Устройство для измерения ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Технический результат - повышение точности измерения. Для достижения данного результата в устройство введена комбинированная обратная связь. При этом ее положительная составляющая введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам согласующий трансформатор и диодные мосты, сумматор, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение-ток. Отрицательная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов, а отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов, первый согласующий трансформатор, триггеры Шмита и схемы совпадения. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации, навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК⁶ G 01 P 15/13 опубл. 10.12.97), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а вход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости при воздействии электрических помех в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих за счет охвата усилителя отрицательной обратной связью осуществлять компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (пат. RU 2165625 МПК⁷ G 01 Р 15/13, опуб. 20.04.2001, бюл. №11), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение-ток. Местная отрицательная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение-ток. Отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента и содержит последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор. Второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы собирания, выход которой является выходом цифрового кода устройства. Кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, выходы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом устройства в виде цифрового кода.

Недостатком подобного устройства является малая полоса пропускания.

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства и повышение точности измерения.

Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, введены охватывающие все устройство положительная, отрицательная и интегрирующая обратные связи. Положительная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам первый согласующий трансформатор, первый и второй диодные мосты, первый сумматор, фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжение-ток. Отрицательная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через первый согласующий трансформатор, третий и четвертый диодные мосты, второй сумматор, второй преобразователь напряжение-ток. Отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через первый согласующий трансформатор, второй и третий триггеры Шмитта, две схемы совпадения, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель. Причем один из входов схемы собирания соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика. Вторые входы первого и второго диодных мостов соединены с выходами первого согласующего трансформатора, а первые входы первого и второго диодных мостов соединены с выходами второго согласующего трансформатора. Первые входы третьего и четвертого диодных мостов соединены с выходами первого согласующего трансформатора, вторые входы - с выходами второго согласующего трансформатора. Один из выходов второго согласующего трансформатора соединен с входом первого триггера Шмитта, один из выходов которого соединен с входом первой схемы совпадения, а другой выход соединен с одним из входов второй схемы совпадения. Дополнительные входы первого ждущего генератора, двоичного умножителя, знакового переключателя соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Один из входов знакового переключателя соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика. Кроме того, входы датчика угла и второго согласующего трансформатора соединены с выходом генератора опорного напряжения. Выход датчика угла соединен с входом усилителя. Выход двоичного умножителя является цифровым выходом устройства.

