Акселерометр

 

АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий инерционный элемент, расположенный в зазоре между двумя электрсялагнитами , -обмотки соединены с выходами первого и второго усилителей мощности, датчик положения инерционного элемента, подключенный через блок динамической коррекции к первым входам блоков суммирования и вычитания , вторые входы которых соединены с выходом первого источника опорного сигнала, чувствительные элементы первого и второго датчиков индукции, размещенные в зазорах между инерционным элементом и соответствующим электромагнитом, два демодулятора, две схемы сравнения, два интегратора и блок индикации, причем входы демодуляторов соединены с выходами чувствительных эл лентов первого и второго датчиков индукции, а выходыс первыми входами схем сравнения, выходы которых соединены с входами соответствуийцих интеграторов отличающийся тем, что, с целью повьааения точности измерения, в него введены два управляемых по частоте генератора, два модулятора, второй источник опорного сигнала и измеритель разности периодов, при этом входы первого и второго управляe «ыx . по частоте генераторов подсоединены к выходам блоков суммироО ) вания и вычитания соответственно, а их выходы соединешл с первыми входами модуляторов, вторые входы которых соединешг с выходами интеграторов, а выхода - с входами первого и второ-, го усилителей мощности соответственно , выходы первого и второго .управляемых по частоте генераторов подключены к измерителю разности периодов, выход котсфого соединен с блоком индика1ШИг а второй источник опорного сигнала соединен с вторыми входами схем сравнения.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3 0 G 01 P 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3531248/18-10 (22 } 06. 01. 83 (46) 07.07. 84. Бюл. 9 25 (72) В.М.Кущуль, В.Н.Еремичев, В.Е.Дьячков, Г.A.Сапожников, В.Н.Григорьев, Б.A.Васильев и Ю. Н.Суббота (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (53) 531.768(088.8) (56) 1. Патент CI8A В 3090239, кл. 73-517, 1963.

2.. Авторское свидетельство СССР

9 824062, кл. G 01 P 15/08, 1979. (ПРОТОТИП) ° (54) (57 ) ИССЕЛЕРОМЕТР, содержащий инерционный элемент, расположенный в зазоре между двумя электромагнитами, обмотки которых соединены с выходами первого и второго усилителей мощности, датчик положения инерционного элемента, подключенный через блок динамической коррекции к первым входам блоков суммирования и вычитания, вторые входы которых соединены с выходом первого источника опорного сигнала, чувствительные элементы первого и второго датчиков индукции, размещенные в зазорах между инерционным элементом и соответствующим.„Я0„„1 44 А электромагнитом, два демодулятора, две схемы сравнения, два интегратора и блок индикации, причем входы демодуляторов соединены с выходами чувствительных элементов первого и второго датчиков индукции, а выходыс первыми входами схем сравнения, выходы которых соединены с входами, соответствующих интеграторов, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены два управляемых по частоте генератора, два модулятора, второй источник опорного сигнала и измеритель разности периодов, при этом входы первого и второго управляемых по частоте генераторов под- Е

O соединены к выходам блоков суммирования и вычитания соответственно, а их выходы соединены с первыми входа" ми модуляторов, вторые входы которых соединены с выходами интеграторов, а вйходы -.c входами первого и второ-, Я

ro усилителей мощности соответственно, выходы первого и второго .управляеьяах по частоте генераторов подключены к измерителю разности периодов, выход которого соединен с блоком индикации, а второй источник опорно-

I го сигнала соединен с вторыми входа-I ми схем сравнения.

1101744

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения ускорений.

В акселерометрах, построенных по компенсационной схеме, сила, возникающая при действии внешнего ускоре1ния на чувствительный инерционный элемент, компенсируется противоположно направленной силой, создаваемой с помощью обратного преобразователя, т.е. устройства, преобразующего ток или напряжение в силу.

