Трехкомпонентный акселерометр

 

(19)RU(11)1259815(13)C(51)  МПК ⁵    _G01P15/13Статус: по данным на 17.01.2013 - прекратил действиеПошлина: учтена за 1 год с 28.04.1993 по 27.04.1994

(54) ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в приборах инерциальной навигации. Целью изобретения является повышение добротности за счет согласования в широком динамическом диапазоне прибора частот измеряемого ускорения, частотно-импульсного модулятора и источника переменного напряжения. На фиг.1 изображена конструктивная схема трехкомпонентного акселерометра; на фиг.2 - функциональная схема одного канала трехкомпонентного акселерометра. Трехкомпонентный акселерометр содержит инерционную массу 1, левый и правый электромагниты 2 и датчики перемещения 3, расположенные вокруг инерционной массы попарно по трем перпендикулярным осям, три схемы управления, каждая из которых включает левый и правый регуляторы индукции 4, первый фильтр-усилитель 5, фазочувствительный демодулятор 6, блок 7 динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор 8, формирователь 9 строба постоянной длительности, логический блок 10, первый электронный ключ 11, источник 12 переменного напряжения, счетчик 13 импульсов, блок индикации 14, второй электронный ключ 15, второй фильтр-усилитель 16, блок суммирования 17, процессор 18, цифроаналоговый преобразователь 19 и следящий блок 20. Причем регуляторы индукции 4, нагруженные электромагнитами 2, подключены к источнику 12 переменного напряжения через следящий блок 20 и первый электронный ключ 11, фазочувствительный демодулятор 6 подключен первым входом к датчику перемещения 3 через первый фильтр-усилитель 5, а вторым входом - к источнику 12 переменного напряжения, вход частотно-импульсного модулятора 8 подключен к выходу блока 7 динамической коррекции, а выход - к входу формирователя 9 строба постоянной длительности и входу счетчика 13 импульсов, выход логического блока 10 подключен к выходу блока 7 динамической коррекции, а выход - к первым управляющим входам первого электронного ключа 11, управляющим входам второго электронного ключа 15 и входам знака блока индикации 14, второй управляющий вход первого электронного ключа 11 и вход второго электронного ключа 15 подключены к выходу формирователя 9 строба постоянной длительности, выход второго электронного ключа подключен к неинвертирующему и инвертирующему входам второго фильтр-усилителя 16, выход которого подключен к второму входу блока суммирования 17, первый вход которого подключен к выходу фазочувствительного демодулятора 6, а выход - к входу блока 7 динамической коррекции, вход процессора 18 подключен к выходу счетчика 13 импульсов, первый выход процессора 18 - к входу блока индикации 14, второй выход - к входу цифроаналогового преобразователя 19, выход которого подключен к второму входу следящего блока 20. Инерционная масса 1 выполнена в виде шара из магнитомягкого материала. Электромагниты 2 и конструктивно связанные с ними датчики перемещения 3 выполнены на основе магнитопроводов броневого или стержневого типа с обмотками электромагнитов и датчиков перемещения. Регуляторы индукции 4 выполнены как замкнутые автоматические системы стабилизации индукции, каждая из которых содержит последовательно включенные датчик электродвижущей силы индукции в виде секций обмотки, установленной на полюсных наконечниках электромагнита, дифференциального усилителя на микросхеме К544УД2А, предварительного усилителя на микросхеме К123Н1 и усилителя мощности на микросхеме К224УН17, нагруженного обмоткой электромагнита. Первый фильтр-усилитель 5 выполнен на микросхеме К123УН1 с активно-емкостным фильтром на входе, фазочувствительный демодулятор 6 - на микросхеме К140ХА1. Блок 7 динамической коррекции выполнен как дифференцирующий операционный усилитель на микросхемах серии 140. Частотно-импульсный модулятор 8 выполнен в виде управляемого генератора, на основе управляемого моста Вина. Формирователь 9 строба постоянной длительности выполнен как счетчик импульсов стабилизированной частоты на микросхемах К155ТМ, К155ТЛ1, К155ЛА3 и К155ИЕ4 с запуском от частотно-импульсного модулятора. Логический блок 10 выполнен на микросхемах К1402Д6Б, формирующих типовую Z-образную характеристику. Первый 11 и второй 15 электронные ключи выполнены на микросхемах К168КТ2А. Источник 12 переменного напряжения представляет кварцевый генератор стабилизированной частоты и амплитуды с использованием в целях возбуждения колебаний и регулирования напряжения микросхем К155ЛА3, К140УД1А и транзисторов