УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации, навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин (угловых скоростей) 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 (патент RU №2325662, МПК⁷ G01P 15/13, опубл. 27.05.2008, бюл. №15), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первый преобразователь напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи и второй преобразователь напряжение - ток, отрицательную обратную связь, охватывающую все устройство, с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, при этом второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор и второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторыми входами схемы собирания и знакового переключателя, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, введены первое и второе дифференцирующие звенья, в положительную обратную связь, с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение - ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих звеньев, а вход второго дифференцирующего звена соединен с выходом первого дифференцирующего звена и параметрическое дифференцирующее звено второго рода, в отрицательную обратную связь, с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройств.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения и малая полоса пропускания.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности измерения.

Это достигается за счет того, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отрицательную обратную связь, датчик момента, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, местную положительную обратную связь с фазовым детектором положительной обратной связи, первым и вторым дифференцирующими звеньями и преобразователем напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с преобразователем напряжение - ток и фазовым детектором местной отрицательной обратной связи, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами местных положительной и отрицательных обратных связей, а также сумматор, введены отрицательная обратная связь с выхода второго сумматора на вход датчика момента через интегрирующее звено с передаточной функцией , причем входы второго сумматора соединены как с выходом усилителя, так с выходами третьего и четвертого дифференцирующего звена с передаточными функциям W(s)=2·ζ₀·T₀·s и W(s)=T₀·s/2·ζ₀, кроме того, выход усилителя соединен также с входом третьего дифференцирующего звена, выход которого соединен с входом четвертого дифференцирующего звена, местная положительная обратная связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение - ток через последовательно соединенные фазовый детектор местной положительной обратной связи и первое дифференцирующее звено, один из выходов которого соединен с другим входом второго преобразователя напряжение - ток через второе дифференцирующее звено, местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение - ток через фазовый детектор местной отрицательной обратной связи. Выходы первого и второго преобразователей напряжение - ток соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с одним из входов датчика момента. Выход с интегрирующего звена является выходом устройства.

Введение в устройство последовательно соединенных дифференцирующих звеньев по первой и второй производной в местную положительную обратную связь, дифференцирующих звеньев в прямую цепь с результирующей передаточной функцией W{s)=T₀ ²·s²+2·ζ₀·T₀·s+1, отрицательной интегрирующей обратной связи со звеном позволяет расширить полосу пропускания и повысить точность измерения за счет астатизма по отклонению (фиг.2).

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема; на фиг.3 - графики переходного процесса в предлагаемом устройстве и в прототипе.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2, выход с датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один из выходов усилителя 3 соединен с входом фазового детектора местной отрицательной обратной связи 4 (ФДООС). Выход ФДООС 4 соединен с входом первого преобразователя напряжение - ток 5, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора 6. Выход усилителя 3 соединен также с входом фазового детектора местной положительной обратной связи 7 (ФДПОС). Выход ФДПОС 7 соединен с входом первого дифференцирующего звена 8, один из выходов дифференцирующего звена 8 соединен с входом второго дифференцирующего звена 9. Выходы с первого и второго дифференцирующих звеньев 8 и 9 соединены с входом второго преобразователя напряжение - ток 10. Выход с преобразователя напряжение - ток 10 соединен с одним из входов первого сумматора 6. Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 7 соединены с выходом генератора опорного напряжения 11 (ГОН). Выход первого сумматора 6 соединен с одним из входов датчика момента 12. Выход усилителя 3 соединен с входом третьего дифференцирующего звена 13, один из выходов которого соединен как с входом четвертого дифференцирующего звена 14, так с одним из входов второго сумматора 15. Вход второго сумматора 15 соединен также с выходом усилителя 3. Выход второго сумматора 15 соединен с входом интегрирующего звена 16, выход которого соединен с одним из входов датчика момента 12. Выход с интегрирующего звена 16 является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДГЮС, дифференцирующих звеньев, интегрирующего звена, усилителя, генератора опорного напряжения, фазовых детекторов и сумматоров описаны 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 mlW (l, m - длинна и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 11. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДГЮС 7. ФДПООС 4, ФДПОС 7 и ГОН 11 выделяют фазу отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 7 - в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 7, в виде напряжения, поступает на вход первого дифференцирующего звена 8 (на выходе 8 сигнал пропорционален первой производной отклонения чувствительного элемента 1), один из выходов которого соединен с входом второго дифференцирующего звена 9 (вторая производная отклонения чувствительного элемента 1). Сигналы с выходов дифференцирующих звеньев 8 и 9, в виде напряжения, поступают на входы второго преобразователя напряжение - ток 10, на выходе которого будет сигнал в виде суммы сигналов по первой и второй производной от отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал со второго преобразователя напряжение - ток 10 поступает на один из входов первого сумматора 6. На другой вход первого сумматора 6 подается сигнал с выхода ФДООС 4 через первый преобразователь напряжение - ток 5. Сигнал с выхода первого сумматора 6 поступает на один из входов датчика момента 12. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает как на один из входов второго сумматора 15, так и вход третьего дифференцирующего звена 13. Сигнал по первой производной с третьего дифференцирующего звена 13, с передаточной функцией (W(s)=2·ζ₀·T₀·s), поступает как на вход четвертого дифференцирующего звена 14, с передаточной функцией (W(s)=T₀·s/2·ζ₀), так и на вход второго сумматора 15. На выходе второго сумматора 15 реализуется эквивалентное звено с передаточной функцией W(s)=T₀ ²·s²+2·ζ₀·T₀·s+1 (фиг.2, где s, T₀, ζ₀ - соответственно оператор преобразования Лапласа, постоянная времени и относительный коэффициент демпфирования). Выходной сигнал со второго сумматора 15 поступает на вход интегрирующего звена 16, с передаточной функцией (, где Т₂ - постоянная времени), которое обеспечивает астатизм по отклонению чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода интегрирующего звена 16 поступает на вход датчика момента 12. На другой вход датчика момента 12 поступает сигнал с первого сумматора 6. Датчик момента 12 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Сигнал с интегрирующего устройства 16 является выходом устройства для измерения ускорений.

