Датчик угловой скорости

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям угловой скорости в электрический сигнал. Датчик угловой скорости содержит резонатор, выполненный на нем системы первичных и вторичных вибраторов, системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов. Цепь фазовой автоматической подстройки частоты содержит фазовый демодулятор, корректирующий фильтр, преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращатель. Преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал выполнен в составе подключенного к выходу корректирующего фильтра усилителя постоянного тока, аналого-цифрового преобразователя, генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе, программируемого счетчика с делением частоты, триггера. Фазовращатель выполнен в виде фазового расщепителя с выходами сигналов с фазовыми сдвигами 0°, 90°, 180°, 270° относительно выхода триггера. В цепь синфазной обработки сигнала введен выходной усилитель, выходной сигнал которого является мерой угловой скорости. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловой скорости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Данное изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям угловой скорости в электрический сигнал.

Известен датчик угловой скорости [1], содержащий пустотелый резонатор с устройствами возбуждения и измерения вибраций по двум взаимно перпендикулярным осям, усилители и демодуляторы.

Наиболее близким по технической сущности является датчик угловой скорости [2], содержащий пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем системы первичных и вторичных вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен ко входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, первого модулятора и первого выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу первого выходного усилителя подключена система первичных вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена к входу второго входного усилителя, к выходу которого подключены цепь синфазной обработки сигналов, состоящая из последовательно включенных третьего фазового демодулятора, третьего корректирующего фильтра и второго модулятора, и цепь квадратурной обработки сигнала, состоящая из последовательно включенных четвертого фазового демодулятора, четвертого корректирующего фильтра и третьего модулятора; выходы второго и третьего модуляторов подсоединены к входам суммирующего усилителя, выход которого подключен к входу второго выходного усилителя, к выходу которого подключена система вторичных вибраторов; на выходе фазовращателя, подключенного к входу третьего модулятора, образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал.

Недостатком такого датчика угловой скорости является погрешность измерения угловой скорости вследствие температурного изменения коэффициента преобразования преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловой скорости.

Данный технический результат достигается в датчике угловой скорости, содержащем пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем системы первичных и вторичных вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен к входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, первого модулятора и первого выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу первого выходного усилителя подключена система первичных вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена к входу второго входного усилителя, к выходу которого подключены цепь синфазной обработки сигналов, состоящая из последовательно включенных третьего фазового демодулятора, третьего корректирующего фильтра и второго модулятора, и цепь квадратурной обработки сигнала, состоящая их последовательно включенных четвертого фазового демодулятора, четвертого корректирующего фильтра и третьего модулятора; выходы второго и третьего модуляторов подсоединены к входам суммирующего усилителя, выход которого подключен к входу второго выходного усилителя, к выходу которого подключена система вторичных вибраторов; на выходе фазовращателя, подключенного ко входу третьего модулятора, образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал, тем, что введен подключенный к выходу третьего корректирующего фильтра третий выходной усилитель, выход которого предназначен для съема сигнала датчика угловой скорости; преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал выполнен в составе усилителя постоянного тока, аналого-цифрового преобразователя, генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе, программируемого счетчика с делением частоты, триггера; выход второго корректирующего фильтра подключен к входу усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен вход аналого-цифрового преобразователя; выход генератора высокой частоты подключен к входу счета программируемого счетчика, управляющие входы которого соединены шиной с выходами аналого-цифрового преобразователя; выход программируемого счетчика с делением частоты подключен к входу триггера, выход которого соединен с входом фазовращателя; фазовращатель выполнен как фазовый расщепитель; в фазовом расщепителе выполнен первый выход сигнала с фазовым сдвигом 0° относительно фазы выходного сигнала триггера, сигнал с фазовым сдвигом 90° образован на втором выходе, сигнал с фазовым сдвигом 180° образован на третьем выходе, а сигнал с фазовым сдвигом 270° образован на четвертом выходе; первый выход фазового расщепителя соединен с входом опорного сигнала первого модулятора, второй выход фазового расщепителя соединен с входами опорного сигнала первого фазового демодулятора и третьего модулятора, третий выход фазового расщепителя соединен с входами опорного сигнала второго фазового демодулятора, второго модулятора и четвертого фазового демодулятора, четвертый выход фазового расщепителя соединен с входом опорного сигнала третьего фазового демодулятора.

