Устройство стабилизации амплитуды колебаний полусферического резонатора

 

Использование: в области точного приборостроения и может быть применено в измерителях угла и угловой скорости. Сущность: полусферический резонатор вместе с цепочкой: датчики 1,2-блок выбора 6 - умножитель частоты 7 - перемножители 8,13 - сумматор 9 - параметрический возбудитель 10 - образует параметрический автогенератор с двумя независимыми каналами управления квадратурной и основной составляющими вибрации резонатора. 1 ил.

Изобретение относится к точному приборостроению и может быть применено в измерителях угла и угловой скорости.

Известно устройство стабилизации колебаний полусферического резонатора вибрационного датчика вращения, которое содержит датчики регистрации колебаний по двум независимым осям резонатора, среднеквадратичный детектор, источник опорного напряжения, устройство сравнения, корректирующее звено цепи стабилизации амплитуды, генератор опорного сигнала (генератор системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧа)), параметрический возбудитель колебаний резонатора, включающий кольцевой электрод, блок определения квадратурной вибрации резонатора, состоящий из дешифратора квадранта положения стоячей волны и квадратурных детекторов сигналов, корректирующее звено цепи подавления квадратуры, блок функциональных усилителей и блок электродов коррекции.

Среднеквадратичный детектор формирует постоянное напряжение, равное квадратному корню из суммы квадратов амплитуд сигналов с датчиков регистрации, т. е. амплитуде стоячей эллиптической волны, существующей в резонаторе, затем оно сравнивается на устройстве сравнения с опорным напряжением, после чего модулятор формирует импульсы прямоугольной формы с амплитудой, необходимой для накачки колебаний резонатора.

Блок определения квадратурной вибрации резонатора формирует постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде квадратурной волны. В зависимости от его величины блоком функциональных усилителей на электродах коррекции создаются напряжения управления, позволяющие свести к нулю вредную квадратурную составляющую колебаний.

Недостатки такого устройства проявляются в следующем. Для поддержания колебаний в резонаторе на определенном уровне на кольцевом электроде создается последовательность однополярных импульсов напряжения накачки, постоянная составляющая которых изменяется случайным образом при изменении их амплитуды. Постоянная составляющая изменяет частотные свойства резонатора, что приводит к изменению фазы колебаний резонатора и перестройке генератора ФАПЧа, что, в свою очередь, привносит ошибку в работу фазовых дискриминаторов (квадратурных детекторов) блока определения квадратурной вибрации и, как следствие, порождает ошибку подавления квадратуры, к тому же управляющее воздействие является однонаправленным - оно позволяет только возбуждать колебания и не позволяет их гасить.

Снижает точность работы устройства в целом и то обстоятельство, что в громоздкой системе подавления квадратурной волны, требующей большого количества функциональных элементов, возрастают требования к точностным характеристикам каждого из них. Например, к точности геометрического нанесения каждого из 16 электродов коррекции относительно юбки резонатора.

Недостатками прототипа являются также необходимость построения специальной системы генерации опорного сигнала и повышенные наводки на датчики регистрации, вызванные высокочастотными составляющими напряжения накачки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение устройства стабилизации колебаний полусферического резонатора, повышение точности стабилизации амплитуды колебаний и точности подавления квадратурной вибрации, а также расширения функциональных возможностей устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройство стабилизации колебаний полусферического резонатора, содержащее датчики регистрации колебаний по независимым осям резонатора, последовательно соединенные среднеквадратичный детектор, входы которого подключены к выходам датчиков, устройство сравнения и первое пропорционально-интегральное звено, последовательно соединенные блок выделения квадратуры колебаний резонатора и второе пропорционально-интегральное звено, а также источник опорного напряжения с выходом, подключенным ко второму входу устройства сравнения, и параметрический возбудитель, введены последовательно соединенные блок выбора большего сигнала, умножитель частоты с двумя выходами "фаза ⊘"и "фаза 45^o", первый перемножитель сигналов, подключенный к выходу "фаза ⊘ " умножителя частоты, и трехвходовой сумматор, при этом входы блока выбора большего сигнала подключены к выходам датчиков регистрации колебаний соответственно, второй вход первого перемножителя - к выходу первого пропорционально-интегрального звена, а выход сумматора - ко входу параметрического возбудителя, второй перемножитель сигналов, входы которого подсоединены к выходу "фаза 45^o" умножителя частоты и к выходу второго пропорционально-интегрального звена, а выход - ко второму входу сумматора, а также формирователь постоянной составляющей, подсоединенный к третьему входу сумматора.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства стабилизации амплитуды колебаний.

