УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2001 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации, навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ N 2098833, кл 6 G 01 P 15/13 опубл. 10.12.97), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а вход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости при воздействии электрических помех в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих за счет охвата усилителя отрицательной обратной связью осуществлять компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (описанное в а. с. N 742801 опубл. в бюл. изобретений N 23, 1980), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент, причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель, подключенный к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации.

Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения ускорений и расширение полосы пропускания устройства.

Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик момента и интегрирующий усилитель введены два преобразователя напряжение - ток, фильтр верхних частот, фазовый детектор отрицательной обратной связи, фазовый детектор положительной обратной связи, последовательно соединенные компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схема ИЛИ, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, а также второй ждущий синхронный генератор, генератор опорного напряжения и схема синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора, первого и второго ждущих синхронных генераторов, при этом выход датчика угла соединен через усилитель соответственно с первыми входами фазового детектора отрицательной обратной связи и фазового детектора положительной обратной связи, вторые входы которых, а также вход датчика угла соединены с выходами генератора опорного напряжения, выход фазового детектора положительной обратной связи соединен со входом первого преобразователя напряжение - ток, выход которого соединен со входом датчика момента, к которому подсоединен также фазовый детектор отрицательной обратной связи через последовательно соединенные фильтр верхних частот и второй преобразователь напряжение - ток, выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен со входом интегрирующего усилителя, выход которого соединен со входом компаратора, второй выход компаратора соединен со входом второго ждущего синхронного генератора, выход которого соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика, а второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом схемы ИЛИ и вторым входом знакового переключателя, выход которого соединен со входом датчика момента, причем выход схемы ИЛИ является выходом цифрового кода устройства.

Введение в устройство местных обратных связей разных знаков обеспечивает устойчивость устройство и расширение полосы пропускания, а охватывающая все устройство отрицательная интегрирующая обратная связь повышает точность за счет астатизма первого порядка, а также за счет формирования в обратной цепи импульсной связи.

На фиг. 1 изображена блок - схема устройства; на фиг. 2 структурная схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один выход усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС), а другой выход - с входом фазового детектора положительной обратной связи 5 (ФДПОС). Дополнительными входами для датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 является выход с генератора опорного напряжения 6 (ГОН). Выход ФДПОС 5 соединен с входом преобразователя напряжения - ток 7, а выход ФДООС 4 соединен с входом фильтра верхних частот 8, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение - ток 9. Выход ФДООС 4 является также входом для интегрирующего усилителя 10, выход которого соединен с входом компаратора 11. Один выход компаратора 11 является входом ждущего синхронного генератора 12, а другой выход 11 соединен с входом ждущего синхронного генератора 13. Выходы ждущих синхронных генераторов 12 и 13 являются входами реверсивного двоичного счетчика 14, один выход которого является входом для преобразователя дополнительного кода в прямой 15, а другой выход 14 соединен с одним из входов схемы собирания (ИЛИ) 16. Выход схемы собирания 16 соединен с входом двоичного умножителя 17, и одновременно является информационным выходом устройства. Выход двоичного умножителя 17 через сглаживающий фильтр 18 соединен с входом знаковым переключателем 19, второй вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика 14. Выходы схемы синхронизации 20 являются дополнительными входами для компаратора 11, и ждущих синхронных генераторов 12 и 13. Выходы с преобразователем напряжение - ток 7, 9 и знакового переключателя 19 являются входами датчика момента 21.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, схемы собирания (ИЛИ), двоичного умножителя, знакового переключателя, схемы синхронизации описаны в книге:
П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент равный mlW (I, m - длинна и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 6. Сигнал с датчика угла 2 после усиления усилителем 3 поступает на выходы ФДООС 4 и ФДПОС 5. С помощью ФДПОС 4 и ГОН 6 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 5 в фазе отклонения 1.