В частном случае исполнения в датчике угловой скорости фазовый расщепитель выполнен на первом D-триггере и втором D-триггере; выход триггера соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров, прямой выход первого D-триггера соединен с информационным входом второго D-триггера и выполнен как первый выход фазового расщепителя, третий выход которого выполнен на инверсном выходе первого D-триггера, второй выход фазового расщепителя выполнен на прямом выходе второго D-триггера, инверсный выход которого соединен с информационным входом первого D-триггера и выполнен как четвертый выход фазового расщепителя.

Выполнение в преобразователе постоянного напряжения в частотный сигнал генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе обеспечивает вследствие высокой стабильности частоты такого генератора более узкую полосу частот работы цепи фазовой автоматической подстройки частоты, что повышает ее избирательность и помехоустойчивость. Применение в преобразователе постоянного напряжения в частотный сигнал аналого-цифрового преобразователя и программируемого счетчика с делением частоты обеспечивает большую разрешающую способность сигнала, с помощью которого корректируется резонансная частота резонатора. В результате повышаются стабильность резонансной частоты резонатора и точность измерения угловой скорости.

На фиг.1 представлен общий вид датчика угловой скорости, на фиг.2 - блок-схема датчика угловой скорости, на фиг.3 - электрическая схема фазового расщепителя.

Датчик угловой скорости (фиг.1) содержит пустотелый резонатор 1, тело которого расположено в замкнутом контуре, образованном внешней поверхностью 2 и внутренней поверхностью 3. На внешней поверхности 2 резонатора 1 по оси симметрии 4-4 расположена система первичных вибраторов 5', 5''. По перпендикулярной к оси симметрии 4-4 оси 6-6 расположена система первичных датчиков колебаний 7', 7''. На расположенной под углом 45° к оси симметрии 4-4 оси 8-8 образована система вторичных вибраторов 9', 9''. На находящейся под углом 90 к оси 8-8 оси 10-10 образована система вторичных датчиков колебаний 11', 11''. Резонатор 1 может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра или кольца. Он может быть металлическим, а вибраторы 5', 5'', 9', 9'' и датчики вибрации 7', 7'', 11', 11'' могут быть выполнены в виде пьезоэлектрических участков на внешней поверхности 2. Или резонатор 1 может быть изготовлен из пьезоэлектрического материала, а вибраторы 5', 5'', 9', 9'' и датчики колебаний 7', 7'', 11', 11'' сформированы поляризацией пьезоэлектрического материала между отдельными областями.

Выход «а» (фиг.2) системы первичных датчиков колебаний 7', 7'' подключен к входу первого входного усилителя 12, к выходу которого подключена входящая в первичную систему управления вибрацией цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора 13, первого корректирующего фильтра 14, первого модулятора 15 и первого выходного усилителя 16, к выходу «б» которого подключена система первичных вибраторов 5', 5''. К выходу первого входного усилителя 12 также подключена входящая в вышеуказанную первичную систему управления вибрацией цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора 17, второго корректирующего фильтра 18, к выходу которого подключен вход усилителя постоянного тока 19. К выходу усилителя постоянного тока 19 подключен вход аналого-цифрового преобразователя 20, выходы которого соединены шиной с управляющими входами программируемого счетчика 21 с делением частоты. К входу счета программируемого счетчика 21 подключен выход генератора высокой частоты 22 на кварцевом резонаторе. Выход программируемого счетчика 21 соединен с входом триггера 23, выход которого подключен к входу фазового расщепителя 24. Усилитель постоянного тока 19, аналого-цифровой преобразователь 20, программируемый счетчик 21, генератор высокой частоты 22, триггер 23 представляют собой преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал.