Введение в устройство охватывающих все устройство обратных связей разных знаков обеспечивает устойчивость устройства и расширение полосы пропускания, а отрицательная интегрирующая обратная связь повышает точность измерения за счет астатизма первого порядка, а также за счет формирования в обратной цепи импульсного сигнала.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое положение которого фиксирует датчик угла 2 и выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Выход усилителя 3 соединен с входом первичной обмотки первого согласующего трансформатора 4. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с генератором опорного напряжения 5, другой выход генератора опорного напряжения 5 соединен с первичной обмоткой второго согласующего трансформатора 6. Первые и вторые выходы первого согласующего трансформатора 4 соединены соответственно со вторыми входами первого и второго диодных мостов 7, 8 и с первыми входами третьего и четвертого диодных мостов 9 и 10. Первые и вторые выходы второго согласующего трансформатора 6 соединены с первыми входами диодных мостов 7 и 8, а также со вторыми входами диодных мостов 9 и 10. Вход первого сумматора 11 соединен с выходами первого и второго диодных мостов 7 и 8, а вход второго сумматора 12 соединен с выходами третьего и четвертого диодных мостов 9 и 10. Выход первого сумматора 11 соединен с входом фильтра верхних частот 13, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 14. Выход второго сумматора 12 соединен с входом второго преобразователя напряжение-ток 15. Один из выходов второго согласующего трансформатора 6 соединен с входом первого триггера Шмитта 16, а входы второго и третьего триггера Шмитта 17 и 18 соединены с одним из выходов первого согласующего трансформатора 4. Входы первой схемы совпадения 19 соединены с выходами первого и второго триггера Шмитта 16 и 17, а входы второй схемы совпадения 20 соединены с выходами первого и третьего триггера Шмитта 16 и 18. Выход 19 соединен с входом первого ждущего синхронного генератора (ЖСГ) 22, другой вход ЖСГ 22 соединен с выходом генератора вспомогательной частоты 21. Вход второго ЖСГ 23 соединен с выходом второй схемы совпадения 20. Выходы ЖСГ 22 и 23 соединены с входом реверсивного двоичного счетчика 24, один из выходов которого соединен с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 25. Входы схемы собирания 26 соединены с выходом реверсивного двоичного счетчика 24 и с выходом преобразователя дополнительного кода в прямой 25. Выход схемы собирания 26 через двоичный умножитель 27, сглаживающий фильтр 28 соединен с входом знакового переключателя 29. Другие входы двоичного умножителя 27 и знакового переключателя 29 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 21, а один из входов знакового переключателя 29 соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика 24. Выход знакового переключателя 29 соединен с одним из входов датчика моментов 30, другие входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователя напряжение-ток 14 и 15. Выход двоичного умножителя 27 является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, описаны в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432 с., П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир., т 1-3, 1999.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный mlW (l, m - длинна и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения 5, другой выход генератора 5 соединен с первичной обмоткой второго согласующего трансформатора. Выходные обмотки датчика угла 2 соединены с усилителем 3, и выход усилителя 3 соединен с первичной обмоткой первого согласующего трансформатора 4. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 (0 град. либо 180 град.) используются первый и второй согласующие трансформаторы 4 и 6, на входы которых подается сигнал с 5 и 6. Выходы первого и второго согласующих трансформаторов 4 и 6 соединены с первым и вторым диодными мостами 7 и 8 так, чтобы при отсутствии сигнала на входе сигнал на выходе первого суммирующего устройства 11 был бы равен нулю. При отклонении чувствительного элемента 1 будет работать диодный мост 7 либо 8 и на выходе первого сумматора 11 будет постоянный сигнал определенного знака. Выходы первого и второго согласующих трансформаторов 4 и 6 соединены с третьим и четвертым диодными мостами 9 и 10 так, чтобы на входе второго сумматора 12 был бы сигнал, по знаку совпадающий со знаком отклонения 1. Для расширения полосы пропускания в положительную обратную связь с выхода первого сумматора 11 введен фильтр верхних частот 13, выход которого через первый преобразователь напряжение-ток 14 соединен с входом датчика моментов 30. Выход второго сумматора 12 через второй преобразователь напряжение-ток 15 соединен с одним из входов датчика моментов 30. Выход с генератора опорного напряжения 5 соединен с входом второго согласующего трансформатора 6, вторичная обмотка которого, через пороговый элемент в виде триггера Шмитта 16 и который преобразует переменный сигнал с трансформатора 6 в прямоугольные импульсы, соединена с первой схемой совпадения 19. Две вторичные обмотки первого согласующего трансформатора 4 соединены с вторым и третьим триггером Шмитта 17 и 18, выходные сигналы которых в виде прямоугольных импульсов подаются на входы первой и второй схем совпадения 19 и 20, Если отклонение чувствительного элемента 1 в фазе второго согласующего трансформатора 6, то на выходе первой схемы совпадения 19 имеем логическую "1", в противном случае "0". Если фаза 180 град., то на выходе первой схемы совпадения 19 имеем "0", в противном случае "1". Первая и вторая схемы совпадения 19 и 20 осуществляют операцию логического умножения с пороговых элементов (триггеров Шмитта) 16 и 17, 16 и 18. При этом генератор вспомогательной частоты 21 обеспечивает требуемый фронт нарастания и спада сигнала. С помощью генератора 21 первый ЖСГ 22 преобразует сигнал с первой схемы совпадения 19, т.е. ЖСГ 22 выдает один импульс на частоте на каждое воздействие входного сигнала, равного "1". Аналогичным образом работает второй ЖСГ 23. Реверсивный двоичный счетчик 24 производит подсчет единичных импульсов поступающих на суммирующий и вычитающий входы с первого и второго ЖСГ 22, 23. Реверсивный двоичный счетчик 24 положительную информацию выдает в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном. Преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем дополнительного кода в прямой 25. На вход схемы собирания 26, осуществляющей операцию логического сложения "ИЛИ", поступают сигналы с реверсивного двоичного счетчика 24, если отклонение чувствительного элемента 1 в фазе генератора опорного напряжения 5, и с преобразователя дополнительного кода в прямой 25, если фаза отклонения 1 равна 180 град. После операции логического сложения "ИЛИ" в схеме собирания 26 выходной сигнал поступает на двоичный умножитель 27, на выходе которого число импульсов пропорционально двоичному коду, поступающему на схему собирания 26. Т.е. схема собирания 26 преобразует двоичный код в единичный. Сглаживающий фильтр 28, включенный на выходе двоичного умножителя 27, устраняет пульсацию и обеспечивает устойчивость всего устройства для измерения ускорений (Схема реализации фильтра приведена в книге Г.Лэм. Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и проектирование. М.: Мир, 1982, с. 127-195). На датчик моментов 30 поступают сигналы с первого и второго преобразователей напряжение-ток 14, 15, а также со знакового переключателя 29 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 24, и развиваемый момент 30 будет компенсировать действие инерционного момента, и чувствительный элемент 1 возвращается в исходное нулевое положение. Цифровой код, пропорциональный действующему ускорению, получаем на выходе двоичного умножителя 27.

