Устройство для измерения ускорений Российский патент 2021 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах с дискретным выходом - системах стабилизации, навигации, наведения и медицине.

Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801 МПК⁷ G01P 15/00, опубл. 25.06.1980), 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 для измерения ускорений (патент на изобретение РФ №2190858, МПК⁷ G01P 15/13, опубл. 10.10.2002), содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные датчик угла, усилитель и датчик момента, цифровой канал, схему синхронизации, управляющий автомат и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр. Аналоговый канал состоит из последовательно соединенных между собой элементов таких как интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение-ток. Выход преобразователя напряжение-ток соединен с входом датчика момента, выход усилителя соединен с входом интегратора, выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора. Вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации. Первые входы схемы совпадения, реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра соединены соответственно с третьим, вторым и первым выходами управляющего автомата, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации. Второй вход схемы синхронизации соединен со вторым выходом асинхронного D-триггера, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода.

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

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности устройства для измерения ускорений.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений содержащее чувствительный элемент, датчик угла, отрицательную обратную связь, датчик момента, схему синхронизации, управляющий автомат и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, третий сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр, вторые входы первого дискретизатора, третьего сумматора, второго дискретизатора, компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, первые входы схемы совпадения, реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра соединены соответственно с третьим, вторым и первым выходами управляющего автомата, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации, а второй вход со вторым выходом асинхронного D-триггера, что в него введены, в отрицательную обратную связь с выхода датчика угла на один из входов первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, фазовый детектор отрицательной обратной связи, сглаживающий фильтр, а, в положительную обратную связь с выхода датчика угла на один из входов первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, фазовый детектор положительной обратной связи и фильтр третьего порядка, причем выход первого сумматора соединен с входом датчика момента через электронный ключ, один из входов которого соединен с генератором тока, кроме того, дополнительные входы датчика угла, фазовых детекторов отрицательной и положительной обратной связей соединены с выходами генератора опорного напряжения, и выходы фазовых детекторов отрицательной обратной и положительной обратных связей соединены с первым входом первого дискретизатора через второй сумматор, и выход итогового регистра является выходом цифрового кода.

Реализация цифрового канала, содержащего дискретизаторы, сумматоры, асинхронный D-триггер, управляющий автомат, схему синхронизации, схему совпадения повышает быстродействие, расширяет полосу пропускания устройства для измерения ускорений. Введение в отрицательную обратную связь устройства порогового элемента с зоной неоднозначности, сглаживающего фильтра обеспечивает режим автоколебаний и устойчивость. Положительная обратная связь, с фильтрам третьего порядка, позволяет реализовать в устройстве расширение полосы пропускания и увеличить точность измерения ускорения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений; на фиг. 2 - схема моделирования устройства для измерения ускорений; на фиг. 3 - реакция устройства на единичное входное воздействие; на фиг. 4 - реакция устройства при отсутствии входного сигнала; на фиг. 5 - реакция устройства при единичном отрицательном входном воздействии.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, соединенный с датчиком угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом интегрирующего усилителя 3. Выход интегрирующего усилителя 3 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 4. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 4 соединен с одним из входов фазового детектора отрицательной обратной связи 5, выход которого, через сглаживающий фильтр 6, соединен с одним из входов первого сумматора 7. Выход первого сумматора 7 соединен с одним из входов электронного ключа 8, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 9. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 4 соединен с одним из входов фазового детектора положительной обратной связи 10, выход которого соединен с одним из входов фильтра третьего порядка 11, с передаточной, функцией (где k - коэффициент передачи фильтра, Т - постоянная времени фильтра, s - преобразователь Лапласа). Выход фильтра третьего порядка 11 соединен с одним из входов первого сумматора 7. Выход электронного ключа 8 соединен с входом датчика момента 12. Выходы фазового детектора отрицательной обратной связи 5 и фазового детектора положительной обратной связи 10 соединены со входом второго сумматора 13, выход которого соединен с первым входом первого дискретизатора 14, первый выход которого соединен с первым входом третьего сумматора 15, выход третьего сумматора 15 соединен с первым входом второго дискретизатора 16, выход второго дискретизатора 16 соединен с первым входом компаратора 17, выход компаратора 17 соединен с входом асинхронного D-триггера 18, второй и третий выходы асинхронного D-триггера 18 соединены с первым и вторым входами схемы совпадения 19, первый и второй выходы схемы совпадения 19 соединены соответственно с первым и вторым входами реверсивного двоичного счетчика 20, выходы реверсивного двоичного счетчика 20 соединены с первым и вторым входами итогового регистра 21. Вторые входы первого дискретизатора 14, третьего сумматора 15, второго дискретизатора 16 и компаратора 17 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации 22, вход которой соединен со вторым выходом первого дискретизатора 14, пятый выход схемы синхронизации 22 соединен с первым входом управляющего автомата 23, второй вход управляющего автомата 23 соединен с первым выходом асинхронного D-триггера 18, первые входы схемы совпадения 19, реверсивного двоичного счетчика 20 соединены соответственно с третьим и вторым выходами управляющего автомата 23, первый выход управляющего автомата 23 соединен с третьим входом итогового регистра 21. Выход генератора опорного напряжения 24 соединен с входами датчика угла 2, фазового детектора отрицательной обратной связи 5 и фазового детектора положительной обратной связи 10.