Известен акселерометр, содержащий инерционный элемент, расположенный в зазоре между двумя электромагнитами, обмотки которых соединены с вы- 15 ходами усилительно-преобразовательных блоков, датчик положения инерционного элемента, подключенный через блок динамической коррекции к первым входам блоков суммирования и вычитания, 20 вторые входы которых соединены с выходом источника опорного сигнала и блОк индикации (1)

Недостатком такого акселерометра является наличие нелинейной зависи- 75 мости величины силы обратного преобразователя от изменения величины зазора, что приводит к нелинейности статической характеристики и, как следствие, к ухудшению точности из- gp мерений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемо. му результату является акселерометр, содержащий инерционный элемент, рас" 35 положенный в зазоре между двумя электромагнитами, обмотки которых соединены с выходами первого и второго усилителей мощности (усилительнопреобразовательных блоков), датчик положения инерционного элемейта, подключенный через блок динамической коррекции к первым входам .блоков суммирования и вычитания, вторые входы которых соединены с выходом первого источника опорного сигнала, чувствительные элементы первого и второго датчиков индукции, размещенные в зазорах между инерционным элементом и соответствующим электромагнитом, два демодулятора, две схемы 50 сравнения, два интегратора и блок индикации, причем входы демодуляторов соединены с выходами чувствитель ных элементов первого и второго датчиков индукции, а выходы — с первыми 55 входами схем сравнения, выходы которых соединены с входами соответствующих интеграторов, выходы интеграторов соединены с входами усилителей мощности, а вторые входы схем сравнения — 6О с выходами блоков суммирования и вычитания, блок индикации подключен к вторым входам схем сравнения )2) .

Недостаток известного акселерЖЮтра заключается в том, что информационным сигналом является разность посто-. янных напряжений на входах схем сравнения. Погрешность устройств, измеряющих разность постоянных напряжений, соизмерима с погрешностью датчиков индукции (основной погрешностью aicceлерометра) и складывается с ней, что, естественно, уменьшает точность измерений.

Цель изобретения - повыаение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в акселерометр, содержащий инерионный элемент, расположенный в за-. оре между двумя электромагнитами, обмотки которых соединены с выходами первого и второго усилителей мощности, датчик положения инерционного элемента, подключенный через блок ди. намической коррекции к первым входам блоков суммирования и вычитания, вторые входы которых соединены с выходом первого источника опорного сигна. ла, чувствительные элементы первого и второго датчиков индукции, размещенные в зазорах между инерционным элементом и соответствующим электромагнитом,. два демодулятора, две схемы сравнения, два интегратора и блок индикации, причем входы демодуляторов соединены с выходами чувствительных элементов первого и второго датчиков индукции, а выходы — с первыми входами схем сравнения, выходы которых соединены с входами соответствующих интеграторов, введены два управляемых по частоте генератора, два модулятора, второй источник опор. ного сигнала и измеритель разности периодов, при этом входы первого и второго управляемых по частоте генераторов подсоединены к выходам блОков суммирования и вычитания соответственно, а их выходы соединены с первыми входами модуляторов, вторые входы которых соединены с выходами интеграторов а выходы — с входами первого и второго усилителей мощности соответственно, выходы первого и второго управляемых по частоте генераторов подключены к измерителю разности периодов, выход которого соединен с блоком индикации, а второй источник опорного сигнала соединен с вторыми входами схем сравнения.

На чертеже приведена функциональная схема акселерометра, выполненного по компенсационной схеме.

Акселерометр содержит инерционный элемент 1, расположенный в зазоре между электромагнитами 2 и 3, обмотки которых соединены с выходами первого 4 и второго 5 усилителей мощности, датчик 6 положения инерционного элемента, подключенный к входу блока 7 динамической коррекции, вы1101744 ход которого соединен с первыми входами блока 8 суммирования и блока 9 вычитания, вторые входы которых doeдинены с выходом первого источника 10 опорного сигнала, чувствительные элементы первого 11 и второго 12 датчиков индукции, выполненные в виде измерительной катушки и размещенные в зазорах между инерционным элементом 1 и соответствующим электромагнитом 2 или 3, два демодулятора 13 и 14, две схемы 15 и 16 сравнения, два интегратора 17 и 18 и блок 19 индикации. Входы демодуляторов 13 и 14 соединены с выходами чувствительных элементов первого 11 и второ. 15 го 12 датчиков индукции, а выходы— с первыми входами схем 15 и 16 сравнения выходы которых соединены с входами соответствующих интеграторов

17 и 18. Входы первого 20 и второго gg !

