УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОГО ИМПУЛЬСА Российский патент 2008 года по МПК G01P15/09 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных измерений, а именно к измерению параметров ударных импульсов.

При проведении испытаний различной аппаратуры на воздействие ударных перегрузок возникает задача измерения их параметров: значения перегрузки, длительности ударного импульса, формы ударного импульса, скорости нарастания и спада амплитуды ударного импульса, спектра непосредственно на корпусе испытуемого прибора. Для этого необходимо использование малогабаритных автономных регистраторов ударных воздействий.

Известно устройство для контроля формы ударного импульса (см. авторское свидетельство СССР, №490019, 1973 г., кл. G01р 15/00), содержащее пьезоакселерометр, предусилитель, фильтр, усилитель, блок регистрации с индикатором, блок памяти, а также второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, двухуровневую схему сравнения и схему сигнализации. Это устройство предназначено для сравнения формы измеряемого ударного импульса с формой заданного эталонного импульса и не позволяет детально контролировать другие параметры ударного импульса - длительность, скорость нарастания и спада амплитуды, спектр и т.д.

Известен измеритель длительности ударных импульсов (см. авторское свидетельство СССР, №550880, 1973, кл. G01Р 15/00), состоящий из пьезоакселерометра, согласующего усилителя, фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом коммутатора и схемой запоминания пикового значения амплитуды ускорения. Выходы коммутатора связаны с блоком многоканальной памяти, а он, в свою очередь, связан со вторым коммутатором. Выход коммутатора через буферный усилитель и сглаживающий фильтр подключен к самописцу уровня и пороговому устройству регистратора длительности. Схема запоминания пикового значения соединена с аналого-цифровым преобразователем и через потенциометр с пороговым устройством. Блок памяти с коммутаторами и регистратор длительности, состоящий из вентиля, счетчика и индикатора, управляются от синхронизатора. Устройство обеспечивает возможность измерения длительности ударного импульса и пикового значения его амплитуды.

Недостаток этого устройства заключается в том, что оно не позволяет запомнить форму ударного импульса с целью проведения всестороннего анализа для определения его параметров: длительности, амплитуды, формы, скорости нарастания и спада амплитуды, спектра и т.д. Кроме того, устройство не может быть реализовано с малыми габаритами и малым энергопотреблением, т.к. оно содержит самописец и другие крупногабаритные энергоемкие узлы. Наличие таких узлов не позволяет измерять с помощью данного устройства короткие ударные импульсы в экстремальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения параметров ударного импульса (см. патент РФ №2237903, МПК⁷ G01P 15/09), содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель, аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, последовательно соединенные второй пьезоакселерометр и второй усилитель; последовательно соединенные третий пьезоакселерометр и третий усилитель, причем оси чувствительности пьезоакселерометров взаимно ортогональны; усилители выполнены с двумя входами, аналого-цифровой преобразователь - с четырьмя входами, три из которых соединены, соответственно, с выходами усилителей; последовательно соединенные автономный однополярный источник питания и преобразователь напряжения питания; последовательно соединенные источник опорного напряжения и усилитель тока, соединенный выходом со вторыми входами первого, второго и третьего усилителя; последовательно соединенные генератор и устройство управления; переключатель напряжения, соединенный первым и вторым входами соответственно с выходом автономного однополярного источника питания и выходом преобразователя напряжения питания, а выходом - с первым входом блока памяти, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и вторым входом устройства управления, выход которого соединен со вторым входом преобразователя напряжения питания; выход источника опорного напряжения соединен с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя. Устройство позволяет измерять и запоминать значения ускорения ударного импульса в моменты, определяемые частотой преобразования АЦП аналогового значения ускорения в цифровой код, в течение 1 секунды.

Недостаток прототипа заключается в том, что это устройство не обеспечивает высокой точности измерения значений ускорения ударного импульса из-за невозможности регулирования диапазона измерения этих ускорений и частоты преобразования аналоговых значений ускорения в цифровой код. Невозможность регулирования диапазона измерения приводит к увеличению погрешности измерения при малых амплитудах ускорения ударных импульсов, а невозможность изменять частоту преобразования не позволяет измерять ускорения ударных импульсов различной длительности (при неизменном объеме памяти). Кроме того, из-за отсутствия на входах устройства фильтрующих блоков возникают дополнительные динамические погрешности измерения ускорений ударного импульса.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным изобретением, является повышение точности измерения ускорения ударного импульса за счет регулирования диапазона измерения и перестройки частоты преобразования, а также за счет фильтрации помех.