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

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

Отклонение чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения W/g, фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого соединена с одним из выходов генератора опорного напряжения 24. Сигнал с датчика угла 2, в виде напряжения, поступает на вход интегрирующего усилителя 3, а затем на вход порогового элемента с зоной неоднозначности 4. Сигнал с одного из выходов порогового элемента с зоной неоднозначности 4, в виде уровня, поступает на вход фазового детектора отрицательной обратной связи 5. Другой вход фазового детектора отрицательной обратной связи 5 соединен с выходом генератора опорного напряжения 24. Сигнал с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи 5 поступает на вход сглаживающего фильтра 6, а затем на один из входов первого сумматора 7. Сигнал с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 4 поступает на один из входов фазового детектора положительной обратной связи 10, вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения 24. Сигнал с выхода фазового детектора положительной обратной связи 10 поступает на один из входов первого сумматора 7, через фильтр третьего порядка 11 с передаточной функцией Введение в устройство для измерения ускорений положительной обратной связи (элементы: 2, 3, 4, 10, 11, 7) и отрицательной обратной связи (элементы: 2, 3, 4, 5, 6, 7) позволяют повысить точность измерения, обеспечить устойчивость и режим автоколебаний, а также расширить полосу пропускания. Сигнал с выхода первого сумматора 7 поступает на один из входов электронного ключа 8, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 9. Сигнал с выхода электронного ключа 8, в виде уровня, поступает на вход датчика момента 12, который устраняет отклонение чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения W/g. Выходные сигналы с выходов фазового детектора отрицательной обратной связи 5 и фазового детектора положительной обратной связи 10 поступают на вход второго сумматора 13, а затем, в виде напряжения, на первый вход первого дискретизатора 14, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 22. Первый дискретизатор 14 фиксирует величину аналогового сигнала со второго сумматора 13 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 14 фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 22. Со второго выхода первого дискретизатора 14 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 22 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Третий сумматор 15, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 14, а на второй вход третьего сумматора 15 поступает со второго выхода схемы синхронизации 22 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов первого дискретизатора 14 и схемы синхронизации 22, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода третьего сумматора 15 поступает на первый вход второго дискретизатора 16, на второй вход которого поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 22. Второй дискретизатор 16 запоминает информацию с выхода третьего сумматора 15 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 16 поступает на первый вход компаратора 17, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 16 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 22. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 16 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 22, то на выходе компаратора 17 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 17 - низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 17 в виде уровня поступает на вход асинхронного D-триггера 18, сигналы со второго и третьего выхода которого (прямой и инверсный) поступают на соответствующие входы схемы совпадения 19. Первый выход асинхронного D-триггера 18 соединен со вторым входом управляющего автомата 23, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации 22. Сигнал с первого выхода асинхронного D-триггера 18 поступает на второй вход управляющего автомата 23, используется для формирования управляющих сигналов записи информации в итоговый регистр 21 и установки реверсивного двоичного счетчика в исходное состояние. В зависимости от уровня сигнала с асинхронного D-триггера 18 сигналы поступают либо на прямой, либо на инверсные входы схемы совпадения 19. На третий вход схемы совпадения 19 поступают импульсы счета с третьего выхода управляющего автомата 23. Выходные сигналы схемы совпадения 19 поступают соответственно на первый и второй входы реверсивного двоичного счетчика 20. В зависимости от уровня сигнала со схемы совпадения 19 сигнал поступает либо на первый суммирующий вход реверсивного двоичного счетчика 20, либо на вычитающий вход реверсивного двоичного счетчика 20. Сигнал в виде цифрового кода с выхода реверсивного двоичного счетчика 20 поступает на информационные входы итогового регистра 21, на второй вход которого поступает импульс записи информации с первого выхода управляющего автомата 23. По импульсу со второго выхода управляющего автомата 23 осуществляется установка счетчика 20 в начальное состояние. Выход итогового регистра 21 является входом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