КП103Е, КТ315Д. Счетчик импульсов 13 выполнен на микросхемах К155ИЕ7, блок индикации 14 - на светодиодных индикаторах АЛС324Б с дешифраторами 514ИД2. Второй фильтр-усилитель 16 выполнен как операционный усилитель с дифференциальным входом на микросхеме К140УД8 с активно-емкостным сопротивлением в цепи отрицательной обратной связи. Блок суммирования 17 выполнен на микросхеме К140УД13. Процессор 18 выполнен на основе микропроцессорного комплекта К588. Цифроаналоговый преобразователь 19 - на основе микросхем 572ПА2А и К140УД6А. Следящий блок 20 выполнен в виде системы с автоматической регулировкой усиления на полевом транзисторе КП103Е и операционных усилителях К140УД13 и К140УД6А. Трехкомпонентный акселерометр работает следующим образом. При отсутствии ускорения инерционная масса 1 находится в среднем положении относительно электромагнитов 2. Сигналы с датчиков перемещения 3 равны нулю, электромагниты 2 и конструктивно связанные с ними датчики перемещения 3 запитаны небольшим переменным напряжением с регуляторов индукции 4. Небольшие и равные величины индукций в зазорах между электромагнитами 2 инерционной массой 1 стабилизируются регуляторами индукции 4 так, что суммарная электромагнитная сила, действующая на инерционную массу 1, равна нулю. В каждой схеме управления нулевой сигнал не запускает частотно-импульсный модулятор 8, а формирователь строба постоянной длительности 9 и логический блок 10 имеют на выходах напряжения, соответствующие логическому нулю. С выходов счетчика 13 импульсов, процессора 18 и цифроаналогового преобразователя 19 снимаются нулевые сигналы. В этом случае следящий блок 20 и первый электронный ключ 11 пропускают на регуляторы индукции 4 низкие и равные уровни напряжения с источника 12 переменного напряжения. С второго электронного ключа 15 на второй фильтр-усилитель 16 подаются нулевые сигналы, следовательно на второй вход блока суммирования 17 также поступает нулевой сигнал. Блок индикации дешифрирует и индицирует нулевой сигнал с левого выхода процессора 18, соответствующий нулевому ускорению. Допустим, что при действии ускорения, например, по оси Y инерционная масса 1 в переходном режиме смещается вправо от среднего положения (см. фиг.2). Зазор между левым электромагнитом 2 и инерционной массой 1 увеличивается, а между правым электромагнитом и инерционной массой уменьшается. С датчика перемещения снимается сигнал, не равный нулю, который усиливается фильтром-усилителем 5 и преобразуется фазочувствительным демодулятором 6 в постоянное напряжение, например, положительной полярности и подается на первый вход блока суммирования 17. На второй вход этого блока в первый момент после начала действия ускорения подается нулевое напряжение. Блок 7 динамической коррекции вводит производную от изменения величины напряжения с выхода блока 17 суммирования и тем самым формирует необходимые динамические характеристики трехкомпонентного акселерометра. Частотно-импульсный модулятор 8 независимо от полярности напряжения на входе вырабатывает импульсы частотой, пропорциональной величине входного сигнала. Счетчик 13 импульсов подсчитывает число импульсов n, вырабатываемых частотно-импульсным модулятором за некоторый промежуток времени, и передает эту информацию в виде числа на процессор 18, который вычисляет значение функций f₁(n) и F₂(n) для первого и второго выходов процессора соответственно. Численное значение функции f₂(n) преобразуется цифроаналоговым преобразователем 19 в постоянное напряжение, которое является управляющим для следящего блока 20 и определяет амплитуду переменного напряжения на его выходе. Формирователь 9 строба постоянной длительности формирует строб на каждый импульс или через определенное число импульсов, поданных с частотно-импульсного модулятора 8. Логический блок 10 определяет знак выходного напряжения с блока 7 динамической коррекции и в рассмотренном случае работы прибора подает на соответствующие управляющие входы первого 11 и второго 15 электронного ключей напряжения, соответствующие логической единице. В случае прихода на электронные ключи 11 и 15 с формирователя 9 строба постоянной длительности одновременно с логической единицей с логического блока 10 первый электронный ключ 11 пропускает высокий уровень напряжения, заданный следящим блоком 20, на левый регулятор индукции 4, который стабилизирует заданный уровень индукции в зазоре между левым электромагнитом 2 и инерционной массой 1 и тем самым формирует импульс силы заданной амплитуды и постоянной длительности, а второй электронный