Датчик ускорений

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„80„„597733 (51) 5 G 01 Р 15/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К д ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ДАТЧИК CI(OPF.ÍÈA

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4268878/24-10 (22) 29.06.87 (46) 07.10.90, Бюл. Р 37 (71) Научно-исследовательский институт строительных конструкций Госстроя

СССР (72) Э.II.Приполов и П.А.Рахманов (53) 531.768 (088.8) (56) Виброизмерительная аппаратура

ВИб-бНТ, Х.1?,46.011ПС. — Тарту

Эст.CCP 1977, с. 13-17 (57) 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, коэфАицие»»та преобразования, расширение относительного частотного диапазона. Эта цель достигается тем, что в датчике ускорений на верхней жесткой перем»|чке 4 закреплены две консоли 5, 6 из немагнитного необразующего короткозамкнутого витка материала, на каждой из которых закрепИзобретение относится к измерению неэлектрических величин электрическими методами и может быть использовано в исследовании строительных конструкций па сейсмостойкость и других отраслях.

Цель изобретения — повышение точности, разрешающей способности, коэ»»э2 лено 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 сердеч»в»ках 11, 12 с меняющимися воздуш»»ььа» зазорами. 16, 17 между сердечниками 11, 12 и ярмам»

7, 8, входящие в состав колебательных контуров, включенных в коллекторные цепи двух контрйазно модулируемых по Ааэе генераторов с самовозбуждением, обьеди»»енных 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. А-лы, 6 ил. фи»»»»ента преобразования и расширение относительного частотного диапазона датчика.

На Лиг. 1 представлен датчик ускорений; на A»»r. 2 — принципиальная схема датчика," на фиг. 3 и 4 — амплитудно-фазовые характеристики колебательных контуров в коллекторных це1597733

45 пях генераторов; на фиг. 5 — эпюры напряжений в коллекторно-базовых цепях генератороЬ; на фиг. 6 — вид выходного сигнала датчика.

Датчик ускорений содержит основа5 ние 1, боковые стороны 2 и 3 П-образной рамн, верхнюю перемычку 4 Побразной рамы, консоли 5 и 6 на раме, ярма 7 и 8, катушки 9 и 10 индуктив- 10 ности, сердечники 11 и 12, консоли

13 и 14 на основании, экран 15, воздушные зазоры 16 и 17, конденсаторы

18 и 19, разнополярные транзисторы

20 и 21, транзисторы 22 и 23, резисторы 24 — 33, конденсаторы 34 — 35, катушку 36 индуктивности, конденсатор 37, линию 38 связи, резистор 39, стабилитрон 40, резистор 41, диод

42, резистор 43, диод 44, колебательные контуры 45 и 46, генераторы 47 и 48, суммирующе-внчитающий каскад

49, колебательный контур 50.

На основании 1 датчика ускорений закреплена П-образная. рама с упругими боковыми сторонами 2 и 3 и жесткой верхней перемычкой 4, на которой закреплены две консоли 5 и 6 из немагнитного необразующего короткозамкнутого 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, 35

На основании 1 закреплены аналогичные„как и на жесткой верхней перемычке 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 модулируемь х по фазе генераторов 47 и 48 с самовозбуждением на разнополярных транзисторах 20 и 21, объединенных общей цепью положительной обратной связи, осуществляемой с помощью сумьа.рующе-вычитающего каскада 49 55 на транзисторах 22 и 23. Коллекторная цепь генератора. 47 через резистор

24 соединена с базовой цепью транзистора 22, а генератора 48 через резистор 25 — с базовой цепью транзистора 23. Между эмиттером транзистора

22 и коллектором транзистора 23 включены последовательно соединенные резисторы 26 и 27, точка соединения которых (точка 0I) 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 соеI динения которых 8 и 8 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 последова-. тельно соединенные резистор 41 и диод 42 стабилизации амплитуды колебаний генератора 47.

Датчик .работает следуюшим 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 41, 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 катушки 10 индуктивности на величину 4Т, и к расстройке колебательного контура 46 на величину (фиг, 3) .4< = М) - 4)о

Резонансная частота контура 46

1 41

: 40.и Ы (1.— — — ° — -)

О (1597733 6 ния вую цепь транзистора 23, включенного по схеме с расщепленной нагрузкой —

А 7 = -А2оsin{urо (p) и

Напряжения в суммирующе-вычитающем каскаде 49 равны на эмиттере транзистора 22

A» Azo sin(

А<э = Afg з1п(<7р +

А к = A7o sin(4/р на коллекторе транзистора 23

A „A <+ s in (47 t +

Обычно {А <о) — (А „) А:оо

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

2 LI4) 0

Ю р контура, 2ды

М, где Π— добротность

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

1 dl l0

<д - ы {1 + — — . — -) р 2 1

2дм .

