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 (описанное в 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 ключа.

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.

Целью настоящего изобретения является увеличение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенного в обратную связь, введены последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эммитерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с вводом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель. Второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр ко второму выходу асинхронного RS-триггера последовательно подключены по информационным входам две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр первого двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, преобразователь цифровой информации в прямой код, второй реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен с первым входом третьего двоичного умножителя. Первый вход третьего двоичного умножителя соединен с выходами схемы совпадения через последовательно соединенные схемы "ИЛИ", суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель. Выход третьего двоичного умножителя соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами двух ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика, второго реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя. В устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, устройство сравнения (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 второго двоичного умножителя является выходом относительного цифрового кода устройства.

За счет введения прецизионного релейного элемента, асинхронного RS-триггера, реверсивных двоичных счетчиков, итоговых регистров, преобразователя цифровой информации в цифровой код, двоичных умножителей, устройство работает в автоколебательном режиме и измеренное им ускорение пропорционально цифровому коду, который не зависит от динамических свойств устройства, что и позволяет повысить точность устройства.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с выходом генератора несущей частоты 3. Выходная обмотка датчика угла 2 соединена с входом полосового фильтра 4, выход которого связан с входом усилителя со стабильным коэффициентом передачи 5. Выход усилителя 5 соединен с входом первого эммитерного повторителя 6 и с входом инвертора 7, причем выход последнего соединен с входом второго эммитерного повторителя 8. Выход генератора несущей частоты 3 соединен также с входом фазосдвигающей цепи 9, выход которой соединен с входом компаратора 10. Выход компаратора 10 подключен к формирователю длительности импульсов несущей частоты 11. Первые и вторые входы универсального синхронного JK-триггера 12 соединены соответственно с выходами первого и второго эммитерных повторителей 6 и 8. Третий вход синхронного JK-триггера соединен с выходом формирователя длительности импульса несущей частоты 11. Первый и второй выходы JK-триггера 12 подключены к первым входам ждущих синхронных генераторов 13 и 14, вторые входы которых соединены с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 16. Выходы ждущих синхронных генераторов 13 и 14 подключены к соответствующим входам асинхронного RS-триггера 17. Первый выход RS-триггера 17 соединен с входом прецизионного релейного элемента 18, выход которого подключен к первому входу датчика моментов 19, второй вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра третьего порядка 20, соединенного с выходом прецизионного релейного элемента 18. Второй выход RS-триггера 17 соединен с первыми входами схем совпадения (схемы "И") 21 и 22. Вторые входы схем совпадения 21 и 22 подключены к выходу устройства распределения синхроимпульсов 15. Выходы схем совпадения 21 и 22 подключены соответственно к первому и второму входам первого реверсивного двоичного счетчика 23, третий вход первого реверсивного двоичного счетчика 23 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15. Первый вход итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика 24 соединен с выходом первого реверсивного двоичного счетчика 23, а его второй вход с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15. Выход итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика 24 соединен с входом преобразователя цифровой информации в прямой код 25, а его выход с первым входом первого двоичного умножителя 26. Второй вход первого двоичного умножителя 26 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15. Выход первого двоичного умножителя 26 соединен с первым входом второго реверсивного двоичного счетчика 27. Первые и вторые выходы схем совпадения 21 и 22, помимо соединения с соответствующими входами первого реверсивного двоичного счетчика 23, соединены с информационными входами схемы сложения 28 (схема "ИЛИ"). Выход схемы сложения 28 соединен с входом суммирующего двоичного счетчика 29, а выход суммирующего двоичного счетчика 29 соединен с входом итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 30. Выход итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 30 соединен с первым входом второго двоичного умножителя 31, выход которого соединен с первым входом третьего двоичного умножителя 32. Второй вход второго двоичного умножителя 31 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15. Выход второго реверсивного двоичного счетчика 27 соединен со вторым входом третьего двоичного умножителя 32, а выход третьего двоичного умножителя 32 соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика 27. Третий вход второго реверсивного двоичного счетчика 27 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 25.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описаны в книгах: Майоров С.А., Новиков Г.И. "Принцип организации цифровых машин", Л. : Машиностроение, 1974, 432 с. ; Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники". М.: Мир, т. 1-3, 1993.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения вызывает смещение центра автоколебаний относительно нулевого положения. Это смещение фиксирует датчик угла 2 индукционного типа, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0^o или 180^o относительно несущей частоты. Полосовой фильтр 4 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла 2 на усилитель 5. На информационные JK входы универсального JK-триггера 12 сигнал должен подаваться в противофазе. Для этого усиленный сигнал по напряжению с усилителя 5, для одного из входов, инвертируется на инверторе 7. Первые и вторые эммитерные повторители 6 и 8 обеспечивают согласование высокого выходного сопротивления усилителя 5 и инвертора 7 с низкоомным входным сопротивлением информационных входов JK-триггера 12. Для определения направления действия ускорения, фазы сигналов с датчика 2 и генератора 3 сравниваются на JK-триггере 12, для работы которого необходимо подать на синхронный C-вход (третий вход) импульс определенной длительности. Формируют этот импульс фазосдвигающая цепь 9, компаратор 10 и формирователь длительности импульса несущей частоты 11. Фазосдвигающая цепь 9 обеспечивает сдвиг фазы гармонического сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через полосовой фильтр 4 и усилитель 5. Компаратор 10 выдает прямоугольные импульсы при превышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульса несущей частоты 11. Если фаза отклонения чувствительного элемента 1 совпадает с фазой генератора несущей частоты 3, то в момент подачи импульса несущей частоты JK-триггер переходит в устойчивое состояние "1", в противном случае "0". Кварцевый генератор 16 вырабатывает прямоугольные, стабилизированные по частоте импульсы (f ≥ 1 МГц), обеспечивающие требуемый фронт нарастания и спада сигнала. Устройство распределения синхроимпульсов 15 вырабатывает синхронизированные по времени управляющие синхроимпульсы, необходимые для работы всего устройства. Ждущие синхронные генераторы 13 и 14, вводимые от JK-триггера 12, вырабатывают короткие (длительностью, определяемой частотой устройства распределения синхроимпульсов 15) импульсы, частота которых определяется частотой переключения триггера 12.

В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на асинхронных RS-триггер 17 подается импульс, либо с ждущего синхронного генератора 13, либо 14, т. е. RS-триггер 17 переключается с частотой JK-триггера 12. Входной сигнал с RS-триггера 17 не может быть непосредственно подан на вход датчика момента 19 ввиду своей нестабильности по амплитуде. Для повышения точности устройства этот импульс подается на прецизионный элемент 18, осуществляющий стабилизацию сигнала по уровню. Выходной сигнал с прецизионного релейного элемента 18 подается на один из входов датчика моментов 19, который возвращает чувствительный элемент 1 в исходное положение. В положительную обратную связь датчика моментов 19 включен сглаживающий фильтр 20, выделяющий постоянную составляющую входного сигнала с прецизионного релейного элемента 18. На первые входы схем совпадения (схем "И") 21 и 22 подаются сигналы со второго выхода RS-триггера 17, на другие - импульсы счета с устройства распределения синхроимпульсов 15. В зависимости от состояния триггера 17 эти импульсы будут проходить либо на суммирующий (первый), либо на вычитающий (второй) вход реверсивного двоичного счетчика 23. По окончании периода колебания, информация из счетчика (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов 15 (импульс на C-вход регистра) переписывается в итоговый регистр реверсивного двоичного счетчика 24. Следующим синхроимпульсом с устройства распределения синхроимпульсов 15, на вход сброса R₀, первый реверсивный двоичный счетчик 23 обнуляется, при этом положительная информация представляется в прямом коде, а отрицательная - в дополнительном. На выходе итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 24 имеется информация ТВ1, равная разности временных интервалов t₁ и t₂. Информация с итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 24 поступает на вход преобразователя цифровой информации в прямой код 25, а затем на первый вход первого двоичного умножителя 26, на выходе которого число синхроимпульсов в устройство распределения синхроимпульсов 15 будет пропорционально цифровому коду. Синхроимпульсы с первого двоичного умножителя 26 поступают на суммирующий вход второго реверсивного двоичного счетчика 27. Информация с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 27 является относительным цифровым кодом, равным У = (ТВ1/ТВ)•2ⁿ (где n - размерность счетчика, ТВ-суммарная длительность временного интервала t₁ и t₂) и эта информация подается на второй вход третьего двоичного умножителя 32. Число импульсов с выхода третьего двоичного умножителя 32, пропорциональных цифровому коду, подается на вычитающий (второй) вход второго реверсивного счетчика 27. Для получения суммарного временного интервала ТВ = t₁+t₂ с выходов схем совпадения 21 и 22 на вход двоичного умножителя 32 последовательно введены - схема сложения 28, суммирующий двоичный счетчик 29, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика 30 и второй двоичный умножитель 31. Соответствующие входы 30 и 31 соединены с выходом устройства распределения синхроимпульсов 15. С выхода двоичного умножителя 26 имеет информацию, пропорциональную а с выхода второго двоичного умножителя 31 Относительный цифровой код У, с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 27 равен