ключ 15 пропускает строб постоянной длительности на неинвертирующий вход второго фильтра-усилителя 16, который подает на второй вход блока 1 суммирования 17 напряжение, функционально однозначно связанное с силой, сформированной левым электромагнитом 2. Суммарный сигнал с блока 17 увеличивает частоту импульсов на выходе частотно-импульсного модулятора 8, увеличивается частота стробов на входе формирователя 9 и частота импульсов силы, сформированных левым электромагнитом 2. Под действием дополнительной силы инерционная масса 1 перемещается в среднее положение, а в этом случае напряжение на первом входе блока суммирования 17 снижается до нуля, а на втором входе сохраняется напряжение, функционально однозначно связанное с электромагнитной силой, сформированной левым электромагнитом 2, равной инерционной силе, действующей на инерционную массу 1. Именно величиной этого напряжения на выходе блока суммирования 17 определяется в установившемся режиме частота на выходе частотно-импульсного модулятора 8, которая функционально однозначно связана со средней силой в зазоре между левым электромагнитом 2 и инерционной массой 1. При постоянно действующем ускорении инерционная масса 1 находится в среднем положении относительно электромагнитов 2 и структура поля в зазорах электромагнитов не изменяется, что обеспечивает высокую точность преобразования измеренной и поддерживаемой на заданном уровне индукции в электромагнитную силу, причем электромагнитная сила пропорциональна квадрату амплитуды индукции в зазоре электромагнита и числу импульсов n, в то же время амплитуда индукции в зазоре электромагнита связана с числом импульсов n, вырабатываемых частотно-импульсным модулятором 8 за некоторый промежуток времени, функцией f₂(n). Следовательно, электромагнитная сила пропорциональна knf₂²(n), где k - коэффициент пропорциональности. Численное значение функции f₁(n) дешифрируется и индицируется блоком индикации 14, причем знак ускорения определяется дешифрируемым сигналом с логического блока 10. Индицируемое блоком индикации 14 число пропорционально измеряемому ускорению, если вычисляемые процессором функции f₁(n) и nf₂²(n) линейно зависимы, а добротность акселерометра во столько раз больше отношения верхней частоты частотно-импульсного модулятора 8 к нижней, во сколько раз отношение наибольшего к наименьшему значению функции f₁(n) больше отношения наибольшего к наименьшему значению n. Даже при небольшой величине отношения = = 100 ,, где n_в, n_н - наибольшее и наименьшее число импульсов, выработанных частотно-импульсным модулятором за один и тот же промежуток времени, и при вычислении процессором функций
f₂(n) = c,, f₁(n) = nf₂²(n) = C²n⁴, где С - постоянный коэффициент, добротность трехкомпонентного акселерометра составит
= = 10⁸,,
Согласование указанных частот может быть достигнуто и при более низком отношении = = 10 .. В этом случае высокая добротность (10⁸) акселерометра сохранится при вычислении процессором функций
f₂(n) = d и f₁(n) = nf₂²(n) = dn⁸. Таким образом, введение в каждую схему управления процессора, вычисляющего значения функций f₁(n) и f₂(n) для первого и второго выходов соответственно, цифроаналогового преобразователя и следящего блока увеличивает добротность трехкомпонентного акселерометра во столько раз, во сколько раз отношение наибольшего к наименьшему значению любой из линейно зависимых функций f₁(n) и nf₂²(n) больше отношения верхней частоты частотно-зависимого модулятора к нижней. Высокодобротный трехкомпонентный акселерометр реализует при использовании частотно-импульсного модулятора с узким частотным диапазоном за счет согласования в широком динамическом диапазоне прибора, определяемом динамическим диапазоном функции f₁(n) частот измеряемого ускорения, частотно-импульсного модулятора и источника переменного напряжения.

Формула изобретения

ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР по авт. св. N N 1137397, отличающийся тем, что, с целью повышения добротности, в каждую схему управления введены процессор, цифроаналоговый преобразователь и следящий блок, причем вход процессора подключен к выходу счетчика импульсов, первый выход процессора подключен к входу блока индикации, второй - к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к второму входу следящего блока, первый вход следящего блока подключен к источнику переменного напряжения, а выход - к входу первого электронного ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 28.04.1994

Извещение опубликовано: 10.10.2004        БИ: 28/2004

---