УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК⁶ G01P 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 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 усилителя отрицательной обратной связью, осуществлять компенсацию электрических помех.

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

Наиболее близким по техническому решению является устройство (описанное в МПК⁶ А.С. №742801 опубл. в бюл. изобретений №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 подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная работой интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Точность измерения зависит от параметров 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 настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства и повышение точности измерения.

Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, датчик момента, электронный ключ и отрицательную обратную связь, введены последовательно по информационным входам с выхода датчика угла на вход датчика моментов широкополосный и избирательные усилители, компаратор, преобразователь уровня сигнала, пара логических элементов "И", пара ждущих синхронных генераторов, двоичный реверсивный счетчик, двоичный сумматор, преобразователь дополнительного кода в прямой, двоичный умножитель, а также генератор тока, причем выход двоичного умножителя соединен с одним из входов электронного ключа, выход которого соединен с входом датчика момента, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и логических элементов "И", дополнительные входы двоичного сумматора соединены с выходами ждущих синхронных генераторов, одни из входов преобразователя дополнительного кода в прямой и электронного ключа соединены с выходом двоичного сумматора, кроме того, в устройство введен генератор вспомогательной частоты, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов, двоичного сумматора, двоичного умножителя, а выход генератора тока соединен с входом электронного ключа, и выход двочного реверсивного счетчика является цифровым выходом устройства.

Введение в устройство усилителей, компаратора, преобразователей уровня сигнала, логических элементов, ждущих синхронных генераторов, двоичного реверсивного счетчика, двоичного сумматора и двоичного умножителя позволило создать устройство с расширенной полосой пропускания, т.к. нет ограничений по разрядам цифрового кода, и с астатизмом по отклонению за счет введения в обратную связь двоичного умножителя.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, на фиг.2 - логарифмическая амплитудно-фазово-частотная характеристика устройства (ЛАФЧХ).

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого, вызванное действием ускорения W, фиксируется датчиком угла 2, выход датчика угла 2 соединен с широкополосным усилителем 3. Дополнительный вход датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения (ГОН) 4. Выход усилителя 3 соединен с входом избирательного усилителя 5, выход которого соединен с входом компаратора 6. Выход компаратора 6 соединен с входом преобразователя уровня сигнала 7, выходы которого соединены с входами пары логических схем "И" 8 и 9, выходы которых соединены соответственно с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 10 и 11. Выходы ЖСГ 10 и 11 соединены как с входами двоичного реверсивного счетчика 12, так и с входами двоичного сумматора 13, причем выход двоичного реверсивного счетчика 12 соединен с одним из входов двоичного сумматора 13. Выход двоичного сумматора 13 соединен с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 14, выход которого соединен с входом двоичного умножителя 15. Выход двоичного умножителя 15 соединено с одним из входом электронного ключа 16. Выход электронного ключа 16 соединен с входом датчика моментов 17, а другие входы преобразователя дополнительного кода в прямой 14, электронного ключа 16 соединены с одним из выходов двоичного сумматора 13, и один из входов электронного ключа 16 соединен с выходом генератора тока 18. Вторые входы пары схем "И" 8 и 9 соединены с выходом генератора опорного напряжения 4, а одни из входов ЖСГ 10 и 11, двоичного сумматора 13, двоичного умножителя 15 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 19. Один из выходов двоичного реверсивного счетчика 12 является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.

