УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01P15/13 

Изобретение предназначено для применения в качестве 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 2098833, МПК⁶ 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 выход 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. Кроме того, устройство содержит аналоговый канал обработки информации, что приводит к низкой точности измерения, так как не производится запоминание информации за время ее преобразования и ее осреднение в процессе накопления.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (А.С. 742801, МПК⁶ G 01 P 15/13, опубл. в Б.И. 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, дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком 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.

Задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения и расширение полосы пропускания.

Это достигается тем, что в устройство введены два параллельных входных канала с датчика угла и с мостовой схемы и две параллельные отрицательные обратные связи, одна, аналоговая, с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый прецезионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжения - ток, второй суммирующий элемент, выход второго суммирующего элемента соединен с одной из диагоналей мостовой схемы, другая диагональ мостовой схемы, в плечо которой введена обмотка датчика моментов, соединена с одним из входов первого суммирующего элемента через дифференциальный операционный усилитель, цифровая обратная связь введена с выхода усилителя на другой вход датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый прецезионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр низких частот, третий суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, один из выходов которого соединен со вторым прецезионным релейным элементом, второй преобразователь напряжение - ток, второй суммирующий элемент, мостовую схему, другой выход RS-триггера соединен с входом итогового регистра через схемы совпадения И и реверсивный двоичный счетчик, причем один из входов третьего суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения И, итогового регистра соединены с одним из выходов схемы синхронизации, кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом датчика угла, а другой - с входом схемы ИЛИ через второй логический элемент. Выход с итогового регистра является цифровым выходом устройства.

В предлагаемом устройстве за счет включения в параллельные отрицательные обратные связи сопряженных фильтров верхних и нижних частот, мостовой схемы, дифференциального усилителя обеспечивается широкая полоса пропускания, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, определяющий точность цифрового отсчета в установившемся режиме.

Кроме того, введение мостовой схемы включения обмоток датчика моментов, сопряженных фильтров верхних и нижних частот в параллельные отрицательные обратные связи реализует инвариантное устройство с суммарной единичной обратной связью с расширенной полосой пропускания и значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, определяющим точность цифрового отсчета в установившемся режиме.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Предлагаемое устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с входом генератора опорного напряжения 3. Выходная обмотка датчика угла 2 соединена с входом усилителя 4 переменного тока со стабильным коэффициентом передачи. Выход усилителя 4 соединен с входом первого логического элемента 5. Выход генератора опорного напряжения 3 соединен с входом второго логического элемента 6. Выходы логических элементов 5 и 6 соединены с соответствующими входами схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7, выход которой соединен с входом прецезионного релейного элемента 8. Выход прецезионного релейного элемента 8 соединен с входом сглаживающего фильтра 9, выход которого связан с одним из входов первого суммирующего элемента 10. Выход первого суммирующего элемента 10 соединен с входом сопряженного фильтра верхних частот 11, выход которого связан с входом первого преобразователя напряжение - ток 12, являющийся входным для второго суммирующего элемента 13. Один из выходов первого суммирующего элемента 10 соединен с входом сопряженного фильтра нижних частот 14, выход которого является одним из входов третьего суммирующего элемента 15, другой вход которого соединен с генератором стабильной частоты 16 через последовательно включенные схему синхронизации 17 и генератор пилообразного напряжения 18. Выход третьего суммирующего элемента 15 соединен с входом релейного элемента 19, выход которого является входами ждущих синхронных генераторов 20 и 21. Другие входы ждущих синхронных генераторов 20 и 21 соединены с выходом схемы синхронизации 17. Выходы генераторов 20 и 21 соединены с входами RS-триггера 22, один из выходов которого является входом для второго прецезионного релейного элемента 23, выход которого через второй преобразователь напряжение - ток 24 соединен с другим входом второго суммирующего элемента 13. Выход второго суммирующего элемента 13 соединен с входом мостовой схемы 25, выход которой соединен с входами дифференциального операционного усилителя 26 и с входом датчика моментов 27. Выход дифференциального операционного усилителя 26 является одним из входов первого суммирующего элемента 10. Другие выходы RS-триггера 22 соединены с входами схем совпадения И 28 и 29, выходы которых являются входами реверсивного двоичного счетчика 30. Другие входы схем совпадения 28 и 29 реверсивного двоичного счетчика 30 соединены с выходами схемы синхронизации 17. Выход реверсивного двоичного счетчика 30 соединен с одним из входов итогового регистра 31, другой вход 31 соединен с выходом схемы синхронизации 17. Выход итогового регистра 31 в цифровом коде пропорционален углу отклонения чувствительного элемента 1.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описанных в кн. Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. - Л. : Машиностроение, 1974. - 432 с. Схема синхронизации, асинхронный D-триггер, регистры, сумматоры, компараторы, дискретизаторы описаны в кн. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

Отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого запитывается от генератора опорного напряжения 3. Выходной сигнал с датчика 2 усиливается усилителем переменного тока со стабильным коэффициентом передачи 4. С выхода первого логического элемента 5 входной сигнал с усилителя 4 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с U_max=2,4 В и U_min=0,2 В с частотой генератора 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 в схеме предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора 3. На входе второго логического элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме и частоте сигналу с логического элемента 5. Выходные сигналы с элементов 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей операцию логического сложения. Если сигналы с элементов 5 и 6 имеют нулевой фазовый сдвиг, то на выходе схемы 7 имеем логический "0", если же сигналы с элементов 5 и 6 имеют фазовый сдвиг, отличный от нуля, то на выходе схемы 7 имеем логическую "1". По форме сигнал с выхода схемы 7 имеет аналогичную форму сигнала с выходов элементов 5 и 6. Выходной сигнал схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7 поступает на вход первого прецезионного релейного элемента 8, переключение которого происходит на несущей частоте генератора 3, и осуществляется фиксация уровня сигнала с выхода 7. Сглаживающий фильтр 9 осуществляет выделение уровня сигнала с выхода элемента 8 в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с выхода сглаживающего фильтра 9 и с выхода дифференциального операционного усилителя 26 поступают на входы первого суммирующего элемента 10. Сопряженный фильтр верхних частот 11, включенный в одну из параллельных отрицательных обратных связей (аналоговая отрицательная обратная связь), обеспечивает заданную форму переходного процесса в предлагаемом устройстве и включен на выход первого суммирующего элемента 10. Так как входом для датчика моментов 27 является ток, то с выхода 11 включен первый преобразователь напряжение - ток 12. Сглаженный сигнал с фильтра 9 после суммирования в 10 с сигналом с дифференциального операционного устройства 26 поступает на вход сопряженного фильтра нижних частот 14, включенного в цифровую отрицательную обратную связь.

Сопряженные между собой фильтры 11 и 14 обеспечивают инвариантное устройство и результирующую обратную отрицательную связь - 1, независимо от параметров сопряженных фильтров 11 и 14. На вход третьего суммирующего элемента 15 поступает сигнал с выхода фильтра 14 и выхода генератора пилообразного напряжения 18, для которого входным является сигнал со схемы синхронизации 17, вход которой запитывается от генератора стабильной частоты 16. На выходе третьего суммирующего элемента 15 имеем сигнал в виде пилообразного напряжения, смещенный по уровню в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Релейный элемент 19, включенный на выход третьего суммирующего элемента 15, срабатывает по знаку сигнала с выхода 15 и в виде ШИМа поступает на входы ждущих синхронных генераторов 20 и 21, которые взводятся от релейного элемента 19 и вырабатывают короткие импульсы (длительностью, определяемой частотой привязки схемы синхронизации 17), частота которых определяется частотой переключения релейного элемента 19. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на RS-триггер 22 подается импульс либо со ждущего синхронного генератора 20, либо со ждущего синхронного генератора 21. Выходной сигнал с RS-триггера 22 не может быть подан непосредственно на токовую обмотку датчика моментов 27 ввиду своей нестабильности по амплитуде.

Для исключения этого сигнал с выхода RS-триггера 22 поступает на вход второго прецезионного релейного элемента 23, осуществляющего стабилизацию сигнала по уровню. Выходной сигнал с элемента 23 в виде ШИМа поступает на вход второго преобразователя напряжение - тока 24, а затем на один из входов второго суммирующего элемента 13. Сигнал с суммирующего элемента 13 поступает на одну из диагоналей мостовой схемы 25, другая диагональ мостовой схемы 25, в плечо которой включены обмотки датчика моментов 27, соединена с дифференциальным операционным усилителем 26. В зависимости от фазы отклонения 1 на обмотки датчика моментов 27 будет подан сигнал отрицательной полярности, произойдет разбалансировка моста 25 и ненулевой сигнал с выхода дифференциального усилителя поступит на вход первого суммирующего элемента 10. Введение на вход 10 сигнала с выхода 26 позволит расширить полосу пропускания и увеличить коэффициент передачи по контуру. При подаче сигнала на датчик моментов 27 происходит компенсация углового отклонения чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения.

