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

Устройство 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 (описанное в АС 742801 МПК, опубл. в БИ 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.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерений ускорений (патент Р. Ф. RU 2165625 С1, МПК⁷ G 01 Р 15/00, опубл. 20.04.2001, бюл. 11), содержащее положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика моментов через последовательно соединяемые ФДПОС (фазовый детектор положительной обратной связи) и преобразователь напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика моментов через последовательно соединенные ФДООС (фазовый детектор отрицательной обратной связи), фильтр верхних частот, преобразователь напряжение - ток, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода ФДООС на вход датчика момента, через последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущие синхронные генераторы, 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 вход компаратора соединен со вторым входом реверсионного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор. Второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом схемы ИЛИ.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующего усилителя.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения.

Это достигается тем, что в отрицательную обратную связь введен цифровой интегрирующий канал с выхода первого реверсивного двоичного счетчика на вход датчика моментов, содержащий последовательно включенные по информационным входам итоговый регистр, первый и второй стеки, схему сравнения, первую схему логического умножения - "И", схему собирания, двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, счетчик текущей информации, триггер обратной связи, прецезионный релейный элемент, третий преобразователь напряжение - ток, причем второй вход схемы собирания соединен с выходом схемы сравнения через инвертор и вторую схему логического умножения, а второй вход счетчика текущей информации соединен с одним из выходов счетчика интервала преобразования, другой выход которого соединен с S-входом триггера обратной связи, дополнительные входы первого и второго реверсивных счетчиков, итогового регистра, первого и второго стеков, схемы умножения, счетчика текущей информации и интервала преобразования, ждущих синхронных генераторов соединены с генератором вспомогательной частоты через устройство распределения синхроимпульсов, 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 с входом первого преобразователя напряжение - ток, выход которого соединен с датчиком момента, который также соединен с выходом фазового детектора отрицательной обратной связи через фильтр верхних частот и второй преобразователь напряжение - ток, выход со второго реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.

За счет введения в отрицательную обратную связь итогового регистра, стеков, схемы сравнения, схемы собирания, инвертора, схем логического умножения ("И"), двоичного умножителя, реверсивных двоичных счетчиков, счетчика текущей информации, счетчика интервала преобразования, триггера обратной связи, прецезионного релейного элемента позволило создать параметрическое устройство для измерения ускорений, в котором в зависимости от состояния схемы сравнения меняется коэффициент передачи интегрирующего звена.

Изменяя во времени коэффициент передачи интегрирующего звена, включенного в обратную связь, можно изменять крутизну переходного процесса и коэффициент передачи по разомкнутому контуру, определяющий точность устройства в установившемся режиме.

