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.

Известно также устройство для измерения длительности ударных импульсов (см. авторское свидетельство СССР, №550880, 1973, кл. G01P 15/00), состоящее 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 параметры коротких ударных импульсов в экстремальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения параметров ударного импульса (см. патент РФ №2237903, кл. G01P 15/09), содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель, а также аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, последовательно соединенные второй пьезоакселерометр и второй усилитель; последовательно соединенные третий пьезоакселерометр и третий усилитель; 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 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. Это устройство позволяет измерять следующие характеристики ударных импульсов: форму, амплитуду, длительность, скорость нарастания и спада амплитуды, спектр удара и т.д.

Недостаток прототипа заключается в том, что это устройство имеет неизменное значение диапазона измерения амплитуды входных ударных воздействий. Это приводит к тому, что при уровнях входных сигналов менее 10% от амплитудного диапазона в 5-10 раз увеличивается погрешность измерения амплитуды ударного импульса. Кроме того, в нем не обеспечивается возможность регистрации ударных воздействий с различными частотами квантования и, соответственно, различными длительностями их записи.

В результате оказывается невозможным идентифицировать параметры как коротких, длительностью 100-200 мкс, так и длинных ударных импульсов, длительностью до нескольких миллисекунд, с одинаковыми погрешностями измерения.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является уменьшение погрешности измерения за счет изменения программно-управляемым способом диапазонов измеряемых амплитуд ударных импульсов и частоты преобразования входных импульсов и, соответственно, длительностей записи ударных воздействий (при неизменном объеме памяти).

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель; второй пьезоакселерометр и второй усилитель; третий пьезоакселерометр и третий усилитель; аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти; генератор; автономный однополярный источник питания; первый преобразователь напряжения питания, дополнительно введены последовательно соединенные четвертый акселерометр и четвертый усилитель; четыре нормирующих усилителя, соединенных первыми входами, соответственно, с выходами первого, второго, третьего и четвертого усилителей, а выходами, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым входами аналого-цифрового преобразователя; второй преобразователь напряжения питания, соединенный вторым и третьим входами соответственно, со вторым и первым выходами автономного однополярного источника питания и четвертым и третьим входами первого преобразователя напряжения питания; регистр объединения полубайтов, соединенный первым и вторым входами с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя; второй блок памяти, соединенный первым входом с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, первым входом первого блока памяти и выходом регистра объединения полубайтов; последовательно соединенные регистр считывания, вход которого соединен с выходом регистра объединения полубайтов, и коммутатор; микроконтроллер, первый вход которого соединен с выходом генератора, а второй вход соединен со вторым выходом коммутатора; формирователь управляющих сигналов, соединенный первым выходом с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, пятым выходом с третьим входом регистра объединения полубайтов, вторым и третьим выходами соответственно со вторым и третьим входами первого и второго блоков памяти; контроллер оперативной памяти, соединенный первым выходом с шестыми входами блока памяти, третьим и вторым выходами, соответственно, с четвертыми входами первого и второго блоков памяти, вторым входом с первым выходом автономного однополярного источника питания, а первым входом с первым выходом формирователя управляющих сигналов; регистр начальных установок, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора; управляемый делитель частоты, первый и второй входы которого соединены с седьмым и восьмым выходами регистра начальных установок, третий вход соединен с выходом генератора, а выход с первым входом формирователя управляющих сигналов, соединенного вторым и третьим входами, соответственно, с первым и вторым выходами регистра начальных установок, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с третьими и вторыми входами первого и второго нормирующих усилителей, а пятый и шестой выходы соединены, соответственно, с третьими и вторыми входами третьего и четвертого нормирующих усилителей; счетчик адреса, соединенный входом с четвертым выходом формирователя управляющих сигналов, а выходом с пятыми входами первого и второго блоков памяти; формирователь интерфейса, соединенный входом с третьим входом - выходом микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с шестыми входами первого и второго блоков памяти, а первый выход с первым входом первого преобразователя напряжения питания, соединенного вторым входом с первым входом второго преобразователя напряжения питания.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство для измерения параметров ударного импульса содержит четыре однокомпонентных пьезоэлектрических преобразователя ударных импульсов (ускорений) в электрический сигнал (пьезоакселерометров) 1-4; четыре усилителя электрического заряда 5-8; четыре нормирующих усилителя (НУ); 9-12 двенадцатиразрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13; первый 14 и второй 15 блоки памяти; регистр объединения полубайтов 16; формирователь управляющих сигналов (ФУС) 17; счетчик адреса 18; контроллер оперативной памяти 19; управляемый делитель частоты 20; регистр начальных установок 21; регистр считывания 22; коммутатор 23; микроконтроллер 24; генератор 25; формирователь интерфейса 26; первый 27 и второй 28 преобразователи напряжения питания; автономный однополярный источник питания (АИП) 29.

