Дифференциальный струнный акселерометр Советский патент 1988 года по МПК G01P15/10 G01L1/10 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения ускорений.

Целью изобретения является повышение быстродействия дифференциальных струнных акселерометров при измерении малых ускорений.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого дифференциального струнного акселерометра; на фиг.2 - временные диаграммы работы дифференциального струнного акселерометра в отсутствии входного воздействия; на фиг.З - временные диаграммы работы дифференциального струнного акселерометра при наличии измеряемого ускорения; на фиг.4 - временные диаграммы работы схем совпадения при условии, что период колебаний сигнала на выходе одного автогенератора более чем в два раза превышает период колебаний сигнала на выходе другого автогенератора; на фиг.З - один из вариантов конкретного выполнения схем совпадения.

Дифференциальный струнный акселерометр содержит струнные резонаторы 1 и 2, соединенные одним концом с инерционной массой 3, второй конец одной струны соединен с корпусом 4, а второй конец другой струны - с си- ловь1м исполнительным элементом 5, системы возбуждения 6, 7 и усилители 8 и 9, к входу которых подсоединены концы резонаторов 1 и 2 соответственно.

Струнный резонатор 1, система возбуждения 6, усилитель 8 образуют первый автогенератор; струнный резонатор 2, снстема возбуждения 7 и усилитель 9 образуют второй автогенератор. Последовательно с автогенератором включен преобразователь частотного сигнала 0 первого автогенератора и преобразователь частотного сигнала 11 второго автогенератора. В состав преобразователя входят последовательно соединенные формирователь импульсов 12, делитель частоты 13, схема совпадения 14, триггер 15, вентиль 16. Выход триггера 15 преобразователя 10 соединен с вторым входом схемы совпадения 14 преобразователя 11, а выход триггера 15 преобразователя 1I соединен с вторым входом схемы совпадения 14 преобразователя 10. Вторые входы вентилей 16 соединены с

0

5

0

5

0

5

0

5

выходом генератора опорной частоты 17. Выход вентиля 16 преобразователя 10 соединен по входу + (Сложение) с реверсивным счетчиком 18, выход вентиля 16 преобразователя 11 соединен по входу - (Вычитание) с реверсивным счетчиком 18. Выход усилителя 8 соединен с первым входом, а выход усилителя 9 - с вторым входом смесителя 19, выход которого соединен с первым входом смесителя

20,а с его вторым входом соединен выход генератора эталонной частоты

21.Выход смесителя 20 соединен с входом силового исполнительного элемента 5.

Устройство работает следующим образом.

Под действием инерционной силы, вызываемой ускорением, инерционная масса 3 смещается относительно корпуса 4, натяжение одной из струн, например I, возрастает, натяжение другой 2 - уменьшается, при этом частоты колебаний первой и второй струн принимают значения соответственно f fo + iifj и 2.о ufy , Поскольку для автогенератора струна является частотозадающим элементом, то и на выходе усилителей 8 и 9 автогенераторов частота колебаний имеет значение f-f и 2. соответственно. Синусо- идальньй сигнал часФоты f поступает на преобразователь частотного сигнала 10, а синусоидальный сигнал частоты f, - на преобразователь частотного сигнала 11.

Принцип работы преобразователей 10 и 11 состоит в том, что за цикл измерения ими определяется разность периодов колебаний сигналов с выходов первого и второго автогенераторов. Для этого на время, равное периоду колебаний сигналов на выходе автогенераторов, попеременно открываются вентили 16 то в одном, то в другом канале и пропускают на реверсивный счетчик 18 импульсы опорной частоты высокостабильного генератора, имеющего частоту на несколько порядков вьш1е, чем частота автогенератора. Здесь происходит измерение периодов колебаний методом заполнения. Так как сигналы с выходов автогенераторов не синхронизированы между собой и могут значительно отличаться по частоте, то логика работы преобразователей построена таким образом, что первым открьюается вентиль того преобразователя, на который раньше пришел импульс с выхода автогенера- тора. Пока открь т один вентиль, второй не открьшается. Если первым от- крьшается вентиль канала, по которому импульсы с частотой более чем в два раза превышающей частоту в другом канале, то вентиль открывается первым импульсом, закрывается вторым и вновь открывается только после прохождения двух идущих друг за другом импульсов по другому ка- налу.