или

В предлагаемом устройстве для измерения ускорений, работающего в режиме автоколебаний, введена положительная обратная связь (с выхода 18 на вход 19 через 20). При этом эквивалентная передаточная функция устройства для измерения ускорений представляется интегрирующим звеном, и при воздействии входного ускорения X на выходе асинхронного RS-триггера 17 будем иметь

где Y_max - максимальное значение напряжения на элементе 17;
t₁ - длительность положительного временного интервала;
t₂ - длительность отрицательного временного интервала;
k - коэффициент передачи устройства для измерения ускорений;
U_н - пороговое значение зоны неоднозначности асинхронного RS-триггера 17.

Преобразует выражение (1) к виду

и

Из анализа выражений (2) и (3) следует, что, как и сумма, так и разность временных интервалов зависит от параметров U_н и k, У_max и входного воздействия x.

В предлагаемом устройстве для измерения ускорений за счет введения с выхода схем совпадения 21 и 22 на вход двоичного умножителя 32 последовательно схемы сложения "ИЛИ", суммирующего двоичного счетчика 29, второго итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 30 и второго двоичного умножителя 31, реверсивного двоичного счетчика 23, итогового регистра 24, преобразователя кода 25, двоичного умножителя 26 и реверсивного двоичного счетчика 27 осуществляется преобразование временных интервалов t₁, t₂, t в относительный цифровой код, пропорциональный входному воздействию

В прелагаемом устройстве, работающем в автоколебательном режиме, параметры t₁, t₂, t переменны и зависят от входного ускорения. Измерение ускорений в относительном цифровом коде, за счет введения схемы сложения, суммирующего двоичного счетчика, итогового регистра суммирующего двоичного счетчика, двоичных умножителей, схем совпадения, реверсивных счетчиков, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика, преобразователя кода позволяет повысить точность измерения, т.к. относительная величина (4) не зависит от динамических свойств устройства.

Использование: в системах стабилизации, наведения и навигации. Устройство работает в автоколебательном режиме, а измеряемое ускорение пропорционально цифровому коду и не зависит от динамических свойств устройства, что и позволяет повысить точность. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь. Введены последовательно соединенные первый эммитерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента. Выход усилителя соединен с входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель. Датчик момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр. К выходу асинхронного RS-триггера подключены две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр, преобразователь информации в прямой код, первый двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик. Устройство содержит также кварцевый генератор, устройство распределения синхроимпульсов, два ждущих синхронных генератора, фазосдвигающую цепь, устройство сравнения (компаратор), формирователь длительности импульса. 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, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эммитерный повторитель, второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр, ко второму выходу асинхронного RS-триггера последовательно подключены по информационным входам две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр первого двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен со вторым входом третьего двоичного умножителя, первый вход третьего двоичного умножителя соединен с выходами схем совпадения через последовательно соединенные схемы ИЛИ, суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель, а выход третьего двоичного умножителя соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика, кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выходы которого соединены со вторыми входами ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика, второго реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя, 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 второго реверсивного двоичного счетчика является выходом относительного цифрового кода устройства.