Выполнение консолей 5, б и 13, 14 из немагнитного, необразующего короткоэамкнутого витка материала, а также выполнение катушек 9 и 10 индуктивности на сердечниках 7, 11 и 8, 12 соответственно из высокочастотного феррита позволяет получить высокую добротность колебательных контуров 45 и 46 на высокой частоте колебаний, генерируемых генераторами 47 и 48.

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 резистора 43 и диода 44 для генератора 48, Если амплитуда на колебательном контуре 46 (фиг. 5) < F. z — EII, где E „ - напряжение на коллекторе;

Е < — напряжение на базе транзистора 40 генератора 48, то диод 44 закрыт, а его сопротивление настолько велико, что не оказывает влияния на работу генератора. При У ) Е „ — Е > диод

44 открыт и с коллекторной цепи тран- 45 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, Аналогичные процессы происходят в генераторе 47..

Модулированный по фазе сигнал, несущий информацию об измеряемом ускорении, снимаемый с колебательного контура 46 генератора 48, стабильной амплитуды А1 с фазовым сдвигом <о

1о < через резистор 25 поступает в базоА = — — (А +A ) = -А sinx

be< 2 7Р !К до.

Р1 P7

25 х (< 1т + - — ) ° о 2

А(.я ) — -2-{А1э ..ь Атэ) = Appsin icos y t (3) 1

A(->7I — 2 {А < х + A7ê) 55

= "Аоо sinter cosalpt .(4) а фаза выделяемого на нем напряже

Абгар 2 (А<э А7х) = Ap>sin x

Ч -% х(юt+ — — — ) о

При <17, =

А кйо= Aoo sin и о t; (1)

А <5 7 < = А оо з хп ж (2) т.е в сигналах суммы фазовые сдвиги, вносимые расстройками колебательных контуров, взаимно компенсируются.

Сигналы суммы (1) и (2) являются сигналами положительной обратной связи для генераторов 47 и 48. Таким образом, сигнал возбуждения этих генераторов образуется из их собственных модудулированных по фазе сигналов путем их суммирования, в результате которого суммарный сигнал имеет фазу, равную нулю..

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

Сигналы разности (3) и (4) > амплитуда которых (при малом индексе модуляции) пропорциональна в первом при1597733

Формула изобретения

1. Датчик ускорений, содержащий основание, на котором закреплена Пближении сумме фазовых сдвигов составляющих, приобретенных в результате параметрической фазовой модуляции под воздействием измеряемого ускорения, через разделительные конден5 саторы 34 и 35 поступают на колебательный контур, который согласует выходное сопротивление суммирующе-вычитающего каскада 49 с волновым сопротивлением р линии связи.

Вид выходного сигнала датчика представлен на фиг. 6

Aelix А -э ) A <-р»

Оо sing cos t

15 fma cs i+ t i

9 — частота механических колебаний инерционной массы датчи— ка ускорений под воздействием измеряемого ускорения.

С колебательного контура 50 суммарный сигнал разности его составляющих поступает на центральную жилу коаксиального кабеля 38, используе мую также для питания датчика ускоре- gg ния постоянным напряжением.

Таким образом, применение колебательных контуров высокого качества в составе двух высокочастотных, экранирОВянных Один От другОго КОНТр- 30

I фазно модулируемых по фазе генераторов с самовозбуждением позволяет получить высокое значение коэффициента преобразования, повысить разрешающую способность и относительный частотный диапазон датчика.

Стабилизация амплитуды фазомодулирующих высокочастотных генераторов повышает точность датчика, а примененная схема первичной обработки

40 фазомодулированных,сигналов генераторов позволяет упростить линию связи между датчиком ускорений и аппаратурой вторичной обработки информации. образная рама с упругими боковыми сторонами и жесткой перемычкой, на которой закреплена консоль с ярмом из ферромагнитного материала на конце и две катушки инруктивности нл ферромагнитных сердечниках, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, разрешающей способности, коэффициента преобразования и расширения относительного частотного диапазона, он снабжен второй консолью с ярмом, которая закреплена на перемычке, 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-вычитающего каскада, и согласующим устрой-, ством, причем консоли выполнены из немагнитного необразующего короткозамкнутого витка материала, ярмо и сердечник соответствующей катушки индуктивности выполнейы из высокочастотного ферромагнитного материала и входят в состав колебательных контуров, включенных в коллекторные цепи генераторов, вь1ходы разнополярных сигналов суммы суммирующе-вычитающего каскада соединены с цепями возбуждения соответствующих генераторов, а его выходы сигналов разности через согласующее устройство соединены с кабелем связи.

2. Датчик по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности,коллекторные цепи каждого из генераторов через последовательно соединенные диод и резистор соединены с соответствующими цепями возбуждения генераторов.

i597733 иг.1 0

27

26

2g

5У

Ьг.2

1597733 фиг. 4

Составитель А.Полынков

Редактор И.1!)улла Техред M.Äèäûê Корректор И.Самборская

Заказ 3049 Тираж 448 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

-т

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужг; од, ул. Гагарина, 101