Технические результаты достигаются тем, что в устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее три пьезоакселерометра, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны; аналого-цифровой преобразователь; блок памяти; последовательно соединенные автономный источник питания и преобразователь напряжения; генератор, дополнительно введены три перестраиваемых полосопропускающих фильтра, соединенных первыми входами соответственно с выходами трех пьезоакселерометров, а выходами - соответственно с тремя входами аналого-цифрового преобразователя; микропроцессор, соединенный первым входом с выходом генератора; цифроаналоговый преобразователь, соединенный входом с первым выходом микропроцессора; регистр, соединенный входом со вторым выходом микропроцессора, а выходом - со вторыми входами трех перестраиваемых полосопропускающих фильтров, третьи входы которых соединены с выходом цифроаналового преобразователя; блок интерфейса связи, вход которого соединен с третьим выходом микропроцессора; таймер, соединенный первым входом со вторым входом преобразователя напряжения, вторым входом - с пятым выходом микропроцессора, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения, третий вход - с выходом аналого-цифрового преобразователя, шестой выход - с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя; седьмой выход - с первым входом преобразователя напряжения; выход таймера соединен с третьим входом преобразователя напряжения. Существо изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве за счет изменения коэффициента передачи перестраиваемых полосопропускающих фильтров (ППФ) по сигналу регистра и программируемого микропроцессора осуществляется регулирование диапазона измерения значений ускорения ударного импульса, при этом нулевой уровень ППФ перестраивает цифроаналоговый преобразователь. Кроме того, ППФ осуществляет фильтрацию помех. Изменение частоты преобразования АЦП осуществляется по сигналу, поступающему от микропроцессора.

Функциональная схема предлагаемого устройства изображена на чертеже. Устройство для измерения параметров ударного импульса содержит: три пьезоакселерометра 1; три перестраиваемых полосопропускающих фильтра (ППФ) 2; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 4; регистр 5; генератор 6; микропроцессор 7; преобразователь напряжения 8; автономный источник питания 9; блок памяти 10; блок интерфейса связи 11; таймер 12. Пьезоакселерометры 1 имеют один выход, перестраиваемые полосопропускающие фильтры 2 выполнены с тремя входами и одним выходом, АЦП 3 выполнен с четырьмя входами и одним выходом, ЦАП 4 выполнен с одним входом и одним выходом, регистр 5 имеет один вход и один выход, генератор 6 имеет один выход, микропроцессор 7 выполнен с семью выходами и пятью входами, преобразователь напряжения 8 имеет три входа и один выход, автономный источник питания 9 имеет один выход, блок памяти 10 имеет один вход и один выход, блок интерфейса связи 11 имеет два входа и два выхода, таймер 12 имеет два входа и один выход. При этом входы трех пьезоакселерометров 1 соединены соответственно с первыми входами ППФ 2, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами АЦП 3. Вторые входы ППФ 2 соединены с выходом ЦАП 4, а третьи входы ППФ 2 соединены с выходом регистра 5. Входы ЦАП 4 и регистра 5 и четвертый вход АЦП соединены соответственно с первым, вторым и шестым выходами микропроцессора 7. Первый вход микропроцессора 7 соединен с выходом генератора 6; второй вход - с выходом преобразователя напряжения 8; третий вход - с выходом АЦП3; третий выход - с входом блока интерфейса связи 11; четвертый выход - со входом блока памяти 10; пятый выход - со вторым входом таймера 12, а седьмой выход микропроцессора 7 соединен с первым входом преобразователя напряжения 8. Выход автономного источника питания 9 соединен со вторым входом блока преобразования напряжения 8. Выход таймера 12 соединен с третьим входом преобразователя напряжения 8. На четвертый вход блока преобразователя напряжения 8 и первый вход таймера подается сигнал «Запуск» устройства.

Предлагаемое устройство работает в следующих режимах: режим установки значений параметров регистрации; режим регистрации; режим хранения данных; режим считывания данных в ПЭВМ.

В режиме установки значений регистрации через интерфейс связи 11 устанавливается связь между микропроцессором 7 устройства и ПЭВМ и задаются параметры регистрации: время регистрации ударного импульса Трег, порог срабатывания Ап, коэффициент передачи перестраиваемого полосопропускающего фильтра Кф, время ожидания появления ударного импульса tож, частота преобразования АЦП - F, а также диапазон измерения ускорения ударного импульса. Заданные значения запоминаются микропроцессором 7 в блоке памяти 10, после чего устройство готово к регистрации. При выходе из режима установки значений параметров регистрации микропроцессор 7 обесточивает устройство, выключая преобразователь напряжения 8.