На чертеже изображена блок-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 первого преобразователя напряжение - ток 7, а выход ФДООС 4 соединен с входом фильтра верхних частот 8, выход которого соединен с входом второго 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 первого реверсивного двоичного счетчика 14. Выход 12 соединен с суммирующим входом первого реверсивного двоичного счетчика 14, а выход 13 с вычитающим входом первого реверсивного двоичного счетчика 14. Входом итогового регистра 15 является выход реверсивного двоичного счетчика 14. Дополнительные входы ждущих синхронных генераторов 12, 13, первого реверсивного двоичного счетчика 14 соединены с устройством распределения синхроимпульсов 16, вход которого соединен с генератором вспомогательной частоты 17. Выход итогового регистра 15 соединен с входом первого стека 18, выход которого соединен с входом второго стека 19. Дополнительные входы первого стека 18 и второго стека 19 соединены с устройством распределения синхроимпульсов 16. Выход второго стека 19 соединен с схемой сравнения 20, один из выходов схемы сравнения 20 соединен с первой схемой логического умножения "И" 21, а другой выход через инвертор 22 - с входом второй схемы логического умножения "И" 23. Выходы 21 и 23 соединены с входом схемы собирания 24. Дополнительные входы первой и второй схем логического умножения 21 и 23 соединены с устройством распределения синхроимпульсов 16. Схема собирания 24 через двоичный умножитель 25 соединена с входом второго реверсивного двоичного счетчика 26, выход которого через счетчик текущей информации 27 соединен с R-входом триггера обратной связи 28. Вход S-триггера 28 соединен с счетчиком интервала преобразования 29. Выход счетчика 29 соединен с одним из входов счетчика текущей информации 27. Дополнительные входы 27 и 29 соединены с устройством распределения синхроимпульсов 16. Выход триггера обратной связи 28 соединен последовательно через прецизионный релейный элемент 30, третий преобразователь напряжение - ток 31 с датчиком моментов 32. Дополнительные входы 32 соединены с выходами первого и второго преобразователей напряжение - ток 7 и 9.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы собирания (ИЛИ), двоичного умножителя, счетчика текущей информации и интервала преобразователя, триггера обратной связи, схемы синхронизации описано в книге П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1992.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент mlW (I, m - длина 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 5 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 ФДОПОС 5 - в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 5 в виде напряжения поступает на вход первого преобразователя напряжение - ток 7, выходной сигнал которого в виде тока поступает на токовую обмотку датчика момента 32. На вход датчика момента 32 также поступает сигнал из цепи отрицательной обратной связи с выхода ФДООС 4 через фильтр верхних частот 8 и второй преобразователь напряжение - ток 9. Фильтр верхних частот 8, включенный в отрицательную обратную связь, которая реализована с выхода усилителя 3 на вход датчика момента 32 через последовательно соединенные ФДООС 4, фильтр 8 и второй 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 32 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 - 16. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 10 будет больше треугольного напряжения с выхода 16, 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 16 выдают сигналы в виде импульса на частоте 10 МГц на каждое воздействие входящего сигнала (с выхода 11), равного "1". Первый 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. Устройство распределения синхроимпульсов 16 работает от генератора вспомогательной частоты 17. Первый реверсивный двоичный счетчик 14 производит подсчет единичных импульсов, поступающих на суммирующий вход, и вычитание импульсов на вычитающем входе. По окончании подсчета информация, равная разности "положительных" и "отрицательных" импульсов, по сигналу импульса записи U1 с устройства распределения синхроимпульсов 16 переписывается в итоговый регистр 15. По сигналу U0 с устройства распределения синхроимпульсов 16 происходит "сброс нуля" информации в первом реверсивном счетчике 14. Далее информация из первого стека 18 помещается во второй стек 19. Во втором стеке 19 находится предыдущая информация с итогового регистра 15, а в первом стеке 18 - последующая информация с итогового регистра 15.

С выхода схемы сравнения 20 сравнивается информация, записанная в регистрах 18 и 19. Если данное в стеке 19 больше данного в стеке 18 (чувствительный элемент 1 с малой крутизной возвращается к положению равновесия), то импульсы после операции логического "И" в устройстве 21 поступают на вход схемы собирания 24, а затем на вход двоичного умножителя 25, а затем в виде импульсов на вход второго реверсивного двоичного счетчика 26. Сигнал на выходе 26 будет равен Vf_u4/2ⁿ (где Х - входной сигнал, f_u4 - частота заполнения, n - разрядность счетчика 26). Если данное в регистре 18 больше данного в регистре 19, то после сравнения в 20, сигнал поступает на инвертор 22, а затем на один из входов схемы "И" 23, другой вход которой связан с устройством распределения синхроимпульсов 16. Сигнал с частотой f_u5<f_u4 поступает на вход схемы собирания 24, а затем через двоичный умножитель 25 на вход второго реверсивного двоичного счетчика 26, на выходе которого сигнал будет пропорционален Xf_u5/2ⁿ. Изменяя частоту заполнения f, можно менять крутизну переходной характеристики чувствительного элемента 1 на входное ускорение (или наклон основания). Цифровой код со второю реверсивного двоичного счетчика 26 поступает на вход счетчика текущей информации 27, на другой вход 27 поступают импульсы со счетчика интервала преобразования 29. На дополнительные входы 27 и 29 поступают импульсы счета с устройства распределения синхроимпульсов 16 и происходит преобразование интервала в ШИМ (широтно импульсная модуляция). Текущая информация с 27 и 29 поступает либо на вход R, либо на вход S триггера обратной связи 28 и в зависимости от его состояния ("0" либо "1" ) поступает затем на вход прецизионного релейного элемента 30, переключающийся на частоте U6 с устройства распределения синхроимпульсов 16 и в виде ШИМа поступает на вход датчика моментов 32 через третий преобразователь напряжение - ток 31. Другие входы датчика моментов 32 связаны с выходами преобразователей напряжение - ток 7 и 9, включенные в местные обратные связи. Под действием сигналов, поступающих с 7, 9 и 31, чувствительный элемент 1 возвращается в исходное положение.