Устройство стабилизации колебаний полусферического резонатора содержит датчики колебаний 1 и 2 по двум независимым осям резонатора, т. е. по двум радиальным осям, образующим между собой угол в 45^о. ; последовательно соединенные среднеквадратичный детектор (детектор векторной амплитуды) 3, со входами, соединенными с выходами датчиков 1 и 2, устройство сравнения 4 и корректирующую цепь 5; последовательно соединенные блок выбора большего сигнала 6, умножитель частоты с двумя выходами "фаза ⊘" и "фаза 45" 7, перемножитель сигналов 8, подключенный к выходу "фаза ⊘", трехвходовой сумматор 9 и параметрический возбудитель 10, при этом входы блока 6 подключены к выходам датчиков 1 и 2, а второй вход перемножителя 8 соединен с выходом пропорционально-интегрального звена; последовательно соединенные блок выделения квадратуры колебаний резонатора 11 со входами, подключенными к выходам датчиков 1 и 2, и пропорционально-интегральное звено 12, а также перемножитель сигналов 13, входы которого подсоединены к выходу "фаза 45" умножителя частоты, и к выходу пропорционально-интегрального звена 12, а выход - ко второму входу сумматора 9, источник опорного напряжения 14, выход которого подключен ко второму входу устройства сравнения 4 и формирователь постоянной составляющей 15, подсоединенный к третьему входу сумматора 9.

Работает устройство следующим образом.

Гармонические сигналы с датчиков 1 и 2, соответствующие закону движения стенки полусферического резонатора по двум независимым осям, U₁(t) = U_ocos 2Θsinωt+U_квsin2Θcosω t U₂(t) = U_osin 2Θsinωt+U_квcos2Θcosω t подаются на входы среднеквадратичного детектора (детектор векторной амплитуды) 3. На выходе детектора формируется напряжение U, пропорциональное амплитуде стоячей эллиптической волны, существующей в резонаторе. Оно сравнивается с опорным напряжением с источника 14 - U₁₄устройством 4. Разностный сигнал Δ U после пропорционально-интегральной обработки звеном 5 с передаточной характеристикой H(P) = (1 + Т p)/Т p управляет выходным напряжением перемножителя сигналов 8.

Параллельно сигналы U₁ и U₂ подаются на вход блока выделения квадратурных колебаний 11. На выходе блока 11 наблюдается медленно меняющееся напряжение пропорциональное амплитуде квадратурной вибрации полусферического резонатора. После пропорционально-интегральной обработки звеном 12 с передаточной характеристикой Н(p) = (1 + Тp)/Тp оно управляет напряжением на выходе перемножителя сигналов 13.

Одновременно сигналы с датчиков подаются на входы блока выбора большего сигнала 6, который пропускает без изменения на свой выход больший по амплитуде из сигналов U₁ и U₂, затем выбранный блоком 6 сигнал обрабатывается умножителем частоты 7, задача которого состоит в формировании на своих выходах двух синусоидальных сигналов с удвоенной частотой и начальными фазами ⊘ град. и 45^o относительно входного напряжения. Эти сигналы подаются соответственно на входы перемножителей 8 и 13 и после усиления суммируются сумматором 9. Здесь же к синусоидальному напряжению примешивается постоянная составляющая, формируемая источником постоянного напряжения 15. Выходной сигнал сумматора подается на параметрический возбудитель 10, где происходит параметрическая накачка колебаний полусферического резонатора.

Таким образом полусферический резонатор вместе с цепочкой: датчики 1,2 - блок выбора - умножитель частоты 7 - перемножители 8,13 - сумматор 9 - параметрический возбудитель 10 образует параметрический автогенератор с двумя независимыми каналами управления квадратурной и основной составляющими вибрации резонатора. При этом стабилизация амплитуды основным колебаний происходит за счет того, что суммарный коэффициент усиления в автоколебательном контуре поддерживается равным единице в результате действия цепи обратной связи: детектор 3 - устройство сравнения 4 - звено 5, а подавление квадратурной вибрации - за счет действия цепи ОС: блок 11 - звено 12.

Реализация вновь введенных элементов не вызывает затруднений. Они могут быть построены на имеющейся отечественной элементной базе. Например, блок выбора большего сигнала может быть реализован в виде двух амплитудных детекторов, компаратора и управляемого им электронного ключа (мультиплексора); умножитель частоты - в виде перемножителя аналоговых сигналов (ИС 525ПС2) в режиме возведения в квадрат с последующим выделением удвоенной частоты фильтром высоких частот. (56) Патент США N 4157041, кл. G 01 C 19/56, 1980.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ ПОЛУСФЕРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА, содержащее датчики регистрации колебаний по независимым осям резонатора, последовательно соединенные среднеквадратичный детектор, входы которого подключены к выходам датчиков, устройство сравнения и первое пропорционально-интегральное звено, последовательно соединенные блок выделения квадратуры колебаний резонатора и второе пропорционально-интегральное звено, а также источник опорного напряжения с выходом, подключенным к второму входу устройства сравнения, и параметрический возбудитель, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные блок выбора большего сигнала, умножитель частоты с двумя выходами "Фаза 0" и "Фаза 45^o", первый перемножитель сигналов, подключенный к выходу "Фаза 0" умножителя частоты, и трехвходовой сумматор, при этом входы блока выбора большего сигнала подключены к выходам датчиков регистрации колебаний соответственно, второй вход первого перемножителя - к выходу первого пропорционально-интегрального звена, а выход сумматора - к входу параметрического возбудителя, второй перемножитель сигналов, входы которого подсоединены к выходу "Фаза 45^o" умножителя частоты и к выходу второго пропорционально-интегрального звена, а выход - к второму входу сумматора, а также формирователь постоянной составляющей, подсоединенный к третьему входу сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1