Выход «в» системы вторичных датчиков колебаний 11', 11'' соединен с входом второго входного усилителя 25, к выходу которого подключены входящая во вторичную систему управления вибрацией цепь синхронной обработки сигнала, состоящая из последовательно соединенных третьего фазового демодулятора 26, третьего корректирующего фильтра 27 и второго модулятора 28, и цепь квадратурной обработки сигнала, состоящая из последовательно включенных четвертого фазового демодулятора 29, четвертого корректирующего фильтра 30 и третьего модулятора 31. Выход второго модулятора 28 подключен к первому входу суммирующего усилителя 32, к второму входу которого подключен выход третьего модулятора 31. К выходу суммирующего усилителя 32 подключен вход второго выходного усилителя 33, выход «г» которого соединен с системой вторичных вибраторов 9', 9''. К выходу третьего корректирующего фильтра 27 подсоединен вход третьего выходного усилителя 34, выходной сигнал которого является выходным сигналом датчика угловой скорости.

На первом выходе «д» фазового расщепителя 24, соединенным с входом опорного сигнала первого модулятора 15, образован сигнал с фазовым сдвигом 0° относительно выхода триггера 23. На подключенном к входам опорного сигнала первого фазового демодулятора 13 и третьего модулятора 31 втором выходе «е» фазового расщепителя 24 образован сигнал с фазовым сдвигом 90° относительно выхода триггера 23. На третьем выходе «ж» фазового расщепителя 24, соединенным с входами опорного сигнала второго фазового демодулятора 17, второго модулятора 28 и четвертого фазового демодулятора 29, образован сигнал с фазовым сдвигом 180° относительно выхода триггера 23. На подключенном к входу опорного сигнала второго фазового демодулятора 26, четвертом выходе «з» фазового расщепителя 24 образован сигнал с фазовым сдвигом 270° относительно выхода триггера 23.

В фазовом расщепителе 24 (фиг.3) тактовые входы С первого D-триггера 35 и второго D-триггера 36 подключены к выходу «к» триггера 23. Прямой выход первого D-триггера 35 соединен с входом D второго D-триггера 36 и, таким образом, образован первый выход «д» с фазовым сдвигом 0° относительно выхода «к». Прямой выход второго D-триггера 36 выполнен как второй выход «е» с фазовым сдвигом 90°. Инверсный выход первого D-триггера 35 выполнен как третий выход «ж» с фазовым сдвигом 180°. Инверсный выход второго D-триггера 36 соединен с входом D первого D-триггера 35 и выполнен как четвертый выход «з» с фазовым сдвигом 270° относительно входа «к» фазового расщепителя 24.

Датчик угловой скорости работает следующим образом. При отсутствии угловой скорости система первичных вибраторов 5', 5'' по оси 4-4 возбуждает колебания резонатора 1, форма радиальных колебаний которого такова, что узлы относительно пучностей отстоят на 45°.

Радиальные колебания резонатора 1 преобразуются посредством системы первичных датчиков колебаний 7', 7'' в электрический сигнал, поступающий на вход первого входного усилителя 12. В цепи фазового сдвига первичной системы управления вибрацией сигнал, поступающий с выхода первого входного усилителя 12 на вход первого фазового демодулятора 13, преобразуется в сигнал постоянного тока, в который вносится корректирующий сигнал, вырабатываемый первым корректирующим фильтром 14, обеспечивающим устойчивость работы системы. Сигнал, поступающий с выхода первого корректирующего фильтра 14 на вход первого модулятора 15, преобразуется в сигнал переменного тока, который подается на вход первого выходного усилителя 16. Усиленный переменный сигнал с выхода «б» первого выходного усилителя 16 подается на систему первичных вибраторов 5', 5''. Таким образом, в резонаторе 1 возбуждаются устойчивые радиальные колебания.

