Датчик ускорений Советский патент 1990 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерению неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано в исследовании строительных конструкций на сейсмостойкость и других отраслях.

Цель изобретения - повышение точности, разрешающей способности, коэффии иента преобразования и расширение относительного частотного диапазона датчика.

На фиг. 1 представлен датчик ускорений; на фиг. 2 - принципиальная схема датчика; на фиг. 3 и 4 - амплитудно-фазовые характеристики колебательных контуров в коллекторных це

пях генераторов; на фиг. 5 - эпюры напряжений в коллекторно-базовык цепях генераторой; на фиг. 6 - вид выходного сигнала датчика.

Датчик ускорений содержит основание 1, боковые стороны 2 и 3 П-об- разной рамы, верхнюю перемычку А П- образной рамы, консоли 5 и 6 на раме ярма 7 и 8, катушки 9 и 10 индуктивности, сердечники 11 и 12, консоли 13 и 14 на основании, экран 15, воздушные зазоры 16 и 17, конденсаторы 18 и 19, разнополярные транзисторь 20 и 21, транзисторы 22 и 23, резисторы 24 - 33, конденсаторы 34 - 35, катушку 36 индуктивности, конденсатор 37, линию 38 связи, резистор 39, стабилитрон АО, резистор 41, диод 42, резистор 43, диод 44, колебатель ные контуры 45 и 46, генераторы 47 и 48, суммирукр{е-вычитаюл1зий каскад 49, колебательный контур 50.

На основании 1 датчика ускорений закреплена П-образпая рама с упругими боковыми сторонами 2 и 3 и жесткой верхней перемычкой 4, на которой закреплены две консоли 5 и 6 из немагнитного необразующего короткозам- кнутого витка материала, в каждой из которых закреплены ярма 7 и 8 из высокочастотного ферромагнитного материала соответствующих катушек 9 и 10 индуктивности в сердечниках 11 и 12 из высокочастотного ферромагнитного материала.

На основании 1 закреплены аналогичные,как и на жесткой верхней пе- ремычке 4, консоли 13 и 14 с экранированными одна от другой экраном 15 катушками 9 и 10 индуктивности, находящимися в сердечниках 11 и 12 с меняющимися воздушными зазорами 16 и 17. Катушки 9 и 10 индуктивности входят в состав колебательных контуров 45 и 46 (фиг. 2), состоящих из катушки 9 индуктивности, конденсатора 18 и катушки 10 индуктивности, конденсатора 19, которые включены в коллекторные цепи двух контрфазно нодулируешлх по фазе генератор ов 47 и 48 с самовозбуждением на разнопо- лярных транзисторах 20 и 21, объединенных общей цепью положительной обратной связи, осуществляемой с помощью суммируйще-вычитающего каскада 4 на транзисторах 22 и 23. Коллекторная цепь генератора. 47 через резисто 24 соединена с базовой цепью транзис

0

5

5

55 ра 22, а генератора 48 через резистор 25 - с базовой.цепью транзистора 23. Между э o ттepoм транзистора 22 и коллектором транзистора 23 включены последовательно соединенные резисторы 26 и 27, точка соединения которых (точка О) является первым выходом суммы и подключена к базе транзистора 21, а между коллектором транзистора 22 и эмиттером транзистора 23 - резисторы 28 и 29, точка соединения которых (точка а ) является вторым выходом суммы и подключена к базе транзистора 20. Между эмиттерами транзисторов 22 и 23 включены резисторы 30 и 31, а между.коллекторами - резисторы 32 и 33, точки соединения которых tf и f являются первым и вторым выходами разности и через разделительные конденсаторы 34 и 35 подключены к колебательному контуру 50, состоящему из катушки 36 индуктивности и конденсатора 37. Колебательный контур 50 является согласующим устройством и осуществляет согласование импедансов с линией 38 связи (коаксиальный кабель). Средняя точка катушки 36 индуктивности через резистор 39 подключена к стабилитрону 40. Между коллектором и базой транзистора 20 включены последоваг тельно :оедине«ные резистор 41 и диод 42 стабилизации амплитуды колебаний генератора 47.

Датчик работает следующим образом.

При наличии ускорения верхняя перемычка 4 П-образной рамы перемещается в сторону катушки 10 индуктивности (в сердечнике 12). При этом воздушный зазор 17 между ярмом 8 и сердечником 12, величина которого равна 1, уменьшается на величину 1.

Наличие экрана 15 между катушками 9 и 10 индуктивности позволяет использовать линейные участки фазовых характеристик изолированных один от другого одиночных колебательных контуров. Поэтому уменьшение зазора 17 приводит к увеличению коэффициента самоиндукции катзппки 10 индуктивности на величину йТ, и к расстройке колебательного контура 46 на величину (фиг. 3)

4Ю U),- (Од.

Резонансная частота контура 46 1 1,

30

35

40

50

W,.c

uJnd --),

а фаза выделяемого на нем напряжения

2(nw

Ч W,

где О - добротность комтура,

, Аналогичные процессы протекают в колебательном контуре 45 только с противоположным знаком (фиг. 4)

V

W.jTiW/l +

2du; - -U7

.. 1).