За счет введения в цифровой канал управляющего автомата дискретизаторов, увеличивается быстродействие устройства для измерения ускорения.

Увеличение быстродействия устройства связано с тем, что начальная установка реверсивного двоичного счетчика 20 не "0" а "+1", так как единичный импульс используется в качестве импульса записи, второй импульс используется для установки счетчика 20 в начальное состояние (импульс установки счетчика в начальное состояние "+1").

Увеличение быстродействия устройства для измерения ускорения приводит к расширению полосы пропускания и повышению точности.

Результаты моделирования аналоговой части устройства для измерения ускорения (фиг. 2) представлены на фиг. 3-5. Из анализа полученных результатов следует, что устройство для измерения ускорений совершает устойчивые автоколебания в соответствии с фазой входного сигнала.

Изобретение относится к устройству для измерения ускорений. Технический результат заключается в повышении точности измерения ускорения. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, отрицательную обратную связь, датчик момента, схему синхронизации, управляющий автомат и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, третий сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр, при этом в него введены в отрицательную обратную связь с выхода датчика угла на один из входов первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, фазовый детектор отрицательной обратной связи, сглаживающий фильтр, а в положительную обратную связь с выхода датчика угла на один из входов первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, фазовый детектор положительной обратной связи и фильтр третьего порядка. 5 ил.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, отрицательную обратную связь, датчик момента, схему синхронизации, управляющий автомат и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, третий сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр, вторые входы первого дискретизатора, третьего сумматора, второго дискретизатора, компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, первые входы схемы совпадения, реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра соединены соответственно с третьим, вторым и первым выходами управляющего автомата, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации, а второй вход со вторым выходом асинхронного D-триггера, отличающееся тем, что в него введены в отрицательную обратную связь с выхода датчика угла на один из входов первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, фазовый детектор отрицательной обратной связи, сглаживающий фильтр, а в положительную обратную связь с выхода датчика угла на один из входов первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, фазовый детектор положительной обратной связи и фильтр третьего порядка, причем выход первого сумматора соединен с входом датчика момента через электронный ключ, один из входов которого соединен с генератором тока, кроме того, дополнительные входы датчика угла, фазовых детекторов отрицательной и положительной обратной связей соединены с выходами генератора опорного напряжения, и выходы фазовых детекторов отрицательной и положительной обратных связей соединены с первым входом первого дискретизатора через второй сумматор, и выход итогового регистра является выходом цифрового кода.