В режим регистрации устройство переходит при подаче сигнала «Запуск». Сигнал «Запуск» включает преобразователь напряжения 8, который подает питание на все элементы устройства. Питание преобразователя напряжения 8 осуществляется от автономного источника питания 9. Одновременно включается таймер 12. После подачи напряжения включается микропроцессор 7 и генератор 6, который задает тактовую частоту работы микропроцессора 7. Микропроцессор 7 проводит самотестирование, считывает запомненные значения параметров регистрации и в соответствии с ними устанавливает через регистр 5 коэффициенты передачи перестраиваемых полосопропускающих фильтров 2 и время tож в таймере 12. В соответствии с заданными коэффициентами передачи микропроцессор через цифроаналоговый преобразователь 4 подает сигнал смещения на перестраиваемые полосопропускающие фильтры 2, устанавливая значения выходного напряжения фильтров (при нулевом входном сигнале) в середине диапазона аналого-цифрового преобразователя 3. Затем устройство ожидает появления ударного импульса. В это время АЦП 3 преобразует сигналы от пьезоакселерометров 1, прошедших перестраиваемые полосопропускающие фильтры 2, и осуществляет циклическую запись их значений в микропроцессор 7. Если значение ускорения от одного из акселерометров 1 превысит заданный порог Ап, то считается, что появился ударный импульс и микропроцессор 7 начинает записывать значения ускорения ударного импульса в блок памяти 10 в течение времени Трег. Затем микропроцессор 7 выключает преобразователь напряжения 8 и переходит в режим хранения информации. Информация в этом режиме может сохраняться не менее одного года (FLASH-память). Если в течение времени tож с момента подачи сигнала «Запуск» ударный импульс не появился, то таймер 12 выключает преобразователь напряжения 8, обесточивая устройство. При этом записи сигнала в блок памяти 10 не происходит и устройство может быть снова переведено в состояние регистрации подачей сигнала «Запуск».

После записи регистрируемого сигнала в блок памяти 10 устройство может быть переведено только в режим считывания данных и до тех пор пока данные не будут считаны, а память не будет очищена, устройство невозможно перевести в другой режим. В режиме считывания данных устанавливается связь между микропроцессором 7 и ПЭВМ через блок интерфейса 11 и значения ускорения ударного импульса считываются в ПЭВМ для их анализа и обработки.

Повышение точности измерения ускорения ударного импульса достигается за счет того, что обеспечивается регулирование диапазона измерения значений ускорения ударного импульса путем изменения коэффициента передачи перестраиваемых полосопропускающих фильтров 2 по сигналу с регистра 5 и программируемого микропроцессора 7, а также цифроаналогового преобразователя 4, который перестраивает нулевой уровень ППФ 2, обеспечивающих фильтрацию помех. Изменение частоты преобразования АЦП 3 осуществляется по сигналу, поступающему от микропроцессора 7.

Устройство может быть реализовано на следующей элементной базе:

Микропроцессор 7, АЦП 3, ЦАП 4 и регистр 5, таймер 12 на микросхеме C80551F124, преобразователь напряжения 8 на микросхеме MAX1759EUB, блок интерфейса 11 на микросхеме SP 322Е, а блок памяти 10 на микросхеме AT45DB642, полосопропускающие фильтры 2 на микросхеме AD820AR, генератор 6 на микросхеме МА-406Н 20,000МГц, автономный источник питания на аккумуляторах GP28AAAM, пьезоакселерометр 1 - на основе датчика АП21.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения параметров ударного импульса в сравнении с прототипом позволяет измерить ускорения ударного импульса с погрешностью, в 2-5 раз меньшей погрешности прототипа при входных сигналах, составляющих менее 10% от максимальных уровней.

Изобретение относится к области гравиинерциальных измерений, а именно к измерению параметров ударных импульсов. Устройство содержит три пьезоакселерометра, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, последовательно соединенные автономный источник питания и преобразователь напряжения, генератор, содержащий три перестраиваемых полосопропускающих фильтра, соединенных первыми входами с выходами трех пьезоакселерометров, а выходами - с тремя входами аналого-цифрового преобразователя, микропроцессор, цифроаналоговый преобразователь, регистр, блок интерфейса связи и таймер. Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является повышение точности измерения ускорения ударного импульса за счет регулирования диапазона измерения и перестройки частоты преобразования, а также за счет фильтрации помех. 1 ил.

Устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее три пьезоакселерометра, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны; аналого-цифровой преобразователь; блок памяти; последовательно соединенные автономный источник питания и преобразователь напряжения; генератор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены три перестраиваемых полосопропускающих фильтра, соединенных первыми входами соответственно с выходами трех пьезоакселерометров, а выходами - соответственно с тремя входами аналого-цифрового преобразователя; микропроцессор, соединенный первым входом с выходом генератора; цифроаналоговый преобразователь, соединенный входом с первым выходом микропроцессора; регистр, соединенный входом со вторым выходом микропроцессора, а выходом - со вторыми входами трех перестраиваемых полосопропускающих фильтров, третьи входы которых соединены с выходом цифроаналогового преобразователя; блок интерфейса связи, вход которого соединен с третьим выходом микропроцессора; таймер, соединенный первым входом со вторым входом преобразователя напряжения, вторым входом - с пятым выходом микропроцессора, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения, третий вход - с выходом аналого-цифрового преобразователя, а шестой выход с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя, седьмой выход - с первым входом преобразователя напряжения; выход таймера соединен с третьим входом преобразователя напряжения.