Предложенная структура построения устройства для измерения ускорений с охватывающими отрицательной и положительной обратной связью с фильтром верхних частот с передаточной функцией (где К, Т, s - соответственно коэффициент передачи по контуру положительной обратной связи, постоянная времени фильтра и преобразователь Лапласа) и отрицательной интегрирующей обратной связью приводит к расширению полосы пропускания и повышению точности за счет астатизма. Устройство с отрицательной интегрирующей обратной связи с пороговым элементом с зоной неоднозначности и интегратором (реализация: триггеры Шмитта, генератор вспомогательной частоты, схемы совпадения, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, схемы собирания, преобразователь кода, двоичный умножитель, знаковый переключатель) осуществляет цифровое интегрирование сигнала с чувствительного элемента с выбираемым порогом относительно нулевого положения. Устойчивость устройства обеспечивается выбором коэффициента усиления по контуру отрицательной обратной связи, а также постоянной времени фильтра верхних частот и выбором коэффициента передачи в цепи положительной обратной связи. Точность устройства определяется разрядностью реверсивного двоичного счетчика, величиной порога срабатывания триггера Шмитта и коэффициентом усиления усилителя переменного тока. Устройство с интегрирующей обратной связью может функционировать лишь при наличии охватывающих все устройство положительной и отрицательной обратных связей.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенный в обратную связь, отличающееся тем, что в него введены охватывающие все устройство положительная, отрицательная и интегрирующая обратные связи, положительная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам первый согласующий трансформатор, первый и второй диодные мосты, первый сумматор, фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжение-ток, отрицательная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через первый согласующий трансформатор, третий и четвертый диодные мосты, второй сумматор, второй преобразователь напряжение-ток, отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика моментов через первый согласующий трансформатор, второй и третий триггеры Шмитта, две схемы совпадения, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, причем один из входов схемы собирания соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика, кроме того, вторые входы первого и второго диодных мостов соединены с выходами первого согласующего трансформатора, а первые входы первого и второго диодных мостов соединены с выходами второго согласующего трансформатора, а первые входы третьего и четвертого диодных мостов соединены с выходами первого согласующего трансформатора, вторые входы - с выходами второго согласующего трансформатора, один из выходов второго согласующего трансформатора соединен с входом первого триггера Шмитта, выход которого соединен с входом первой схемы совпадения, а другой выход соединен с одним из входов второй схемы совпадения, дополнительные входы первого ждущего генератора, двоичного умножителя, знакового переключателя соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, причем один из входов знакового переключателя соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика, кроме того, входы датчика угла, второго согласующего трансформатора соединены с выходом генератора опорного напряжения, выход датчика угла соединен с входом усилителя и выход двоичного умножителя является цифровым выходом устройства.