Внутреннее содержание широкополосного и избирательного усилителей, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, двоичного умножителя, преобразователя уровня сигнала, двоичного сумматора описано в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный m1W (1, m - приведенная 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 широкополосным усилителем 3, поступает на вход избирательного усилителя 5, который выделяет сигнал на несущей частоте f₁ (ГОН). Сигнал с избирательного усилителя поступает на вход компаратора 6 и сигнал на выходе компаратора 6 в виде уровня ± U₅ с усилителя 5. Сигнал с компаратора 6 поступает на вход преобразователя уровня сигнала 7, в котором вырабатывается сигнал в виде напряжения от 0 до ±2.5 (В), т.е. необходимый уровень напряжения для работы пары логических элементов "И" 8 и 9. Срабатывание схем 8 и 9 осуществляется на несущей частоте ГОН 4. Пары ЖСГ 10 и 11 "взводятся" сигналом логического уровня с 8 и 9 и ограничиваются, сбрасываясь сигналом f₂ с генератора вспомогательной частоты 19. Реверсивный двоичный счетчик 12 осуществляет подсчет результатов опроса с ЖСГ 10 и 11, и выходной сигнал в виде двоичного цифрового кода поступает на вход двоичного сумматора 13, который осуществляет сложение сигналов с выходов 10, 11, 12, причем разрядность полученного цифрового кода определяется сигналом с выходов ЖСГ 10 и 11. Выходной сигнал с выхода двоичного сумматора 13, на частоте f₂ с генератора вспомогательной частоты 19, поступает на один из входов преобразователя дополнительного кода в прямой 14, переключение которого осуществляется по знаку (с плюса на минус) с одного из выходов двоичного сумматора 13. Цифровая информация с 14 поступает на один из входов двоичного умножителя 15, на выходе которого будут синхроимпульсы на частоте f₂ с 19. Импульсы с двоичного умножителя 15 поступают на один из входов электронного ключа 16, причем знаковый разряд двоичного сумматора 13 управляет электронным ключем 16. Другой вход электронного ключа 16 соединен с генератором тока 18. Сигнал в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с выхода электронного ключа 16 поступает на вход датчика моментов 17, который развивает момент, по модулю и знаку, компенсирующий угловое отклонение 1.

Введение в устройство широкополосного и избирательного усилителей, компаратора, преобразователя уровня сигнала, двоичного сумматора, преобразователя дополнительного кода в прямой, двоичного умножителя, электронного ключа позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом первого порядка и с расширенной полосой пропускания.

Устройство для измерения ускорений было промоделировано на ЭВМ и результаты представлены на фиг.2. Анализируя ЛАФЧХ, можно сделать следующие выводы:

1. Реакция устройства для измерения ускорений на постоянные ускорения равна нулю.

2. На низкочастотные воздействия устройство для измерения ускорений реагирует слабо.

3. В области частот больше частоты среза частотная характеристика близка к интегрирующему звену.

Изобретение предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, датчик моментов и электронный ключ, включенные в отрицательную обратную связь, а также введенные последовательно по информационным входам с выхода датчика угла на вход датчика моментов широкополосный и избирательные усилители, компаратор, преобразователь уровня сигнала, пару логических элементов "И", пару ждущих синхронных генераторов, двоичный реверсивный счетчик, двоичный сумматор, преобразователь дополнительного кода в прямой, двоичный умножитель, электронный ключ. Выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и парой логических элементов "И". Дополнительные входы двоичного сумматора соединены с выходами ждущих синхронных генераторов. Одни из входов преобразователя дополнительного кода в прямой и электронного ключа соединены с выходом двоичного сумматора. Кроме того, в устройство введен генератор вспомогательной частоты, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов, двоичного сумматора, двоичного умножителя, а выход генератора тока соединен с входом электронного ключа. Выход двоичного реверсивного счетчика является цифровым выходом устройства. Техническим результатом является расширение полосы пропускания и увеличение точности измерения ускорений. 2 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, датчик момента, электронный ключ и отрицательную обратную связь, отличающееся тем, что в него введены последовательно по информационным входам с выхода датчика угла на вход датчика моментов широкополосный и избирательные усилители, компаратор, преобразователь уровня сигнала, пара логических элементов "И", пара ждущих синхронных генераторов, двоичный реверсивный счетчик, двоичный сумматор, преобразователь дополнительного кода в прямой, двоичный умножитель, а также генератор тока, причем выход двоичного умножителя соединен с одним из входов электронного ключа, выход которого соединен с входом датчика момента, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и логических элементов "И", дополнительные входы двоичного сумматора соединены с выходами ждущих синхронных генераторов, одни из входов преобразователя дополнительного кода в прямой и электронного ключа соединены с выходом двоичного сумматора, кроме того, в устройство введен генератор вспомогательной частоты, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов, двоичного сумматора, двоичного умножителя, а выход генератора тока соединен с входом электронного ключа, и выход двоичного реверсивного счетчика является цифровым выходом устройства.