Выходы пьезоакселерометров 1-4 подключены к соответствующим входам усилителей заряда 5-8, выходы которых подключены, соответственно, к первым входам НУ 9-12, вторые входы первого 9 и второго 10 НУ соединены, соответственно, с четвертым выходом, а третьего 11 и четвертого 12 НУ с шестым выходом регистра начальных установок 21, третьи входы первого 9 и второго 10 НУ соединены с третьим, а третьего 11 и четвертого 12 НУ с пятым выходом регистра начальных установок 21, седьмой и восьмой выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами управляемого делителя частоты 20.

Выходы НУ 9-12 подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому входам АЦП 13, к пятому входу которого подсоединен первый выход ФУС 17, который также подключен к первому входу контроллера оперативной памяти 19, второй вход которого соединен с первым выходом АИП 29.

Первый выход АЦП 13 подключен к первым входам блоков памяти 14 и 15, а также ко входу регистра считывания 22, а второй выход АЦП 13 подключен к первому и второму входам регистра объединения полубайтов 16, выход которого подключен к первым входам блоков памяти 14 и 15. Первый вход ФУС 17 соединен с выходом управляемого делителя частоты 20, а второй и третий входы ФУС 17 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами регистра начальных установок 21. Второй выход ФУС 17 соединен со вторыми входами блоков памяти 14 и 15, а третий выход ФУС 17 соединен с третьими входами блоков памяти 14 и 15. Четвертый выход ФУС 17 соединен с входом счетчика адреса 18, а пятый выход ФУС 17 соединен с третьим входом регистра объединения полубайтов 16. Выходная шина счетчика адреса 18 соединена с пятыми входами первого 14 и второго 15 блоков памяти. Первый выход контроллера оперативной памяти 19 соединен с шестыми входами первого 14 и второго 15 блоков памяти и с четвертым входом микроконтроллера 24; второй выход контроллера оперативной памяти 19 соединен с четвертым входом второго блока памяти 15, а третий его выход соединен с четвертым входом первого блока памяти 14. Выход регистра считывания 22 соединен со входом коммутатора 23, первый выход которого соединен с первым входом регистра начальных установок 21, а второй его выход соединен со вторым входом микроконтроллера 24. Первый вход микроконтроллера 24 соединен с выходом генератора 25 и третьим входом управляемого делителя частоты 20. Третий выход микроконтроллера 24 соединен с формирователем интерфейса 26, а на пятый вход микроконтроллера 24 подается внешний сигнал "запись". Первый выход микроконтроллера 24 соединен с первым входом преобразователя напряжения питания 27. Выход формирователя интерфейса 26 соединен с персональным компьютером (ПК). На второй вход преобразователя напряжения питания 27 подается внешний сигнал "пуск", третий его вход соединен с третьим входом преобразователя напряжения питания 28, первым выходом АИП 29 и вторым входом контроллера оперативной памяти 19. Первый выход преобразователя напряжения питания 27 имеет обозначение +U, второй его выход соединен с первым входом преобразователя напряжения питания 28. Второй выход АИП 29 соединен, соответственно, с четвертым входом преобразователя напряжения питания 27 и вторым входом преобразователя напряжения питания 28. Выход преобразователя напряжения питания 28 имеет обозначение -U.

Все блоки размещены в общем прочном металлическом корпусе. При этом АИП 29 и электронные элементы защищены от ударных нагрузок путем помещения их в резиноподобный компаундный модуль.

