Дифференциальный струнный акселерометр

 

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 навыходе автогенераторов, что уменьшает время измерения малых ускорений, 5 ил... /, frfim с 9 (Л с Фиг {

союз советсних

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 0 А1 (gg 4 С 01 P 15/10, G 01. ? 1/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

®ср „ „.

"Ж

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ", ц

Н Д BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЮЛЯ (21) 4) 28923/24-10 (22) 04.10.86 (46) 30.03,88. Бюл. Р 12 (71) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) С,Я.Лебедева и И.И.Помыкаев (53) 531.768(088.8) (56) Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. Справочные материалы. M. Машиностроение, 1965, с.493-495. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ СТРУННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР (57) Изобретение предназначено для измерения ускорений. Цель изобретения — повышение быстродействия дифференциальных струнных акселерометров при измерении малых ускорений, Синусоидальные сигналы частотой f и

f с выхода усилителей 8 и 9 поступают на входы смесителя 19, на выходе которого выделяется сигнал, по частоте равный f + Й1, поступающий на

1 один вход смесителя 20, а на другой вход - сигнал с выхода генератора 21 эталонной частоты f . Смеситель 20 формирует сигнал частоты Е.1 + К -f

По отклонению от f формируется сигнал, который подается на исполнительный элемент 5. Последний изменяет натяжение струн так, что отклонение суммарной частоты от эталонной сводится к нулю. 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

1 38 5080

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения ускорений.

Целью изобретения является повы5 шение быстродействия дифференциальных струнных акселерометров при измерении малых ускорений.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого дифференциального 10 струнного акселерометра; на фиг.2— временные диаграммы работы дифференциального струнного акселерометра в отсутствии входного воздействия; на фиг.3 — 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 20 выходе одного автогенератора более чем в два раза превышает период колебаний сигнала на выходе другого автогенератора; на фиг.5 — один из вариантов конкретного выполнения схем 25 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 силовым 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 пер- 40 вый автогенератор; струнный резонатор 2, система возбуждения 7 и усилитель 9 образуют второй автогенератор. Последовательно с автогенератором включен преобразователь частотного сигнала 10 первого автогенератора и преобразователь частотного сигнала 11 второго автогенератора. В состав преобразователя входят последовательно соединенные формирователь

50 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 преобраэова55 теля ll соединен с вторым входом схемы совпадения 14 преобразователя 10.

Вторые входы вентилей 16 соединены с выходом генератора опорной частоты

i17. Выход вентиля 16 преобразователя

10 соединен по входу "+" (" Сложение" ) с реверсивным счетчиком 18, выход

-вентиля 16 преобразователя ll 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 1, возрастает, натяжение другой 2 — уменьшается, при этом частоты колебаний первой и второй струн принимают значения соответственно

< и f2 d fz Поскольку для автогенератора струна является частотозадаюшим элементом, то и на выходе усилителей 8 и 9 автогенераторов частота колебаний имеет значение f и f соответственно, Синусоидальный сигнал частоты f< поступает на преобразователь частотного сигнала 10, а синусоидальный сигнал частоты f — на преобразователь частотно2 го сигнала 11.

Принцип работы преобразователей

l0 и 11 состоит в том, что эа 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 выше, 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 преобразо1385080 вателей построена таким образом, что первым открывается вентиль того преобразователя, на который раньше пришел импульс с выхода автогенера5 тора. Пока открыт один вентиль, второй не открывается. Если первым открывается вентиль канала, по которому идут 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 эа другом импульсов по другому каналу.

