сил, моментов инерционных сил. Инерционные устройства сейсмического типа могут быть автономными приборами механического принципа действия или датчиками, входящими в состав различных измерительных преобразователей, приборов, измерительных систем.

Датчики кинематических величин. Датчиком называют измерительный преобразователь, переводящий измеряемую физическую величину в величину другого физического характера, чаще всего — электрическую. Датчики кинематических величин инерционного действия наиболее широко применяют для измерения кинематических величин точки и твердого тела — абсолютных перемещений, скоростей, ускорений и т. п. (см. гл. I, разделы 4 и 5). Как правило, датчики выполняют в виде отдельного конструктивного узла. Рассматриваемые датчики являются датчиками векторных величин и подразделяются на прямолинейные и угловые [18]. Прямолинейными называют датчики для измерения кинематических величин, характеризующих движение точки тела (или всего тела при его поступательном движении) вдоль заданной датчиком прямой линии.

Таким образом, прямолинейные датчики есть датчики параметров движения (вибрации в том числе) точки. При этом не подразумевается, что точка, параметры движения которой измеряют, движется по прямолинейной траектории. Точка может совершать движение по произвольной линии, но по отношению к датчику оценивается ее движение вдоль прямой линии, совпадающей с измерительной осью датчика. Следовательно, и твердое тело, параметры движения точек которого измеряют прямолинейными датчиками, может двигаться произвольно, а не только поступательно. Не рекомендуется вместо термина «прямолинейный датчик» использовать термин «линейный датчик», поскольку последний используют для определения датчиков, у которых в заданном динамическом диапазоне входной и выходной сигналы связаны линейно, т. е. датчиков, преобразование которых аддитивно и однородно (подчинено принципу суперпозиции). Однако прямолинейный датчик перемещения (скорости, ускорения) правильно называть также датчиком линейного перемещения (скорости, ускорения) точки. Вообще же определение «прямолинейный» следует использовать только в тех случаях, когда необходимо отличить датчик этого вида от углового датчика.

Угловыми называют датчики, предназначенные для измерения кинематических величин, характеризующих угловые движения (вибрацию в том числе) тела. Примером угловых датчиков являются датчики углового виброперемещения (виброскоро-сти, виброускорения) тела. Датчики ускорения (прямолинейные и угловые) по традиции называют также акселерометрами, что нашло отражение в стандарте ИСО [18]. Инерционные датчики сейсмического типа могут иметь как направленные, так и ненаправленные инерционные элементы. Направленными называют инерционные элементы, перемещения которых в диапазоне измерений в рабочем направлении (вдоль или вокруг некоторой оси) настолько превосходят перемещения в других направлениях, что последними можно пренебречь. Направление движения задают с помощью либо специальных направляющих, либо свойств упругого закрепления инерционного элемента. Датчики сейсмического типа выполняют чаще всего как датчики прямого преобразования, у которых все преобразования сигналов производятся только в направлении от входа к выходу. Датчики с направленными инерционными элементами делают также компенсационными. В компенсационном датчике (датчике

с уравновешиванием) используется обратное преобразование выходной величины в величину, однородную с входной, и их взаимное уравновешивание с той или иной степенью точности [15].