Устройство для измерения параметров ударного импульса работает следующим образом. Перед установкой устройства на объект испытаний извне посредством кратковременного командного сигнала "пуск" включаются преобразователи напряжения питания 27 и 28, преобразующие напряжение питания АИП 29 в рабочее напряжение питания плюс 5 В и минус 5 В соответственно и осуществляющие питание всех электронных элементов устройства. После подачи рабочего напряжения включается микроконтроллер 24, который, работая по программе, управляет работой преобразователей напряжения питания 27 и 28 после прекращения действия командного сигнала "пуск". В микроконтроллер 24 по информационной линии связи через формирователь интерфейса 26 с помощью управляющей программы записываются с внешнего персонального компьютера необходимые исходные установки: частота преобразования АЦП 13; значение коэффициента преобразования нормирующих усилителей 9-12; номер поддиапазона преобразования по каждому каналу; чувствительность используемых внешних пьезоакселерометров 1-4. По окончании записи исходных установок управляющая программа посылает в микроконтроллер 24 команду на отключение всего устройства, после получения которой преобразователи напряжения питания 27 и 28 отключаются и микроконтроллер 24 остается подключенным через контроллер оперативной памяти 19 к АИП 29. Все установки сохраняются в памяти микроконтроллера 24. Затем устройство отключается от внешнего персонального компьютера.

После установки на объект испытаний устройство работает с использованием двух кратковременных внешних командных сигналов: "пуск" и "запись".

После повторной подачи на устройство сигнала "пуск" включаются преобразователи напряжения питания 27 и 28 и на схему подается рабочее напряжение. Включается микроконтроллер 24 и управляет по программе работой преобразователей напряжения питания 27 и 28 после прекращения действия сигнала "пуск". Далее, действуя по своей программе, микроконтроллер 24 переписывает заданные ранее исходные установки в регистр начальных установок 21 и формирователь управляющих сигналов 17. После записи исходных установок в ФУС 17 микроконтроллер 24 переходит в режим ожидания сигнала "запись" для продолжения работы. Сигнал "запись" подается за 15-20 мс до ударного воздействия на внешние пьезоакселерометры 1-4. При приходе извне сигнала "запись" микроконтроллер 24 выдает сигнал на начало работы ФУС 17. В соответствии с полученными установками ФУС 17 формирует сигналы, задающие коэффициент передачи нормирующих усилителей 9-12 с переключаемым коэффициентом передачи, а также все необходимые сигналы для управления работой АЦП 13 и для записи результатов измерений с внешних пьезоакселерометров 1-4, которые подверглись ударному воздействию, в блоки памяти 14 и 15. Затем результаты этих измерений считываются из блоков памяти 14 и 15 и через регистр считывания 22, коммутатор 23, микроконтроллер 24 и формирователь интерфейса 26 передаются для обработки во внешний персональный компьютер (ПК).

Для синхронизации работы и формирования последовательности управляющих сигналов для АЦП 13 первого и второго блоков памяти 14 и 15 используется генератор 25. Частота преобразования АЦП 13 формируется из частоты генератора 25 с помощью управляемого делителя частоты 20. Начальная установка значений частоты преобразования АЦП 13 осуществляется от микроконтроллера 24 с помощью регистра начальных установок 21, который управляет работой управляемого делителя частоты 20. Счетчик адреса 18 и контроллер оперативной памяти 19 осуществляют управление работой блоков памяти 14 и 15.

В предлагаемом техническом решении могут использоваться как внешние пьезоэлектрические преобразователи, так и внутренние, устанавливаемые в корпусе устройства. Они подключаются к первым входам усилителей 5-8.

Предлагаемые в устройстве схемотехнические решения позволяют производить увеличение числа информационных каналов. Для этого оно должно дополнительно оснащаться аналогичными четырехканальными преобразователями информации (ПИ). На чертеже элементы, входящие в состав четырехканального преобразователя, помещены в штрихпунктирную область и обозначены как ПИ1. Управление дополнительными ПИ осуществляется по общей шине от микроконтроллера 24. Таким образом, число каналов может быть увеличено до 8, 12 или 16.