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

Сигналы синусоидальной формы с выхода первого и второго автогенераторов преобразуются формирователем им( пульсов 12 в последовательность коротких прямоугольных импульсов, иду- 25 щих с частотой синусоидального сигнала. Далее импульсный сигнал поступает на делитель частоты (для простоты изображения на временных диаграммах фиг.2 — 4 коэффициент деления Зр делителя частоты принят равным единице). Затем сигнал поступает на схему совпадения. Схема совпадения имеет прямые связи с собственным. каналом 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 40 сигнала автогенератора, открывает вентиль 16, через который на вход

"Сложение" реверсивного счетчика 18 поступают импульсы генератора опор ной частоты 17, количество которых 45 соответствует периоду колебаний сигнала первого автогенератора, на вход ,"Вычитание" реверсивного счетчика 18 поступает количество импульсов, соответствующих периоду колебаний второ- 50 го автогенератора. К концу цикла измерения в реверсивном счетчике 18 записывается код, равный разности периодов колебаний первого и второго автогенераторов. 55

Формирователь импульсов 12, делитель частоты 1 3, триггер 15, вентиль

l6, генератор опорной частоты 17 и

Т

2 — период колебаний сигнала на выходе второго автогенератора; частота колебаний сигнала на выходе автогенераторов при отсутствии измеряемого ускорения; реверсивный счетчик 18 представляют собой известные устройства, один из вариантов построения схем совпадения

14 приведен на фиг.5.

Синусоидальные сигналы частотой и Е с выхода усилителей 8 и 9 поступают на входы смесителя 19, на выходе смесителя 19 выделяется сигнал, по частоте равный f< + f . Сиг" нал 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 г. + fz — f>, Сумма частот

f + f поддерживается постоянной и

1 равной f T . По отклонению суммарной частоты от f r 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 аналоrично с прототипом.

Предлагаемое устройство позволяет при условии стабилизации суммы час тот 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

1 на выходе первого автогенератора при наличии ускоренияя;

Ф вЂ” частота колебаний сигнала

2, на выходе второго автогенератора при наличии ускорения;

Т = — — период колебаний сигнала

f на выходе первого автогенератора;

1 385080

hf — изменение частоты колеба1 ний сигнала на выходе первого автогенератора относительно f< под воздействием ускорения;

4f — изменение частоты колеба2 ний сигнала на выходе второго автогенератора отно" сительно f под воздейст- 10

В дифференциальном датчике со стабилизацией суммы частот 4 f, = йЕ2 .При

30 этом условии выражение (1) принимает вид

Af ЛЕ

hT— (2)

Š(1 — (— --) )

Е, 1 2Е35 где дЕ=4Е, +4 Е, дЕ, =дЕ ,1f 2

Если сомножитель 1/(1-(†-) ) в вы2Ео ражении (2) представить в виде ряда, то выражение (2) принимает вид 40 дЕ г Af Af 4 а Т- — (1+(— ) + (— ) +... 7 (3)

f 2f, 2f, При условии, что

2Е

Af 2. (4) о

hf 2

hT=- дт=df Т, Е

Из полученного следует, что д Т

2 пропорциональна а f (nT, ), где ив коэффициент кратности. 50

Разность периодов колебаний сигналов на выходах автогенераторов пропорциональна при условии (4) разности частот этих сигналов (5), которая

55 в свою очередь в устроиствах со стабилизацией суммы частот пропорциональна входному воздействию, (5) вием ускорения.

Обычно в дифференциальных струнных датчиках в отсутствии иэмеряемого воздействия частоты колебаний выходных сигналов автогенераторов равны, т.е.. Е =fz =fo при наличии входного воздействия f f + Of

4Е=Е, — Е =4Е + 4Е

Если T —, — р T

1 Е1 Ео +49, z fz 20

Ео то 4Т вЂ” Т -Т вЂ” 1/(f +Af1)-1/(f, llf )

Е.- 4Š— fo -4Е„ (f, +4f )(Е,-4Е ) (1) 25 — (4Е +4Е )

f + f 4f -f 4fz — 4Е,4Е2

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.

Формула изобретения

Дифференциальный струнный акселерометр, содержащий 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 между 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 вхоц которого соединен с выходом генератора эталонной частоты, а выход — с силовым исполнительным элементом, отличающийся 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, каждый 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 выходом генератора опорной частоты.

1385080

1385080 (У э)10 )» " ю

И1З ц

@В) 1D (Ю) ц

Составитель А.Трунов

Редактор Н.Горват Техред И.Дидык Коррек то р М. Демчик

Тираж 847

Заказ 2292

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4