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

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ N 2098833, кл. G 01 P 15/13, опубл. 10.12.97 г.), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, 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 усилителей отрицательной обратной связью, осуществить компенсацию электрических помех.

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

Наиболее близким по техническому решению является устройство (авт.св. N 742801, опубл. в БИ 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 подключен к управляющему входу электронного луча.

Недостатком устройства является малая полоса пропускания, обусловленная работой интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, полоса пропускания зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Устройство имеет погрешность измерения, обусловленную конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации. Малая полоса пропускания устройства, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру определяют точность в установившемся режиме.

Настоящее изобретение решает задачу расширения полосы пропускания устройства.

Это достигается за счет введения в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик момента, включенный в обратную связь, последовательно соединенных по информационным входам к выходу усилителя первого эммиторного повторителя, синхронного JK-триггера, ждущих синхронных генераторов, асинхронного RS-триггера, схем совпадения, реверсивного двоичного счетчика, первого регистра стека, выход которого соединен последовательно с первым входом второго комбинационного двоичного сумматора через второй регистр стека, преобразователь кода, первый комбинационный двоичный сумматор, комбинационный сдвигатель, причем второй вход первого комбинационного двоичного сумматора соединен с выходом первого регистра стека, а второй вход второго комбинационного двоичного сумматора соединен с выходом второго регистра стека, выход второго комбинационного двоичного сумматора соединен с входом датчика момента через прецезионный релейный элемент. При этом выход усилителя соединен со вторым входом синхроного JK-триггера через инвертор и второй эммиторный повторитель. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, реверсионного двоичного счетчика, первого и второго регистра стека. В устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, выход которого соединен с третьим входом синхронного JK-триггера. Выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла. Выход датчика угла соединен с входом усилителя через полосовой фильтр. Выход с первого регистра стека является цифровым выходом устройства.

Введение в обратную связь прецизионного релейного элемента, управляемого знаковым разрядом второго комбинационного двоичного сумматора, позволяет учитывать изменение информации во времени. Полученный знаковый разряд цифрового кода используется в цепи отрицательной обратной связи для управления релейным элементом, что приводит к повышению частоты переключения прецизионного релейного элемента и, как следствие, к расширению полосы пропускания устройства.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Выходная обмотка датчика угла 2 соединена с входом полосового фильтра 3, выход которого связан с входом усилителя со стабильным коэффициентом передачи 4. Выход усилителя 4 соединен со входом первого эммитерного повторителя 5 и входом инвертора 6. Инвертор 6 подключен к входу второго эммитерного повторителя 7. Первые и вторые входы универсального синхронного JK-триггера 8 соединены с выходами первого и второго эммитерных повторителей 5 и 7 соответственно. Третий вход универсального JK-триггера 8 соединен с выходом формирователя длительности импульсов 9. Вход формирователя длительности импульсов 9 соединен через компаратор 10, фазосдвигающую цепь 11 с генератором несущей частоты 12. Второй выход генератора 12 соединен с обмоткой возбуждения датчика угла 2. Выходы JK-триггера 8 соединены с информационными входами ждущих синхронных генераторов 13 и 14, а выходы ждущих синхронных генераторов 13 и 14 подключены к входам асинхронного релейного RS-триггера 15. Выходы RS-триггера 15 соединены с первыми информационными входами схем совпадения И 16 и 17. Выходы схем совпадения 16 и 17 подключены к двум входам реверсионного двоичного счетчика 18. Первый вход первого регистра стека 19 соединен с выходом реверсионного счетчика 18. Первый вход второго регистра стека 20 соединен с выходом первого регистра стека 19. Выход второго регистра стека 20 соединен с входом преобразователя кода 21, выход которого соединен с первым входом первого комбинационного двоичного сумматора 22. Второй вход первого комбинационного двоичного сумматора 22 соединен с выходом первого регистра стека 19. Вход комбинационного сдвигателя 23 соединен с выходом первого комбинационного двоичного сумматора 22, а выход комбинационного сдвигателя 23 - с первым входом второго комбинационного двоичного сумматора 24, а второй вход второго комбинационного двоичного сумматора 24 соединен с выходом второго регистра стека 20. Вход прецизионного релейного элемента 25 соединен с выходом второго комбинационного двоичного сумматора 24, а выход 25 соединен с входом датчика момента 26. Выход устройства распределения синхроимпульсов 27, вход которого связан с выходом кварцевого генератора 28, соединен со вторыми входами ждущих синхронных генераторов 13 и 14, со вторыми входами реверсивного двоичного счетчика 18, первого 19 и второго 20 регистра стека и со вторыми входами схем совпадения 16 и 17.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описаны в книге Майоров С.А., Новиков Г. И. "Принцип организации цифровых машин". Л.: Машиностроение, 1974. 432 с. Схема синхронизации-64 с., синхронный JK-триггер - 64-67 с., регистры - 113 с., сумматоры - 152 с., компараторы - 151 с. Кроме того, регистры, ждущие синхронные генераторы, преобразователи кода, сдвигатели, стеки описаны в книге П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники, М.: Мир, т. 1-3, 1993 г.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

Отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения фиксирует датчик угла 2 индукционного типа, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора несущей частоты 12. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0^o, либо 180^o относительно несущей частоты. Полосовой фильтр 3 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла 2 на усилитель 4. На информационные входы универсального синхронного JK-триггера 8 сигнал должен подаваться в противофазе. Для этого усиленный по напряжению сигнал с усилителя 4 с одного из входов 8 инвертируется на инверторе 6. Первый и второй эммиттерные повторители 5 и 7 обеспечивают согласование высокого выходного сопротивления усилителя 4 и инвертора 6 с низкоомным входным сопротивлением входов JK-триггера 8. Для определения направления действия ускорения фазы сигналов с датчика 2 и генератора несущей частоты сигналов 12 сравниваются JK-триггером 8, для работы которого необходимо подать на синхронный третий вход импульс определенной длительности. Для этого используется фазосдвигающая цепь 11, компаратор 10 и формирователь длительности импульса несущей частоты 9. Фазосдвигающая цепь 11 обеспечивает сдвиг фазы сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через фильтр 3 и усилитель 4. Компаратор 10 выдает прямоугольные импульсы при повышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульса несущей частоты 9. Если фаза отклонения чувствительного элемента 1 совпадает с фазой генератора несущей частотой 12, то в момент подачи импульса несущей частоты JK-триггер 8 переходит в состояние "1", в противном случае "0". Кварцевый генератор 28 вырабатывает прямоугольные импульсы (f ≥ МГц), обеспечивающие требуемый фронт нарастания и спада сигнала. Устройство распределения синхроимпульсов 27 вырабатывает синхронированные по времени управляющие синхроимпульсы, необходимые для функционирования всего устройства. Ждущие синхронные генераторы 13 и 14, взводимые от JK-триггера 8, вырабатывают короткие (длительностью, определяемые частотой устройства распределения синхроимпульсов 27) импульсы, частота которых определяется частотой переключения JK-триггера 8. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на асинхронный RS-триггер 15 подается импульс либо с ждущего синхронного генератора 13, либо с ждущего синхронного генератора 14, т.е. RS-триггер 15 переключается с частотой JK-триггера 8. Выходные сигналы с RS-триггера 15 подаются на информационные входы схем совпадения И 16 и 17. Продвижение информации в схемах совпадения 16, 17 осуществляется устройством распределения синхроимпульсов 27. В зависимости от состояния RS-триггера 15 импульсы со схем ("И") 16 и 17 будут приходить либо на суммирующий (первый), либо на вычитающий (второй) вход реверсивного двоичного счетчика 18. Информация со счетчика 18 (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов 27 продвигается с первого регистра стека 19 во второй регистр стека 20. Преобразователь кода 21, входом которого является выход регистра стека 20, изменяет знак знакового разряда второго регистра стека 20 на обратный и в соответствии со значением знакового разряда преобразует цифровую информацию в дополнительный код, с целью обеспечения вычитания на первом комбинационном двоичном сумматоре 22 (получаем разностный цифровой код). При сдвиге информации с двоичного сумматора 22 комбинационным сдвигателем 23 осуществляется деление цифрового кода на число, кратное двум. На втором комбинационном двоичном сумматоре 24 осуществляется суммирование цифрового кода с второго регистра стека 20 и сдвинутой разностью с комбинационного сдвигателя 23. Знаковый разряд полученной суммы с второго комбинационного двоичного сумматора 24 определяет работу прецизионного релейного элемента 25. Выходной сигнал с релейного элемента 25 подается на вход датчика момента 26, который будет возвращать чувствительный элемент 1 в исходное положение.

Работу устройства для измерения ускорений можно пояснить с помощью передаточных функций теории автоматического регулирования.

Устройство, содержащее релейный элемент, управление которым осуществляется сигналом цепи обратной связи, имеет ограниченную частоту переключения ω (автоколебания), которая определяется при заданных значениях фазы Φ , относительного коэффициента демпфирования ε_a и постоянной времени Т_a по формуле

Устойчивые автоколебания в устройстве возникают при условии, что фаза нелинейного звена (релейного элемента 25) Φ_н больше изменения фазы линейного звена Φ_л, вызванного разбросом параметров в устройстве, т.е. это можно записать в виде
Φ_н≥Φ_л ((2)
Задаваясь Φ_н = -10^o, определим по формуле (1) частоту устойчивых автоколебаний при параметрах устройства ε_a = 2, Т_a=0.2 с.