Для получения информации об отклонении чувствительного элемента 1 в цифровом коде предусмотрена подача ШИМ-сигнала с выхода RS-триггера 22 на входы схем совпадения (И) 28 и 29, на другие входы 28 и 29 подается импульс счета со схемы синхронизации 17. В зависимости от состояния триггера 22 эти импульсы будут подаваться либо на вычитающие входы, либо на суммирующие входы реверсивного двоичного счетчика 30. По окончании периода колебания информация со счетчика 30 (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу импульса установки со схемы синхронизации 17 переписывается в итоговый регистр 31 по импульсу записи со схемы синхронизации 17. Цифровой код с итогового регистра 31 пропорционален углу отклонения чувствительного элемента 1 в цифровом коде.

Работу устройства можно пояснить с помощью передаточных функций.

Введение в аналоговую отрицательную обратную связь сопряженного фильтра верхних частот с передаточной функцией

и цифровую отрицательную обратную связь сопряженного фильтра с передаточной функцией

позволяет создать инвариантное устройство с единичной обратной связью

и независимое от постоянной времени сглаживающего фильтра в цепи цифрового отсчета.

Кроме того, введение в устройство мостовой схемы включения обмоток датчика моментов позволяет создать устройство с широкой полосой пропускания и значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, определяющим точность цифрового отсчета в установившемся режиме. Действительно, разомкнутая передаточная функция прототипа имеет вид

и на высоких частотах звенья T₁s+1 и 1/(T₄s+1) компенсируют друг друга, и окончательно зависимость (1) принимает вид

Из анализа (2) следует, что прототип имеет ограниченную полосу пропускания и коэффициент передачи.

Включение датчика моментов по мостовой схеме приводит к тому, что зависимость (2) принимает вид

Если обеспечить равенство Т₀=Т₃, то зависимость (3) будет записана как

Из анализа (4) следует, что включение обмоток датчика моментов по мостовой схеме позволяет создать устройство, устойчивое при любом коэффициенте передачи по разомкнутому контуру, тем самым можно существенным образом расширить полосу пропускания и увеличить точность цифрового отсчета в установившемся режиме.

Изобретение предназначено для использования в системах стабилизации, наведения и навигации. Технический результат - повышение точности и расширение полосы пропускания устройства, достигается путем введения двух параллельных каналов с датчика угла и с мостовой схемы и двух параллельных отрицательных обратных связей. Аналоговая связь введена с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно включенные логические элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, прецезионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр верхних частот, преобразователь напряжение - ток, второй суммирующий элемент. Выход второго суммирующего элемента соединен с одной из диагоналей мостовой схемы, другая диагональ, в плечо которой введена обмотка датчика моментов, соединена с одним из входов первого суммирующего элемента через дифференциальный операционный усилитель. Цифровая параллельная обратная связь введена с выхода усилителя на другой вход датчика моментов через последовательно включенные логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, прецезионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр нижних частот, третий суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, преобразователь напряжение - ток, второй суммирующий элемент, мостовую схему. 1 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик моментов, включенный в обратную связь, отличающееся тем, что в устройство введены два параллельных входных канала с датчика угла и мостовой схемы и две параллельные отрицательные обратные связи, одна, аналоговая, - с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый прецезионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжение - ток, второй суммирующий элемент, выход второго суммирующего элемента соединен с одной из диагоналей мостовой схемы, другая диагональ мостовой схемы, в плечо которой введена обмотка датчика моментов, соединена с одним из входов первого суммирующего элемента через дифференциальный операционный усилитель, цифровая обратная связь введена с выхода усилителя на другой вход датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый прецезионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр нижних частот, третий суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, один из выходов которого соединен со вторым прецезионным релейным элементом, второй преобразователь напряжение - ток, второй суммирующий элемент, мостовую схему; другой выход RS-триггера соединен с входом итогового регистра через схемы совпадения (И) и реверсивный двоичный счетчик, причем один из входов третьего суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения И, реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра соединены с одним из выходов схемы синхронизации, кроме того, в устройство введен генератор опорного напряжения, один выход которого соединен с одним из входов датчика угла, а другой соединен с одним из входов схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ через второй логический элемент, выход с итогового регистра является цифровым выходом устройства.