В устройстве использована следующая элементная база: в качестве пьезоэлектрических преобразователей 1-4 использованы пьзоакселерометры типа АП; автономный источник питания 29 состоит из четырех аккумуляторов типа НЛЦ-0,9; зарядовые усилители 5-8 выполнены на основе операционных усилителей AD822BR; нормирующие усилители 9-12 на основе микросхемы INA2128U; аналого-цифровой преобразователь 13 типа ADS7862Y; блоки твердотельной памяти 14, 15 типа K6X4008C1F; генератор 25 на основе SG8002JF; преобразователи напряжения питания 27, 28 типа MAX1675EUA и MAX1697UEUT-T; устройство управления, состоящее из функциональных узлов 16-18, 20-23, реализовано на программируемой логической интегральной микросхеме типа EPM7128STI100-10; микроконтроллер 24 на основе микросхемы DS87C520; контроллер оперативной памяти 19 на основе микросхемы DS1321; формирователь интерфейса 26 на основе микросхемы MAX490ESA.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения параметров ударного импульса в сравнении с прототипом позволяет снизить погрешность измерения при уровнях входных сигналов порядка 10% от максимально измеряемых значений не менее чем в 4-5 раз. Кроме того, может изменяться длительность записи ударных воздействий за счет изменения частоты преобразования АЦП программным способом.

Изобретение относится к области гравиинерциальных измерений, а именно к измерению параметров ударных импульсов. Устройство содержит четыре однокомпонентных пьезоэлектрических преобразователя ударных импульсов (ускорений) в электрический сигнал (пьезоакселерометров), четыре усилителя электрического заряда, четыре нормирующих усилителя, двенадцатиразрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, два блока памяти, регистр объединения полубайтов, формирователь управляющих сигналов, счетчик адреса, контроллер оперативной памяти, управляемый делитель частоты, регистр начальных установок, регистр считывания, коммутатор, микроконтроллер, генератор, формирователь интерфейса, два преобразователя напряжения питания и автономный однополярный источник питания. Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения за счет изменения диапазонов измеряемых амплитуд ударных импульсов и частоты преобразования входных импульсов и, соответственно, длительностей записи ударных воздействий (при неизменном объеме памяти). 1 ил.

Устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель; второй пьезоакселерометр и второй усилитель; третий пьезоакселерометр и третий усилитель; аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти; генератор; автономный однополярный источник питания; первый преобразователь напряжения питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные четвертый акселерометр и четвертый усилитель; четыре нормирующих усилителя, соединенных первыми входами соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого усилителей, а выходами соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами аналого-цифрового преобразователя; второй преобразователь напряжения питания, соединенный вторым и третьим входами соответственно со вторым и первым выходами автономного однополярного источника питания и четвертым и третьим входами первого преобразователя напряжения питания; регистр объединения полубайтов, соединенный первым и вторым входами со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя; второй блок памяти, соединенный первым входом с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, первым входом первого блока памяти и выходом регистра объединения полубайтов; последовательно соединенные регистр считывания, вход которого соединен с выходом регистра объединения полубайтов, и коммутатор; микроконтроллер, первый вход которого соединен с выходом генератора, второй вход соединен со вторым выходом коммутатора; формирователь управляющих сигналов, соединенный первым выходом с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, пятым выходом с третьим входом регистра объединения полубайтов, вторым и третьим выходами соответственно со вторым и третьим входами первого и второго блоков памяти; контроллер оперативной памяти, соединенный первым выходом с шестыми входами блоков памяти, третьим и вторым выходами соответственно с четвертыми входами первого и второго блоков памяти, вторым входом с первым выходом автономного однополярного источника питания, а первым входом с первым выходом формирователя управляющих сигналов; регистр начальных установок, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора; управляемый делитель частоты, первый и второй входы которого соединены соответственно с седьмым и восьмым выходами регистра начальных установок, третий вход соединен с выходом генератора, а выход с первым входом формирователя управляющих сигналов, соединенного вторым и третьим входами соответственно с первым и вторым выходами регистра начальных установок, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьими и вторыми входами первого и второго нормирующих усилителей, а пятый и шестой выходы соединены соответственно с третьими и вторыми входами третьего и четвертого нормирующих усилителей; счетчик адреса, соединенный входом с четвертым выходом формирователя управляющих сигналов, а выходом с пятыми входами первого и второго блоков памяти; формирователь интерфейса, соединенный входом с третьим входом-выходом микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с шестыми входами первого и второго блоков памяти, а первый выход с первым входом первого преобразователя напряжения питания, соединенного вторым выходом с первым входом второго преобразователя напряжения питания.