Введение в устройство для измерения ускорений местной положительной обратной связи со звеньями с суммарной передаточной функцией W(s)=k₁·s²+k₂·s (где k₁, k₂ - коэффициенты пропорциональности) звеньев с передаточными функциями W(s)=2·ζ₀·T₀·s, W(s)=T₀·s/2·ζ₀ в прямую цепь, отрицательной обратной связи с интегрирующим звеном позволяет расширить полосу пропускания и повысить точность измерения ускорения за счет астатизма по отклонению.

Динамику работы предлагаемого устройства для измерения ускорений можно пояснить с помощью структурной схемы (фиг.2). Замкнутая передаточная функция контура местной отрицательной обратной связи запишется в виде:

, где ,

, где T, ζ, k_oc - постоянная времени, относительный коэффициент демпфирования и коэффициент обратной связи устройства для измерения ускорений с местной жесткой обратной связью.

Замкнутая передаточная функция устройства с местными обратными связями разных знаков запишется как:

Для обеспечения устойчивости в устройстве для измерения ускорений необходимо наложить ограничения на выбор параметров:

T₁ ²>k₁₁·k₁ и 2·ζ₁·T₁>k₁·k₂.

Передаточная функция разомкнутой системы устройства для измерения ускорений запишется в виде:

W(s)=Ф1(s)·(Т₀ ²·s²+2·ζ₀·T₀·s+1), или после ряда преобразований получим:

.

Если параметры дифференцирующих звеньев, включенных в прямую цепь (фиг.2), выбрать таким образом, чтобы выполнялись следующие равенства: T₀ ²=T₁ ²-k₁₁·k₁ и 2·ζ₀·T₀=2·ζ₁·T₁-k₁·k₂, то передаточная функция разомкнутой системы будет равна W(s)=k₁₁. После введения в отрицательную обратную связь звена с передаточной функцией (где T₂ - постоянная времени интегрирующего звена, включенного в обратную связь) передаточная функция замкнутой системы запишется в виде:

, где

- постоянная времени устройства, охваченного как местными обратными связями разных знаков, так и отрицательной обратной связью. Из анализа передаточной функции замкнутой системы следует, что устройство для измерения ускорений имеет астатизм по отклонению и широкую полосу пропускания.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить путем моделирования устройства, которое осуществлено при следующих параметрах: Т=0.2 с, ζ=0.72, k_oc=0.3, k₁=k₂=0.001, k₃=2·ζ₀·T₀=0.01, T₂=0.1 с, k₄=2·ζ₀=0.2. Из анализа результатов моделирования (фиг.3) следует, что скорость нарастания переходного процесса в предлагаемом устройстве выше, чем в прототипе, а следовательно, больше частота среза и полоса пропускания.

Построение устройства для измерения ускорений на базе существующих устройств компенсационного типа, содержащего местную положительную обратную связь с дифференцирующими звеньями, жесткую отрицательную обратную связь, дифференцирующие звенья в прямой цепи с передаточными функциями W(s)=2·ζ₀·T₀·s и W(s)=T₀·s/2·ζ₀ и отрицательную обратную связь с интегрирующим звеном, позволяет разрабатывать устройства с расширенной полосой пропускания, высокой точности без изменения конструкции и технологии их изготовления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах измерения механических величин. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик момента, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, местную положительную обратную связь с фазовым детектором положительной обратной связи, первым и вторым дифференцирующими звеньями и преобразователем напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с преобразователем напряжение - ток и фазовым детектором местной отрицательной обратной связи, генератор опорного напряжения, а также два сумматора, отрицательную обратную связь с выхода второго сумматора на вход датчика момента через интегрирующее звено и дифференцирующие звенья в прямой цепи. Введение в устройство дифференцирующих звеньев по первой и второй производной в положительную обратную связь, дифференцирующих звеньев в прямую цепь, интегрирующей обратной связи позволяет расширить полосу пропускания и повысить точность измерения за счет астатизма по отклонению. 3 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отрицательную обратную связь, датчик момента, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, местную положительную обратную связь с фазовым детектором положительной обратной связи, первым и вторым дифференцирующими звеньями и преобразователем напряжение-ток, местную отрицательную обратную связь с преобразователем напряжение-ток и фазовым детектором местной отрицательной обратной связи, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами местных положительной и отрицательной обратных связей, а также сумматор, отличающееся тем, что в него введены отрицательная обратная связь с выхода второго сумматора на вход датчика момента через интегрирующее звено с передаточной функцией
(где T₂ - постоянная времени интегрирующего звена, s - преобразователь Лапласа), причем входы второго сумматора соединены как с выходом усилителя, так с выходами третьего и четвертого дифференцирующего звена с передаточными функциям W(s)=2·ς₀·T₀·s и W(s)=T₀·s/2·ς₀ (где s, T₀, ς₀ - соответственно оператор преобразования Лапласа, постоянная времени дифференцирующего звена и относительный коэффициент демпфирования), кроме того, выход усилителя соединен также с входом третьего дифференцирующего звена, выход которого соединен с входом четвертого дифференцирующего звена, местная положительная обратная связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор местной положительной обратной связи и первое дифференцирующее звено, один из выходов которого соединен с другим входом второго преобразователя напряжение-ток через второе дифференцирующее звено, местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор местной отрицательной обратной связи, и выходы первого и второго преобразователей напряжение-ток соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с одним из входов датчика момента, а выход с интегрирующего звена является выходом устройства.