Временные диаграммы работы преобразователей приведены на фиг.2 - 4 (обозначения выходных сигналов блоков см. на фиг.1).

Сигналы синусоидальной формы с выхода первого и второго автогенерато- |ров преобразуются формирователем импульсов 12 в последовательность коротких прямоугольных импульсов, иду- щих с частотой синусоидального си1- нала. Далее импульсный сигнал поступает на делитель частоты (для простоты изображения на временных диаграммах фиг.2 - 4 коэффициент деления делителя частоты принят равным единице) . Затем сигнал поступает на схему совпадения. Схема совпадения имеет прямые связи с собственным-кана- лом и перекрестные с соседним, что позволяет обеспечить описанную логику работы преобразователей. Сигнал со схемы совпадения перебрасывает триггер 15, сигнал с выхода триггера на время, равное периоду колебаний сигнала автогенератора, открьшает вентиль 16, через который на вход Сложение реверсивного счетчика 18 поступают импульсы генератора опор- |ной частоты 17, количество которых ;соответствует периоду колебаний сигнала первого автогенератора, на вход ; Вычитание реверсивного счетчика 18 поступает количество импульсов, соответствующих периоду колебаний второ- го автогенератора. К концу цикла измерения в реверсивном счетчике 18 за- письшается код, равный разности периодов колебаний первого и второго автогенераторов.

Формирователь импульсов 12, делитель частоты 13, триггер 15, вентиль 16, генератор опорной частоты 17 и

. д 5

0

5 о 0 5 0

5

реверсивный счетчик 18 представляют собой известные устройства, один из вариантов построения схем совпадения 14 приведен на фиг.5.

Синусоидальные сигналы частотой f и f,,, с выхода усилителей 8 и 9 поступают на входы смесителя 19, на выходе смесителя 19 выделяется сигнал, по частоте равный f г Сигнал с выхода смесителя 19 поступает на один вход второго смесителя 20, на другой его вход подается сигнал с выхода генератора эталонной частоты 21. Смеситель 20 формирует сигнал частоты fj z зт Сумма частот f + fj, поддерживается постоянной и равной fj . По отклонению суммарной частоты от формируется электрический сигнал, который подается на исполнительный элемент 5; последний изменяет натяжение струн так, что отклонение суммарной частоты от эталонной сводится к нулю. Стабилизация суммы частот осуществляется здесь аналогично с прототипом.

Предлагаемое устройство позволяет при условии стабилизации суммы частот получить линейную зависимость между измеряемым ускорением и величиной разности.периодов колебаний сигналов на выходе первого и второго автогенераторов, что существенно (до нескольких порядков) уменьшает время измерения малых ускорений по сравнению с известными акселерометрами, где используется линейная зависимость .между измеряемым ускорением и разностью частот сигналов на выходе автогенераторов. И так

f. - частота колебаний сигнала на выходе первого автогенератора при наличии ускорения;

.

f - частота колебаний сигнала на выходе второго автогенератора при наличии ус- . корения;

Т т - период колебаний сигнала на выходе первого автогенератора;

Т - - период колебаний сигнала на выходе второго автогенератора;

fg - частота колебаний сигнала на выходе автогенераторов при отсутствии измеряемого ускорения;

if, if, - изменение частоты колебаний сигнала на выходе первого автогенератора относительно fo под воздейст- вием ускорения; изменение частоты колебаний сигнала на выходе второго автогенератора относительно fo под воздейст- вием ускорения.

Обычно в дифференциальных струнных датчиках в отсутствии измеряемого воздействия частоты колебаний выходных сигналов автогенераторов ран- ны, т.е. . .fo ; при наличии входного воздействия

f. f.

+ afi ,

:. + af

%

т - - z- f,fo- 4 fTO

,-T l/(, )-I/(f«-/lfp

(f, + 4f, )(f.- f.) (i) 25

.f2.1

-f

J f, - d f,

Д f.