2 I

10

т i - 1ЛУ Q

Выполнение консолей 5, 6 и 13, 14 |5 из немагнитного, необразующего корот- козамкнутого витка материала, а также выполнение катушек 9 и 10 индуктивности на сердечниках 7, 11 и 8, 12 соответственно из высокочастот- 20 ного феррита позволяет получить высокую добротность колебательных контуров 45 и 46 на высокой частоте колебаний, генерируемых генераторами 47 и 48.25

При этом амплитуды А, и А генераторов на, разнополярных транзисторах 21 и 20 изменяются незначительно, потому что расстройки колебательных контуров 45 и 46 находятся в преде- 30 лах полосы пропускания этих контуров кроме того, амплитуды этих генераторов стабилизированы цепями из резистора 41 и диода 42 для генератора 47 и из

на эмиттере транзистора 22

A.J3 -A oSinCcJot ); на эмиттере транзистора 23 (,t + V,);

на коллекторетранзистора 22

Aik A-tosinCw t - (и,);

на коллекторе транзистора 23

AIK -A,sin( +(/ ,..

Обычно (А,,) (А,) А..р.

Напряжения на первом и втором вы ходах суммы (а - а ) каскада 49 соо ветственно равны

- (A,j,+

A,J -А

Соsin X

X

k

(...

Лг- -

6 10

(Wflt

I fA 2 13

AIK) A

00

sin X

V,

)

При (fi (f

0 Wo t;(1)

АбГг, t,(2)

T.e в сигналах суммы фазовыесдвиги

резистора 43 и диода 44 для генерато- ,с вносимые расстройками колебательных п-:. /,й. -

ра 48.

Если амплитуда на колебательном

5

контуре 46 (фиг. 5) U $Е где Е 1 - напряжение на коллекторе; Е J- - напряжение на базе транзистора генератора 48, то диод 44 закрыт, а его сопротивление настолько велико, что не оказывает влияния на работу генератора. При U Е - Eg диод

44 открыт и с коллекторной цепи тран- 45 равную нулю.

контуров, взаимно компенсируются. Сигналы суммы (1) и (2) являются си налами положительной обратной связи для генераторов 47 и 48. Таким обра- 40 3OMj сигнал возбуждения этих генераторов образуется из их собственных мод дулированных по фазе сигналов путем их суммирования, в результате которого суммарный сигнал имеет фазу.

зистора 21 через резистор 43 поступает напряжение отрицательной обратной связи, что уменьшает коэффициент усиления транзистора 21, а следовательно, уменьшает амплитуду напряжения, выделяемого на колебательном контуре 46. Айалогичные процессы происходят в генераторе 47.

Модулированный по. фазе сигнал, несущий информацию об измеряемом ускорении, снимаемый с колебательного контура 46 генератора 48, стабильной

Напряжения на первом и втором выходах разности-каскада 49 соответственно равны

1

50

4-2i)-

)

55

Aoosinq cos Wflt ; (3)

A(-5i) 4-. ( , -АОО sin If cos Wot .(4)

X Aj

)

амплитуды A с фазовым, сдвигом

,

t 1

через рззистор 25 поступает в базоСигналы разности (3) и (4) ампли туда которых (при малом индексе моду ЛЯ1ЩК) пропорциональна в первом при

вую цепь транзистора 23, включенного по схеме с расщепленной нагрузкой

А А,д sinCcOot + f,), а с генератора 47 - в базовую цепь транзистора 22

Аг -A,( - у).

Напряжения в суммирующе-вычитаю- щем каскаде 49 равны

на эмиттере транзистора 22

A.J3 -A oSinCcJot ); на эмиттере транзистора 23 (,t + V,);

на коллекторетранзистора 22

Aik A-tosinCw t - (и,);

на коллекторе транзистора 23

AIK -A,sin( +(/ ,..

Обычно (А,,) (А,) А..р.

Напряжения на первом и втором выходах суммы (а - а ) каскада 49 соответственно равны

- (A,j,+

A,J -А

Соsin X

X

(...

Лг- -

6 10

(Wflt

I fA 2 13

AIK) A

00

sin X

V,

)

При (fi (f

0 Wo t;(1)

АбГг, t,(2)

T.e в сигналах суммы фазовыесдвиги.

вносимые расстройками колебательных

,с вносимые расстройками колебательных -

45 равную нулю.

контуров, взаимно компенсируются. Сигналы суммы (1) и (2) являются сигналами положительной обратной связи для генераторов 47 и 48. Таким обра- 40 3OMj сигнал возбуждения этих генера:, торов образуется из их собственных моду- дулированных по фазе сигналов путем их суммирования, в результате которого суммарный сигнал имеет фазу.