Сигнал с выхода ФДПОС 5 в виде напряжения поступает на вход преобразователя напряжение - ток 7, выходной сигнал которого в виде тока поступает на токовую обмотку датчика момента 21. На вход датчика момента 21 также поступает сигнал из цепи отрицательной обратной связи с выхода ФДООС 4 через фильтр верхних частот 8 и преобразователь напряжение - ток 9. Фильтр верхних частот 8, включенный в отрицательную обратную связь, которая реализована с выхода усилителя 3 на вход датчика момента 21 через последовательно соединенные ФДООС 4, фильтр 8 и преобразователь напряжение - ток 9, предназначен для устранения компенсирующего действия положительной обратной связи, отрицательной и осуществляет стабилизацию устройства. (Схема реализации фильтра приведена в книге Г. Лэм Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и проектирование. М. : Мир, 1982, с 127- 195). Датчик момента 21 развивает момент, который будет компенсировать действие инерционного момента, и чувствительный элемент 1 возвращается в исходное положение. Сигнал в виде напряжения с ФДООС 4 поступает на вход интегрирующего усилителя 10. Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 10 поступает на один из входов компаратора 11. В компараторе 11 происходит сравнение сигнала с выхода усилителя 10 с сигналом, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 20.

Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 10 будет больше треугольного напряжения с выхода 20, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора - низкий логический уровень. Уровень сигнала зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с компаратора 11, в виде уровня, поступают на входы ждущих синхронных генераторов 12 и 13, которые с помощью схемы синхронизации 20, выдают сигналы в виде импульса на частоте 10 МГц, на каждое воздействие входящего сигнала (с выхода 11), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 14 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 12, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13. Реверсивный двоичный счетчик 14 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде и преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем дополнительного кода в прямой 15. На вход схемы собирания 16 (ИЛИ) поступают сигналы с реверсивного двоичного счетчика 14, если отклонение чувствительного элемента 1 в фазе ГОН 6 и преобразователя дополнительного кода в прямой 15, если фаза равна 180^o. После логического сложения сигналов в 16 выходной сигнал с 16 подастся на вход двоичного умножителя 17, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы собирания 16. Двоичный умножитель 17 преобразует двоичный код в единичный. Сглаживающий фильтр 18, на вход которого поступают импульсы с двоичного умножителя 17, не только устраняет пульсацию входного сигнала с 17, но и обеспечивает устойчивую работу устройства, охваченного обратными связями разных знаков. На токовую обмотку датчика момента 21 поступает сигнал с знакового переключателя 19 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 14. На токовую обмотку 21 будут поступать сигналы с выходов 7, 9 и 19 которые будут устранять отклонение чувствительного элемента 1 и обеспечивать повышение точности и расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений. Выход схемы собирания 16 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить с помощью передаточных функций по структурной схеме, изображенной на фиг. 2.

В структурной схеме использованы следующие обозначения:
K_d, K_ус - коэффициенты передачи датчика угла и усилителя;
T,ζ - постоянная времени и коэффициент затухания датчика;
K_ОС, K_ОС1, K_ОС3 - коэффициенты передачи цепи отрицательной обратной, положительной, отрицательной интегрирующей;
K - коэффициент передачи интегратора;
T₁ - постоянная времени сглаживающего фильтра
Передаточная функция по контору положительной обратной запишется в виде:

где
K₀ = K_dK_УС/2ζT;
T₀ = T/2ζ
Передаточная функция по контуру местной отрицательной обратной связи запишется как:

где K₀₁ = K₀/(1+K₀K_ОСT₁);

2ζ₀T₀₁ = (T₀+T₁)/(1+K₀K_ОСT₁)
Введем обозначения T₁ = mT_ОС, где m - параметр, обеспечивающий устойчивость устройства по фазе (6 > m > 1).

Тогда параметры устройства при охвате обратными связями будут равны:
T₀₁ = T_0m·2ζ0/(1+m) и

Величина коэффициента затухания ζ₀ может быть обеспечена заданным значением (1+ K₀K_ОСmT₀).

