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, МПК⁷, 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 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.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ RU 2163380 C1, MПK⁷ G 01 P 15/13, опубл. 20.02.2001, бюл. 5), содержащее аналоговый и цифровой каналы. Цифровой содержит схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный Д-триггер, схему совпадения, реверсивный счетчик и итоговый регистр. В аналоговый канал введены интегратор, фильтр и преобразователь напряжение-ток, последовательно включенные, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен со входом датчика момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, второй выход соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора, итогового регистра, реверсивного счетчика, схемы совпадения соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, второй выход асинхронного Д-триггера соединен со вторым входом схемы синхронизации.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегратора, связанная с конечностью времени заряда конденсатора. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, соответственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, интегратор, стабилизирующий фильтр, преобразователь напряжение-ток и датчик момента и цифровой канал, включающий схему синхронзации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, а также последовательно соединенные реверсивный счетчик и итоговый регистр, причем второй выход интегратора, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора и компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с входом схемы синхронизации, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода, введен трехразрядный сдвиговый регистр, первый вход которого соединен с выходом компаратора, второй вход - с пятым выходом схемы синхронизации, первый выход трехразрядного сдвигового регистра соединен со вторым входом итогового регистра, а второй, третий и четвертый выходы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика.

Введение в цифровой канал трехразрядного сдвигового регистра расширяет полосу пропускания, а введение в отрицательную обратную связь интегратора со стабилизирующим фильтром обеспечивает устойчивость устройства.

На фиг. 1 изображена блок схема устройства, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, на фиг.3 - график работы трехразрядного сдвигового регистра.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла соединен со входом усилителя 3, выход которого соединен с входом интегратора 4, выход интегратора 4 соединен с входом стабилизатора фильтра 5, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток 6, а выход преобразователя напряжение-ток 6 соединен с входом датчика момента 7, выход интегратора 4 соединен также с первым входом первого дискретизатора 8, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 9, выход сумматора 9 соединен с первым входом второго дискретизатора 10, выход второго дискретизатора 10 соединен с первым входом компаратора 11, выход компаратора 11 соединен с первым входом трехразрядного сдвигового регистра 12 второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика 13. Выход реверсивного счетчика 13 соединен с входом итогового регистра 14, другой вход которого соединен с первым выходом трехразрядного сдвигового регистра 12. Второй выход первого дискретизатора 8 соединен с входом схемы синхронизации 15, первый второй, третий и четвертый выход которой соединен со вторыми входами первого дискретизатора 8, сумматора 9, второго дискретизатора 10 и компаратора 11. Пятый выход схемы синхронизации 15 соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра 12.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений описаны в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И., Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432с., П. Хоровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники. М.: Мир., т.1-3, 1999.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент mlW (1, m - длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1 на угол α. Величина этого угла фиксируется датчиком угла 2, сигнал с которого в виде напряжения поступает на вход усилителя 3, а затем на вход интегратора 4. Сигнал с интегратора 4, в виде напряжения поступает на вход стабилизирующего фильтра 5, который используется не только для обеспечения устойчивости устройства, но и для расширения полосы пропускания. Сигнал с выхода стабилизирующего фильтра 5 поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, сигнал с выхода которого в виде тока поступает на вход датчика момента 7, который развивает момент для компенсации инерционного момента, вызванного действием ускорения. Выходной сигнал с интегратора 4 служит оценкой величины действующего ускорения в аналоговой форме. Сигнал с выхода интегратора 4 в виде напряжения поступает на первый вход первого дискретизатора 8, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 15. Первый дискретизатор 8 фиксирует величину аналогового сигнала с интегратора 4 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 8 фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 15.

Со второго выхода первого дискретизатора 8 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 15 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Сумматор 9, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 8, а на второй вход сумматора 9 поступает со второго выхода схемы синхронизации 15 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов 8 и 15, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 9 поступает на первый вход второго дискретизатора 10, на второй вход дискретизатора 10 поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 15. Второй дискретизатор 10 запоминает информацию с выхода сумматора 9 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 10 поступает на первый вход компаратора 11, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 10 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 15. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 10 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 15, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе 11 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 11 (фиг.2б), в виде уровня, поступает на первый вход трехразрядного сдвигового регистра 12, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с пятого выхода схемы синхронизации 15 (фиг. 2а). На первый вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы счета U₃ (фиг.2d) "+1" при состоянии счетчика 111, на второй вход 13 (фиг.2е) импульсы U₄ "1" при состоянии счетчика 011, 001, 000. На третий вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы установки счетчика 13 в начальное состояние "+1" (фиг.2г) при состоянии счетчика 110. Запись этой информации осуществляется по импульсу записи информации U₁ (фиг.2b) при состоянии счетчика 100. Выход информации с итогового регистра 14 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

На фиг.3 представлен график работы трехразрядого сдвигового регистра 12 при переходе информации с компаратора 11 с высокого логического уровня на низкий (U₁₁="1", U₁₁="0").

Введение в цифровой канал трехразрядного сдвигового регистра, осуществляющего управление потоком входной информации позволяет создавать устройство с расширенной полосой пропускания, значительным быстродействием. И расширение полосы и увеличение быстродействия связано с тем, что начальная установка реверсивного счетчика 13 не на "0", а на "+1".

Устройство предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Устройство содержит аналоговый и цифровой каналы. В цифровой канал введена схема управления потоком входной информации, что позволяет увеличить быстродействие устройства, а следовательно, расширить полосу пропускания. Это достигается путем введения трехразрядного сдвигового регистра, первый вход которого соединен с выходом компаратора, второй вход - с выходом схемы синхронизации, выходы сдвигового регистра соединены со входом итогового регистра и с входами реверсивного счетчика. 3 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, интегратор, стабилизирующий фильтр, преобразователь напряжение - ток и датчик момента, и цифровой канал, включающий схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, а также последовательно соединенные реверсивный счетчик и итоговый регистр, причем второй выход интегратора, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора и компараторы соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с входом схемы синхронизации, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода, отличающееся тем, что в него введен трехразрядный сдвиговый регистр, первый вход которого соединен с выходом компаратора, второй вход - с пятым выходом схемы синхронизации, первый выход трехразрядного сдвигового регистра соединен со вторым входом итогового регистра, а второй, третий и четвертый выходы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика.