15 Принципы измерений параметров движения твердого тела
Движение твердого тела характеризуется движением его центра масс, оно полностью определяется тремя поступательными перемещениями центра масс и тремя углами поворота вокруг центра масс. Под параметрами движения твердого тела понимают линейные и угловые перемещения центра масс и все их производные во времени (перемещение, скорость, ускорение, резкость и т. д.).
Параметры движения – векторные величины. Поэтому их измерение осуществляется одним из двух путей:
а) определяются модули соответствующих векторов и углы, характеризующие положение этих векторов в выбранной системе отсчета;
б) определяются составляющие векторов по осям выбранной системы отсчета.
Принципы измерения параметров движения делятся на две группы:
а) абсолютные (инерциальные) принципы, в основе которых лежит принцип инерции (здесь справедливы законы Ньютона);
б) относительные принципы, при которых параметры движения одной системы координат измеряют относительно другой.
Погрешность этих принципов зависит не только от погрешности средств измерения, но и от погрешностей построения систем отсчета, а также от точности установки измерительных осей приборов по осям системы отсчета.
15.1 Относительные принципы
В этих принципах измеряются параметры движения движущегося тела относительно другого движущегося или неподвижного тела. Здесь применяются способы и средства измерений линейных и угловых перемещений, основанные на использовании емкостных, индуктивных, оптических и других преобразователей.
На рис. 15.1 пробное тело 2, выполненное в виде уголкового отражателя, свободно падает в вакуумированной трубе 1. Пройденный телом путь измеряется двулучевым интерферометром Майкельсона. В качестве источника излучения используется лазер 3. Интерференционная картина преобразуется фотоэлектронным умножителем 4 в последовательность импульсов, подсчет которых осуществляется счетчиками 5 и 6, управляемыми генератором частоты 7. Высокая точность достигается за счет применения стабилизированного лазера.
Рис. 15.1. Схема интерферометра для измерения
ускорения свободного падания
Для измерения параметров движения используются и принципы, основанные на применении эффектов Доплера и Мессбауэра [3].
15.2 Инерциальные принципы
В основе принципов лежит свойство инерции. Этими принципами измеряют линейные ускорения твердого тела и другие, связанные с ускорением параметры линейного движения.
Недостатком принципов является необходимость вносить поправки
на составляющие гравитационного ускорения по направлению измерительной оси акселерометра (прибора для измерения ускорения) либо строить такие системы отсчета, в которых этими системами можно пренебречь.
Для повышения точности применяют маятниковые приборы и приборы уравновешивающего преобразования.
Центр масс О1 гиромотора 1 (рис. 15.2) смещен по оси его вращения на расстояние ℓ от оси х его рамки 2, подвешенной в наружной рамке 3. Относительно оси наружной рамки ун прибор сбалансирован, и центр масс гиромотора при перпендикулярности осей z и ун расположен на оси ун. При ускорении, направленном по оси ун, момент относительно оси х уравновешивается гироскопическим моментом. Угол поворота α рамки 3 измеряется преобразователем 4. Недостатками являются методические погрешности, возникающие при работе на вращающемся основании.
Рис. 15.2. Схема гироскопического акселерометра
Для измерения параметров движения применяются принципы, основанные на применении пьезоэлектрических, струнных и электрокинетических преобразователей [5].