21 управляемых по частоте генератоpos подсоединены к выходам блоков 8 сравнения и вычитания 9 соответственно, а их выходы соединены с первыми входами модуляторов 22 и 23, 25 вторые. входы которых подключены к интеграторам 17 и 18, à выходы — к входам первого 4 и второго 5 усилителей мощности соответственно.

Выходы первого 20 и второго 21 управ- go ляемых по частоте генераторов подключены к измерителю -24 разности периодов, выход которого соединен с бло- ком 12 индикации. Второй источник 25 опорного сигнала соединен с вторыми входами схем 15 и 16 сравнения. При этом последовательно соединенные модуляторы 22 и 23, усилители 4 и 5 мощности, электромагниты 2 и 3, чувствительные элементы первого 11 и второго 12 датчиков индукции, нахо« 4О дящиеся в полях электромагнитов 2 и 3, демодуляторы 13 и 14, схемы 15 и 16 сравнения, а также интеграторы

17 и 18 подключены каждый к одному из входов соответствующего модулято- 45 ра 22 и 23, образуют два замкнутых контура регулирования величины индукции в зазорах между инерционным элементом 1 и электромагнитами 2 и 3.

Рассмотрим работу замкнутых контуров регулирования величины индукции в зазорах, Входной величиной Т®, для одного из них является период следования импульсов, снимаемых с первого управляемого по частоте генератора 20 и поступающих на первый .вход модулятора 22, а выходной величина индукции в зазоре первого электромагнита 2. Для другого контура регулирования индукции входной 60 величиной Т „ является период следования импульсов, снимаемых с второго управляемого по частоте генератора 21 и поступающих на первый вход модулятора 23, а выходной — величина индукции в зазоре второго электромагнита 3.

Сигнал, наводимый переменным Магнитным полем в измерительной катушке датчика индукции, равен: (j„„= ®5 (1)

dB где \Ч - количество витков измеритель" ной катушки;

5 - площадь полюса, охватываемая измерительной катушкой;

8 — величина индукции в зазоре.

Учитывая, что характер изменения индукции в зазоре синусоидальный и описывается выражением

В 8(t) ain t; (2) где Ь (1 — амплитуда;

И - частота колебаний, можно записать

0.„w G)8 H)e nut. v8(t,) coeur) (3)

В установившемся режиме

8 (0=0; 0чк= и 5 (.) 8Юсо Ы. (4)

Напряжение на выходе демодулятора определяется выражением

0„-k H B(t,) (5) где К вЂ” некоторый постоянный коэффициент (коэффициент усиления демоду лятора).

Выражение для индукции имеет вид где T — - период колебаний.

Пусть на первый вход схемы 15(16 . сравнения поступает напряжение с выхода демодулятора 13 (14) - U < . а на второй вход — напряжение со второго источника 25 опорного сигнала - U . В исходном состоянии сигнал на выходе схемы сравнения равен нулю, u* ((О ° .

Пусть на вход модулятора 22 (23) ,поступает последовательность импульсов с периодом Т . С выхода модулятора 22 (23) будет сниматься синусоидальный сигнал с периодом Т „ и амплитудой, модулированной напряжением, снимаемым с выхода интегратора

17 (18). Усиленный по мощности в усилителе 4(5) мощности сигнал поступает на электромагнит 2(3) и вызывает изменение индукции в зазоре. Соответственно изменяется сигнал, снимаемый с измерительной катушки датчика 11 (12) индукции, и сигнал с вьисода демодулятора О щ. На выходе схемы 15 (16) сравнения появляется напряжение рассогласования а U =Ugq- Uq которое подается на интегратор 17 (18) и далее на модулятор 22(,23), модулируя по амплитуде синусоидальный сигнал