В цепи фазовой автоматической подстройки частоты первичной системы управления вибрацией на вход второго фазового демодулятора 17 подается сигнал с выхода первого входного усилителя 12. Преобразованный сигнал вторым фазовым демодулятором 17 корректируется вторым корректирующим фильтром 18 и усиливается по напряжению в усилителе постоянного тока 19. Выходное напряжение усилителя постоянного тока 19 преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 20 в цифровой сигнал, представляющий собой код деления частоты, в соответствии с которым поступающая с выхода генератора высокой частоты 22 частота делится в программируемом счетчике 21 так, чтобы частота сигнала на входе триггера 23 соответствовала резонансной частоте резонатора 1.

Триггер 23 из частотного сигнала формирует меандр, а в фазовом расщепителе 24 сигнал преобразуется так, что на первом выходе «д» фазового расщепителя 24 образуется сигнал с фазовым сдвигом 0° относительно фазы выходного сигнала триггера 23, на втором выходе «е» образуется сигнал с фазовым сдвигом 90°, на третьем выходе «ж» образуется сигнал с фазовым сдвигом 180°, а на четвертом выходе «з» образуется сигнал с фазовым сдвигом 270° относительно фазы выходного сигнала триггера 23. Подачей на вход опорного сигнала первого модулятора 15 сигнала с фазовым сдвигом 0° с первого выхода «д» фазового расщепителя 24, а на вход опорного сигнала первого фазового демодулятора 13 сигнала с фазовым сдвигом 90° со второго выхода «е» фазового расщепителя 24 обеспечивается фазовый сдвиг в 90° между сигналами системы первичных датчиков колебаний 7', 7'' и системы первичных вибраторов 5', 5'', чем достигается настройка радиальных колебаний резонатора 1 на резонансную частоту.

Подачей на вход опорного сигнала второго фазового демодулятора 17 сигнала с фазовым сдвигом 180° относительно сигнала на выходе триггера 23 обеспечивается фазовая автоматическая подстройка резонансной частоты резонатора 1.

Большим количеством разрядов выходного кода аналого-цифрового преобразователя 20 достигается широкий диапазон деления высокой частоты, поступающей на вход программируемого счетчика 21 от генератора высокой частоты 22. В результате обеспечивается высокая дискретность подстройки резонансной частоты резонатора 1. Стабильность частоты генератора высокой частоты 22 на кварцевом резонаторе обеспечивает стабильную работу датчика угловой скорости в широком диапазоне рабочих температур.

При наличии угловой скорости узел резонансных колебаний приходит в новое угловое положение относительно оси симметрии 4-4, при этом система вторичных датчиков колебаний 11', 11'' воспринимает эти радиальные колебания резонатора 1 и преобразует их в электрический сигнал, поступающий с выхода «в» на вход второго входного усилителя 25. Сигнал с выхода второго входного усилителя 25 в цепи синфазной обработки сигналов вторичной системы управления вибрацией преобразуется в сигнал постоянного тока в третьем фазовом демодуляторе 26 и в третьем корректирующем фильтре 27. Промодулированный резонансной частотой во втором модуляторе 28 сигнал с выхода второго входного усилителя 25 поступает на первый вход суммирующего усилителя 32.

Также сигнал с выхода второго входного усилителя 25 в цепи квадратурной обработки сигналов вторичной системы управления вибрацией преобразуется в сигнал постоянного тока в четвертом фазовом демодуляторе 29, корректируется по амплитуде и фазе в четвертом корректирующем фильтре 30, преобразуется в сигнал переменного тока резонансной частоты в третьем модуляторе 31, с выхода которого сигнал подается на второй вход суммирующего усилителя 32. Суммарный сигнал цепей синфазной и квадратурной обработки сигнала с выхода суммирующего усилителя 32 подается на вход второго выходного усилителя 33, с выхода «г» которого переменное напряжение резонансной частоты подается в систему вторичных вибраторов 9', 9''.