После подстановки получим уравнение

Решение квадратного уравнения позволяет определить частоту автоколебаний ω, она равна ω =111 с^-1 (f = 17,7 Гц).

Параметры прецизионного релейного элемента связаны с амплитудой входного сигнала устройства зависимостью

где α - пороговое значение релейного элемента с зоной нечувствительности;
A - амплитуда входного сигнала (ускорения).

Так как в устройстве предусмотрена импульсная синхронизация, то порог, определяемый квадратурной составляющей, будет равен 2 •10^-5 g.

Амплитуда минимального входного сигнала из выражения (4) определяется как:

Коэффициент передачи k предлагаемого устройства для измерения ускорений определяется в виде:

где W_max - максимальное измеряемое ускорение (W_max = 1/6 g). После подставки W_max получим значение коэффициента передачи, равное

Передаточная функция предлагаемого устройства на частотах ω > 2ε/tgΦ_нT имеет вид

где p - преобразование Лапласа, T - время дискретизации;
x(n+1) и x(n) - значение информации соответственно в первом (19) и во втором (20) регистре стека
Φ_экв = arctgT_эквω.
В полученной зависимости (5), изменяя параметры Φ_экв и T_экв, за счет введения стеков, сдвигателя и сумматоров можно увеличить частоту автоколебаний, коэффициент передачи по разомкнотому контуру k и расширить полосу пропускания.

Передаточная функция прототипа на тех же частотах имеет вид

Из анализа (6) следует, что передаточная функция зависит от параметров как линейной, так и нелинейной части и коэффициент передач k определяется по формуле

Увеличение частоты переключения релейного элемента в предлагаемом устройстве достигается за счет введения на вход релейного элемента, включенного в цепь обратной связи, основного сигнала 19 и разностного сигнала 22. Введение двух сигналов на вход релейного элемента позволяет осуществить работу устройства для измерения ускорений на подъеме фазовой характеристики, и при заданных значениях Т_экв и Φ_экв частота переключения релейного элемента 25 будет определяться из соотношения
Φ+Φ_экв+Φ_рэ = -180^o,
где Φ_экв = arctgT_эквω,
Φ_рэ- фаза релейного элемента
За счет разностного сигнала происходит переключение релейного элемента еще до того, как отклонение чувствительного элемента стало равным нулю. При этом этот сигнал подбирается, таким образом, и переключение прецезионого релейного элемента происходит в такой момент времени, что чувствительный элемент, продолжая двигаться по инерции, достигает исходного положения при значении разностного сигнала, равном нулю.

Введение двух сигналов на вход релейного элемента 25 позволяет увеличить частоту переключения (автоколебаний) последнего, расширить полосу пропускания, увеличить быстродействие и коэффициент передачи по разомкнутому контуру.

Устройство предназначено для использования в системах стабилизации, наведения и навигации. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь. В устройство введены синхронный JK - триггер, ждущие синхронные генераторы, асинхронный RS - триггер, эммитерные повторители, схемы повторения, комбинационные сдвигатели, комбинационные двоичные сумматоры. Устройство содержит также кварцевый генератор, устройство распределения синхроимпульсов, генератор несущей частоты, фазосдвигающую цепь, компаратор, формирователь длительности импульса. Введение в обратную связь прецизионного релейного элемента, управляемого знаковым разрядом второго комбинационного двоичного сумматора, приводит к расширению полосы пропускания устройства. 1 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эммитерный повторитель, синхронный JK - триггер, ждущие синхронные генераторы, асинхронный RS - триггер, схемы совпадения, реверсивный двоичный счетчик, первый регистр стека, выход которого соединен последовательно с первым входом второго комбинационного двоичного сумматора через второй регистр стека, преобразователь кода, первый комбинационный двоичный сумматор, комбинационный сдвигатель, причем второй вход первого комбинационного двоичного сумматора соединен с выходом первого регистра стека, а второй вход второго комбинационного двоичного сумматора соединен с выходом второго регистра стека, выход второго комбинационного двоичного сумматора соединен с входом датчика момента через прецизионный релейный элемент, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK - триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель, кроме того устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, реверсионного двоичного счетчика, вторыми входами схем совпадения, первого и второго регистра стека, в устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса, выход которого соединен с третьим входом синхронного JK - триггера, выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр, выход с первого регистра стека является цифровым выходом устройства.