1101744 с периодом Т таким образом, что усиленный в усилителе 4(5) мощности, он вызывает такое изменение тока электромагнита 2 (3) и,;, соответственно, такое изменение индукции в зазоре, чтобы напряжение рассогласования

all на выходе схемы 15 (16) сравнения стало равным нулю. При этом 0g Oq т. е. Одах будет величиной постоянной, заранее заданной. Таким образом, из формулы (б) следует, что индукция в зазоре между инерционным элементом и электромагнитом будет пропорциональна входному сигналу Тех. ,Акселерометр работает следующим образом. 15

Положим, что в исходном состоянии инерционный элемент 1 находится в центральном положении между электромагнитами 2 и 3 и на него действует ускорение. При этом сигналы на выхо- 20 де датчика 6 положения, блока 7 динамической коррекции и первых входах блока 8 суммирования и блока 9 вычитания равны нулю. На вход управляемых по частоте генераторов 20 и 21 25 импульсов подается напряжение с первого источника 10 опорного сигналаOoq . Далее с выходов управляемых по частоте генераторов 20 и 21 на первые входы модуляторов 22 и 23 30 поступает последовательность импульсов с периодами соответственно Тзх„ и Тзх„, пропорциональными "on, при чем в этом случае Te„ =Tax . Соответех< ствующие замкнутые контура регулиро- 35 вания индукции устанавливают величины индукции в зазорах между инерционным элементом 1 и электромагнитами 2 и 3 пропорционально величинам входных сигналов Тцх; и Т х на первых входах модуляторов 22 и 23. Таким бравом, индукции в зазорах между нерционным элементом 1 и электромаг нитами 2 и 3 будут равны по величине и противоположны по направлению. Так как с ы -действующ е на инерцион- 45 ный элемент 1 со стороны электромагнитов. 2 и 3, определяются величинами индукции в зазорах, то их результирующее воздействие будет равно нулю и инерционный элемент бу- 50 дет продолжать находиться в центральном положении.

При воздействии внешнего ускоре,ния на инерционный элемент 1 и отклонения его, например в направлении 55 электромагнита 3, на выходе датчика 6 положения появляется сигнал положительной полярности, пропорциональный смещению инерционного элемента 1 и поступающий через блок 7 динамической коррекции, вводящий сигнал, пропорциональный производной по смещению, на первые входы блока 8 суммирования и блока 9 вычитания. При этом на входе управляемого по частоте генератора 2 напряжение возрастает, а на входе управляемого по частоте генератора 21уменьшается. Соответственно возрастает период Тв„ и уменьшается периМ1 од Tex . В замкнутых контурах регулирования индукции пропорционально изменяется величина индукции в зазо-рах системы электромагнит-инерционное тело-электромагнит. При этом результирующая сила, воздействующая на инерционный элемент 1, определяется выражением

aF- f(в.+as) -(В-ьв) )-4 еаа, где K — - коэффициент пропорциональности;

So- величина индукции в зазорах отсутствии внешнего ускоренияу

48q - приращение индукции, обусловленное действием внешнего ускорения.

Эта сила будет возвращать инерционный элемент 1 в центральное положение. Кроме этого, результирующая сила будет пропорциональной разности

aT между периодами импульсов, получаемых модуляторами 22 и 23, т.е.

aF= 11т ьт, где T - величина периода импульсов на входе модуляторов .при отсутствии внешнего ускорения; величина разности между периодами импульсов, поступающих на вход модулятора

22 и периодом импульсов, поступающих на вход модулятора 23 при наличи внешнего ускорения.

Таким образом, в предлагаемом акселерометре исключено измерение аналогового сигнала и достигается повышение точности измерения ускорения за счет использования цифрового измерителя временного интервала.

1101744

Составитель Ю. Иручко

Редактор Н. Данкулич Техред С. Легеэа Корре ктор С- шекмар.

Эакаэ 4757/29 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r.Ужгород, ул.Проектная, 4