Введем параметр m₁ = T₀/T₀₁ = (1+m)/2ζ₀.
В этом случае частота среза по контуру отрицательной интегрирующей обратной связи запишется в виде:

Устойчивость в устройстве обеспечивается за счет m₁, который должен удовлетворять условию 6 < m₁ < 1, а увеличение частоты среза устройства ω_СР достигается за счет выбора параметра m, который может быть m << 1.

Реализуемый коэффициент усиления по разомкнутому контуру устройства определяется как

Предположим устройство имеет параметры:
Т=0.2 с, ζ = 2, m = 4, ζ₀ = 0,5
Тогда T₀ = 0.04 с, m₁ = 5;
ω_СР = 9,25 с^-1, K_ОС3KK₀ = 37.94 с^-2.

Частота среза и коэффициенты усиления оказались близкими с прототипом.

В предлагаемом устройстве ω_СР ≤ 9,25 с^-1,`
K_ОС3KK₀=37.94 c^-1
В прототипе:
ω_СР ≤ 7,52 с^-1; K₀₁KK_ОС3 ≤ 30 с^-2;
Примем: m = 0.1; ζ = 0,125, тогда
T₀ = 0.01 Мс, m₁ = 4.4, ω_СР ≤ 473,68 с^-1
K_ОС3KK₀ = 62615 с
Из полученных значений следует, что по сравнению с прототипом частота увеличилась в 62,99 раза и во столько же раз возросла полоса пропускания, коэффициент усиления по разомкнутому контуру увеличился в 2087,19 раза, что позволяет обеспечить устойчивость устройства для измерения ускорения при значительном коэффициенте усиления в разомкнутой системе устройства.

Предложенная структура построения устройства для измерения ускорений с местной положительной обратной связью, с местной отрицательной обратной связью, с фильтром верхних частот и отрицательной интегрирующей обратной связью приводит к положительному эффекту. Так частота среза увеличилась в 62,99 раза и коэффициент усиления по разомкнутому контуру возрос в 2087,19 раза.

Таким образом, введение в устройство местных обратных связей разных знаков и охватывающей все устройство отрицательной интегрирующей обратной связи увеличивает точность, расширяет полосу пропускания.

Устройство предназначено для использования в системах стабилизации и наведения. В устройстве образована положительная обратная связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение - ток, местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение - ток, отрицательная интегрирующая обратная связь с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента. Устройство содержит последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему ИЛИ, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор. Второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы ИЛИ, выход которой является выходом цифрового кода устройства. Устройство содержит также генератор опорного напряжения, входы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей. Введение в устройство обратных связей разных знаков обеспечивает устойчивость устройства и расширение полосы пропускания, отрицательная интегрирующая обратная связь повышает точность за счет астатизма первого порядка, а также за счет формирования в ней импульсной связи. 2 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик момента и интегрирующий усилитель, отличающееся тем, что в него введены два преобразователя напряжение - ток, фильтр верхних частот, фазовый детектор отрицательной обратной связи, фазовый детектор положительной обратной связи, последовательно соединенные компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схема ИЛИ, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, а также второй ждущий синхронный генератор, генератор опорного напряжения и схема синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и первого и второго ждущих синхронных генераторов, при этом выход датчика угла соединен через усилитель соответственно с первыми входами фазового детектора отрицательной обратной связи и фазового детектора положительной обратной связи, вторые входы которых, а также вход датчика угла соединены с выходами генератора опорного напряжения, выход фазового детектора положительной обратной связи соединен со входом первого преобразователя напряжение - ток, выход которого соединен со входом датчика момента, к которому подсоединен также фазовый детектор отрицательной обратной связи через последовательно соединенные фильтр верхних частот и второй преобразователь напряжение - ток, выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен со входом интегрирующего усилителя, выход которого соединен со входом компаратора, второй выход компаратора соединен со входом второго ждущего синхронного генератора, выход которого соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика, а второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом схемы ИЛИ и вторым входом знакового переключателя, выход которого соединен со входом датчика момента, причем выход схемы ИЛИ является выходом цифрового кода устройства.