в дифференциальном датчике со стабилизацией суммы частот А fj Af .При этом условии выражение (1) принимает вид

Jf

АТ

Л f

е -(/If/2)

Ti

f n-r S f,(i-(2f; )

(2)

где uf /lf, +Af,Af| .

Если сомножитель

./(1-(||-Ь

в выражении (2) представить в виде ряда, то вьфажение (2) принимает вид

f r....f . (if /,

ДТ

Н )

f 2. L 2f O

2f.

При условии, что

.af

fui -)

4f/

-c 1,

AT -j Из

или u т d f TC

.,(3)

(4) (5)

полученного следует, пропорциональна л(пТо) ,

что Д Т где п - коэффициент кратности.

Разность периодов колебаний сигналов на выходах автогенераторов пропорциональна при условии (4) разности частот этих сигналов (5), которая в свою очередь в устройствах со ста- билизацией суммы частот пропорционална входному воздействию.

ю

1385080- . 6

Предлагаемое устройство позволяет сократить время измерения малых ускорений и получить код измеряемой величины подсчетом числа импульсов опорной частоты, прошедших на реверсивный счетчик за время цикла.

5

0

5

0

5

0

5

0

5 Форму Л-а изо бретения

Дифференциальный струнный акселерометр, содержаш,ий корпус, два автогенератора, два смесителя, генератор эталонной частоты, силовой исполнительный элемент и цепь выходного сигнала, причем каждый автогенератор имеет струнный резонатор и усилитель, струнные резонаторы одним концом соединены межд.у собой через инерционную массу, другой конец одного струнного резонатора закреплен на корпусе, а другой конец другого струнного резонатора соединен с силовым исполнительным элементом, выход первого автогенератора соединен с одним входом первого смесителя, выход второго автогенератора - с другим входом этого смесителя, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора .эталонной частоты, а выход - с силовым исполнительным элементом, отлича.ющийся тем, что, с целью повышения быстродействия при измерении малых ускорений, в цепь выходного сигнала введены генератор опорной частоты, реверсивный счетчик и два преобразователя частотных сигналов, каткдый из которых соединен с выходом одного автогенератора и выполнен в виде последовательно соединенных формирователя импульсов, делителя, частоты, схемы совпадения, триггера и вентиля, причем выход триггера второго преобразователя соединен с вторым входом схемы совпадения первого преобразователя, выход триггера первого преобразователя соединен с вторым входом схемы совпадения второго преобразователя, выход вентиля первого преобразователя соединен с входом Сложение реверсивного счетчика, выход вентиля второго преобразователя - с вторым его входом Вычитание, а вторые входы вентилей соединены с опорной частоты.

выходом генератора

(all, Wt.

Щ, f),, Ыо

№,

Изобретение предназначено для измерения ускорений. Цель изобретения - повышение быстродействия дифференциальных струнных акселерометров при измерении малых ускорений. Синусоидальные сигналы частотой f и fi с выхода усилителей 8 и 9 поступают на входы смесителя 19, на выходе которого вьщеляется сигнал, по часто те равный f. + f поступающий на один вход смесителя 20, а на другой вход - сигнал с выхода генератора 21 эталонной частоты fjj- . Смеситель 20 . формирует сигнал частоты f + По отклонению от формируется сигнал, который подается на исполнитель ный элемент 5. Последний изменяет натяжение струн так, что отклонение суммарной частоты от эталонной сводится к нугао. Устр-во позволяет при условии стабилизации суммы частот получить линейную зависимость между измеряемым ускорением и величиной разности периодов колебаний сигналов на- выходе автогенераторов, что уменьшает время измерения малых ускорений, 5 ил... /, frfim с 9 (Л с Фиг {

-/,

4

№з №

Г«я « « fs /e №),,i

f4o Н

/ / /N. / /N. / ./N. /

Ч/ y / / Ч/ y

-

-

Фиг.З

Редактор Н.Горват

Составитель А.Трунов

Техред М.ДидыкКорректор М.Демчик

Заказ 2292

Тираж 847

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,.д. 4/5

игЛ

Фиг. 5

Подписное