3.6. Динамическое воздействие перегрузок

Перегрузки вследствие действия сил инерции вызываются линейными ускорениями при движении основания прибора, т.е объекта, на котором он установлен. При испытаниях на линейные перегрузки ставятся и решаются две группы задач:

- определение предельных значений параметров перегрузок, при превышении которых происходит отказ, временная или необратимая потеря работоспособности;

- определение дополнительных погрешностей ДУС, вызываемых перегрузками.

В дальнейшем преимущественно обсуждается только задача о погрешностях. Линейное ускорение, вызывающее перегрузки, является векторной величиной. Экспериментально многократно установлено, что влияние углов ориентации вектора ускорения относительно осей прибора значительно влияет на его погрешности от перегрузок. Обычно положение осей наибольшего и наименьшего влияния известно из анализа конструктивных схем чувствительных элементов. В дальнейшем предполагается, что при испытаниях для задания перегрузок выбрана ось наибольшего влияния.

Перегрузки принято разделять на статические (постоянные во времени) и динамические (переменные). По отношению к постоянным перегрузкам, которые могут задаваться наклонами относительно вертикали (в пределах ± 1g) с помощью делительной головки. В широких пределах (до сотен или тысяч g) они задаются на центрифугах. Возникающие при постоянных нагрузках эффекты в выходном сигнале ММГ являются статическими, в соответствии с результатами теоретических и экспериментальных исследований получается, что постоянные перегрузки приводят к разным эффектам: к уменьшению диапазона измерения, к дополнительному смещению нуля а_п и к изменению масштабного коэффициента ΔК_п. Эти параметры определяют эффект не только постоянных, но и медленно изменяющихся воздействий.

Основные виды динамических воздействий: вибрации и удары. Динамические перегрузки преимущественно оказывают воздействие на механические чувствительные элементы с подвижными частями, но не исключено, что существенно воздействие также на электронику, особенно с навесными элементами. Механизм воздействия динамических линейных перегрузок на чувствительный элемент ДУС может быть достаточно сложен, расчеты требуют использования метода конечных элементов.

Когда говорится о влиянии линейных ускорений в динамических режимах, имеются в виду следующие типовые варианты воздействий: вибрации и удары. При не очень больших уровнях перегрузки и при относительно низких частотах вибраций и относительно больших длительностях ударных импульсов возникающие вследствие их ошибки изменяются квазистатически, синхронно и пропорционально с воздействиями.

По отношению к постоянным линейным ускорениям для некоторых типов ДУС вводятся коэффициенты влияния на дополнительную погрешность смещения нуля.

- изменение ориентации относительно вертикали, что означает изменение составляющих гравитационного ускорения (для некоторых типов ДУС они определяются при калибровке, соответствующие данные иногда приводятся в перечне технических характеристик) длительно действующие, принимаемые постоянными ускорения. Они могут быть статическими (при задании постоянного наклона и при испытаниях на центрифуге) и динамическими (при испытаниях на вибростенде и на ударном стенде). Граница между статическими и динамическими режимами испытаний определяется является условной, практически она определяется свойствами испытуемых объектов, а конкретно низшими частотами конструкций датчиков. При частотах воздействий ниже собственных частот они практически эквивалентны статическим.

Иначе обстоит дело в отношении динамических воздействий.

Длительные стационарные воздействия квалифицируются, как вибрации. В отношении вибраций используются различные подходы. Синусоидальные и случайные широкополосные (по частоте). При первом подходе обычно По отношению к случайным вибрациям обычно констатируется шумовая полоса. При постоянной амплитуде и частоте вибраций, к тому же только по одной оси. При этом, как показывают экспериментальные исследования, ориентация оси вибраций существенна, поэтому при планировании особое внимание следует уделять наиболее неблагоприятным направлениям, а при представлении результатов испытаний необходимо указывать направление оси, обычно явно выделяется ось, вибрации по которой больше всего проявляются в выходном сигнале. Обычно используются самые простые модели воздействия вибраций на выходной сигнал.

Так, типичной является ситуация, когда в выходном сигнале появляется составляющая той же частоты, что и виброускорение. Тогда при воздействии вибраций в выходном сигнале появляется переменная составляющая примерно постоянного уровня той же частоты, она может быть выявлена сопоставлением сигналов контрольного акселерометра и испытуемого ММГ, а амплитуда определяется синхронным детектированием.

Однако могут быть более сложные явления. Например, при некоторых экспериментальных исследованиях наблюдалось воздействие знакопеременных вибраций на постоянные составляющие смещения нуля и значения масштабного коэффициента коэффициент.

Для относительно низкочастотных (например, в диапазоне 2 – 30 Гц) вибраций стенды для исследования зависимостей от частот сложны в реализации и поэтому могут не производиться. Поэтому обычно при контрольных испытаниях задаются вибрации на одной, относительно низкой частоте (например, 50 или 100 Гц). Для проведения подобных испытаний достаточно иметь примитивные стенды, питающиеся от силовой сети. Обычно такие испытания только позволяют выявлять грубые ошибки монтажа.

Для некоторых типов приборов, в первую очередь, микромеханических, конструкции чувствительных элементов которых характеризуются наличием резонансных пиков высоких уровней, часто ставятся и решаются задачи выявления резонансных явлений, потенциально особенно опасных вследствие того, что в силу принципа действия и для получения больших масштабных коэффициентов конструкции чувствительных элементов ММГ имеют очень высокую добротность (десятки или сотни тысяч). При этом резонансы могут происходить не только на основных, но и на комбинационных частотах и на гармониках (в частности дробных, например, половинной, одной трети и т.д.). Эти явления, сначала исследованные на математических моделях нелинейных систем, а при появлении приборов с колебательными чувствительными элементами высокой добротности многократно наблюдавшиеся экспериментально, приводят к полному временному нарушению работоспособности, однако они выявляются при очень точной настройке по частоте. Результаты подобных тонких экспериментальных исследований, несомненно, будут представлять научный интерес, однако практическая значимость подобных резонансных явлений применительно к практике использования приборов неясна, поскольку для их явного проявления в чистом виде помимо необходимой очень точной настройки по частоте и ее стабильности необходимы большие интервалы раскачки до больших амплитуд.

Обычно принимается, что ударное воздействие при испытаниях представляется в виде одиночного импульса простой формы. Наиболее простыми параметрами такого воздействия являются максимальное (пиковое) значение ускорения Часто оговаривается, что форма должна представлять собой полуволну синусоиды.

По отношению к ударным воздействиям высоких уровней, когда во время действия ударного импульса происходит полный, но обратимый сбой и нет смысла оценивать очень большие погрешности, только последствия (обычно основным параметром считается время восстановления нормального режима работы).

Наверно следует прокомментировать, что в паспортных данных указывается чувствительность приборов как линейным ускорениям, так и к вибрации. Первое характеризуется коэффициентом с размерность [/с/g], второй – коэффициентом с размерность [/с/g²]