Посредством подачи на вход опорного сигнала третьего фазового демодулятора 26 сигнала с четвертого выхода «з» фазового расщепителя 24, а на вход опорного сигнала второго модулятора 28 сигнала с третьего выхода «ж» фазового расщепителя 24 обеспечивается появление радиальных колебаний резонатора 1 по оси 8-8, вызванных угловым перемещением узлов при наличии измеряемой угловой скорости. В результате постоянное напряжение на выходе третьего выходного усилителя 34, получаемое в результате усиления поступающего на его вход сигнала с выхода третьего корректирующего фильтра 27, является мерой угловой скорости и выходным сигналом датчика угловой скорости.

При подаче на вход опорного сигнала четвертого фазового демодулятора 29 сигнала с третьего выхода «ж» фазового расщепителя 24, а на вход опорного сигнала третьего модулятора 31 сигнала с выхода «е» фазового расщепителя 24 обеспечивается подавление радиальных колебаний резонатора 1 по оси 8-8, вызванных неидеальностыо формы резонатора 1.

Источники информации

1. Патент США №5226321, МКИ G 01 P 9/04, НКИ 73/505, 73/517А. Вибрационный планарный гироскоп. 1993 г.

2. Патент США №5419194, МКИ G 01 P 9/04, 15/125, НКИ 73/505. Одноосный датчик угловой скорости с уменьшенным шумом. 1995 г.

1. Датчик угловой скорости, содержащий пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем системы первичных и вторичных вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен ко входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, первого модулятора и первого выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу первого выходного усилителя подключена система первичных вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена ко входу второго входного усилителя, к выходу которого подключены цепь синфазной обработки сигналов, состоящая из последовательно включенных третьего фазового демодулятора, третьего корректирующего фильтра и второго модулятора, и цепь квадратурной обработки сигнала, состоящая из последовательно включенных четвертого фазового демодулятора, четвертого корректирующего фильтра и третьего модулятора; выходы второго и третьего модуляторов подсоединены ко входам суммирующего усилителя, выход которого подключен ко входу второго выходного усилителя, к выходу которого подключена система вторичных вибраторов; на выходе фазовращателя, подключенного ко входу третьего модулятора, образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал, отличающийся тем, что введен подключенный к выходу третьего корректирующего фильтра третий выходной усилитель, выход которого предназначен для съема сигнала датчика угловой скорости; преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал выполнен в составе усилителя постоянного тока, аналого-цифрового преобразователя, генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе, программируемого счетчика с делением частоты и триггера; выход второго корректирующего фильтра подключен ко входу усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен вход аналого-цифрового преобразователя; выход генератора высокой частоты подключен ко входу счета программируемого счетчика, управляющие входы которого соединены шиной с выходами аналого-цифрового преобразователя; выход программируемого счетчика с делением частоты подключен ко входу триггера, выход которого соединен со входом фазовращателя; фазовращатель выполнен как фазовый расщепитель; в фазовом расщепителе выполнен первый выход сигнала с фазовым сдвигом 0° относительно фазы выходного сигнала триггера, сигнал с фазовым сдвигом 90° образован на втором выходе, сигнал с фазовым сдвигом 180° образован на третьем выходе, а сигнал с фазовым сдвигом 270° образован на четвертом выходе; первый выход фазового расщепителя соединен со входом опорного сигнала первого модулятора, второй выход фазового расщепителя соединен со входами опорного сигнала первого фазового демодулятора и третьего модулятора, третий выход фазового расщепителя соединен со входами опорного сигнала второго фазового демодулятора, второго модулятора и четвертого фазового демодулятора, четвертый выход фазового расщепителя соединен со входом опорного сигнала третьего фазового демодулятора.

2. Датчик угловой скорости по п.1, отличающийся тем, что, фазовый расщепитель выполнен на первом D-триггере и втором D-триггере; выход триггера соединен с таковыми входами первого и второго D-триггеров, прямой выход первого D-триггера соединен с информационным входом второго D-триггера и выполнен как первый выход фазового расщепителя, третий выход которого выполнен на инверсном выходе первого D-триггера, второй выход фазового расщепителя выполнен на прямом выходе второго D-триггера, инверсный выход которого соединен с информационным входом первого D-триггера и выполнен как четвертый выход фазового расщепителя.