Напряжения на первом и втором выходах разности-каскада 49 соответственно равны

1

4-2i)-

)

Aoosinq cos Wflt ; (3)

A(-5i) 4-. ( , -АОО sin If cos Wot .(4)

X Aj

)

Сигналы разности (3) и (4) амплитуда которых (при малом индексе моду- ЛЯ1ЩК) пропорциональна в первом приближении сумме фазовых сдвигов состав лякщнх, приобретенных в результате параметрической фазовой молул яции под воздействием измеряемого ускорения, через разделительные -конденсаторы 34 и 35 поступают на колебатель- ный контур, которьп согласует выходное сопротивление суммирующе-вычитаю- щего каскада 49 с волновым сопротивлением линии связи.

Вид выходного сигнала датчика представлен на фиг, 6

А вмх (-Si) А С-5г) 2AgQ sinCf coscJ(jt,

где qi if gKcSin t;

Л - частота механических колебаний инерционной массы датчика ускорений под воздействием измеряемого ускорения. С колебательного контура 50 сум- ма1эньй сигнал разности его составляю- iTfix поступает на центральную жилу коаксиального кабеля 38, используе- мую также для питания датчика ускорения постоянным напряжением.

Таким образом, применение колебательных контуров высокого качества в составе двух высокочастотных, экранированных один от другого контр- фазно модулируемых по фазе генератор с самовозбуждением позволяет получить высокое значение коэффициента преобразования, повысить разрешающую способность и относительный частот- ньш диапазон датчика.

Стабилизация амплитуды фазомоду- лируюпу1х высокочастотных генераторов повышает точность датчика, а примененная схема первичной обработки фазомодулированных ,сигналов генераторов позволяет упростить линию связи между датчиком ускорений и аппаратурой вторичной обработки информации..

Формула изобретения

1 , Датчик ускорений, содержа1тий онование, на котором закреплена П0

5

0

5

30

35

40

образная рама с упругими боковыми сторонами и жесткой перемычкой, на которой закреплена консоль с ярмом из ферромагнитного материала на конце и две катушки индуктивности на ферромаг- нитных сердечниках, отличаю- 1 и и с я тем, что, с целью повьшения точности, разрешающей способности, коэффициента преобразования и расширения относительного частотного диапазона, он снабжен второй.консолью с ярмом, которая закреплена на пере- , двумя аналогичными консолями, которые закреплены на основании и содержат катушки индуктивности с воздушными зазорами между сердечником и ярмом соответствующей катушки индуктивности, экраном между катушками индуктивности, двумя контрфазно модулируемыми по фазе генераторами с самовозбуждением, объединенными общей цепью положительной обратной связи, выполненной в виде суммирующе-вычи- т ающего каскада, и согласующим устройством, причем консоли выполнены из немагнитного необразующего коротко- замкнутого витка материала, ярмо и сердечник соответствующей катушки индуктивности выполнены из высокочастотного ферромагнитного материала и входят в состав колебательных контуров, включенньтх в коллекторные цепи генераторов, выходы разнополярных сигналов суммы суммирукяце-вычитающе- го каскада соединены с цепями возбуждения соответствующих генераторов, а его выходы сигналов разности через согласующее устройство соединены с кабелем связи.

отличаю- целью повышения цепи каждого

5

2. Датлик по п. 1, щ и .и с я тем, что, с точности, кол;1екторные из генераторов через последовательно соединенные диод и резистор соединены с соответствуюпрми цепями возбуждения генераторов.

ФигЛ .

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано в исследовании строительных конструкций на сейсмостойкость и др. отраслях науки и техники. Цель - повышение точности, разрешающей способности, коэффициента преобразования, расширение относительного частотного диапазона. Эта цель достигается тем, что в датчике ускорений на верхней жесткой перемычке 4 закреплены две консоли 5, 6 из немагнитного необразующего короткозамкнутого витка материала, на каждой из которых закреплено ярмо 7, 8 соответствующей катушки индуктивности 9, 10 из высокочастотного ферромагнитного материала. На основании закреплены аналогичные консоли 13, 14 с экранированными друг от друга катушками индуктивности 9, 10 на высокочастотных ферромагнитных сердечниках 11, 12 с меняющимися воздушными зазорами 16, 17 между сердечниками 11, 12 и ярмами 7, 8, входящие в состав колебательных контуров, включенных в коллекторные цепи двух контрфазно модулируемых по фазе генераторов с самовозбуждением, объединенных общей цепью положительной обратной связи, выполненной в виде суммирующе-вычитающего каскада. При этом разнополярные сигналы суммы поданы на цепи возбуждения соответствующих генераторов (их базы), а выходы сигналов разности через согласующее устройство подключены к линии связи с измерительным прибором. Коллекторные цепи каждого из генераторов через последовательно соединенные диоды и резисторы подключены к соответствующим базовым цепям этих генераторов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Фиг.З

(IS

fx jeta.t CesftJtt X)

Фиг. I

Составитель A.Полынков Редактор И.Шулла Техред М.ДидыкКорректор М.Самборская

Заказ 3049 Тираж 448Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

- ---.-,-.,,„.„,„ - - ---- - - - - . ---.«-и. , «.„«.. ,...,

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужг род, ул. Гагарина, 101

ФигЛ