Информация, пропорциональная действующему ускорению, снимается с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 26.

В зависимости от состояния схемы сравнения 20, осуществляющей анализ стеков 18 и 19, интегрирование сигналов обратной связи будет происходить с коэффициентами передачи Xf_u4/2ⁿ либо Xf_u5/2ⁿ, причем f_u4>f_u5.

Включение в цифровую интегрирующую обратную связь итогового регистра, двух стеков, схемы сравнения, схемы собирания, управление которой осуществляется схемами "И" и инвертором, двоичного умножителя и второго реверсивного двоичного счетчика позволяет менять крутизну во времени прихода чувствительного элемента в установившееся значение, делать ее более крутой в начальный промежуток времени и более пологой в последующий. Тем самым можно исключить перерегулирование и обеспечить оптимальное протекание переходного процесса (быстродействие системы), увеличивая при этом коэффициент передачи по разомкнутуму контуру, определяющий точность в установившемся режиме.

Устройство предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения, навигации. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратной связи, ждущие синхронные генераторы, усилитель, датчик момента, интегрирующий усилитель, компаратор, два преобразователя напряжение - ток. Для повышения точности введен цифровой интегрирующий канал с выхода первого реверсивного двоичного счетчика на вход датчика момента. Канал содержит последовательно включенные по информационным входам итоговый регистр, первый и второй стеки, схему сравнения, первую схему логического умножения - И, схему собирания, двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, счетчик текущей информации, триггер обратной связи, прецизионный релейный элемент, третий преобразователь напряжение - ток, причем второй вход схемы собирания соединен с выходом схемы сравнения через инвертор и вторую схему логического умножения, а второй вход счетчика текущей информации соединен с одним из выходов счетчика интервала преобразования, другой выход которого соединен с S-входом триггера обратной связи. 1 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, фазовый детектор положительной обратной связи, фазовый детектор отрицательной обратной связи, ждущие синхронные генераторы, усилитель, датчик момента, интегрирующий усилитель, компаратор, два преобразователя напряжение-ток, отличающееся тем, что в него введен цифровой интегрирующий канал с выхода первого реверсивного двоичного счетчика на вход датчика момента, содержащий последовательно включенные по информационным входам итоговый регистр, первый и второй стеки, схему сравнения, первую схему логического умножения И, схему собирания, двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик, счетчик текущей информации, триггер обратной связи прецизионный релейный элемент, третий преобразователь напряжение-ток, причем второй вход схемы собирания соединен с выходом схемы сравнения через инвертор и вторую схему логического умножения, а второй вход счетчика текущей информации соединен с одним из выходов счетчика интервала преобразования, другой выход которого соединен с S-входом триггера обратной связи, дополнительные входы первого и второго реверсивного счетчика, итогового регистра, первого и второго стека, схемы умножения, счетчика текущей информации и интервала преобразования, ждущих синхронных генераторов, соединены с генератором вспомогательной частоты через устройство распределения синхроимпульсов, 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 с входом первого преобразователя напряжение-ток, выход которого соединен с датчиком момента, который также соединен с выходом фазового детектора отрицательной обратной связи через фильтр верхних частот и второй преобразователь напряжение-ток, выход со второго реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.