Устройство для измерения ускорений

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик момента и охватывающие все устройство положительную и отрицательную интегрирующую обратные связи. Положительная обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи, первое дифференцирующее устройство, сумматор и преобразователь напряжение - ток, при этом выход первого дифференцирующего устройства соединен с входом второго дифференцирующего устройства, выход которого соединен с одним из входов сумматора. Отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), выход которой является выходом цифрового кода устройства, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор. Устройство содержит также схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов, и генератор опорного напряжения, выходы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей. Техническим результатом является расширение полосы пропускания и увеличение точности измерения ускорений. 5 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 G01P 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 G01P 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 для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение - ток, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующий усилитель, компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, при этом второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор, и второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторыми входами схемы собирания и знакового переключателя, а выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, и выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, введены первое и второе дифференцирующие устройства в положительную обратную связь с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход преобразователя напряжение - ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих устройств, а вход второго дифференцирующего устройства соединен с выходом первого дифференцирующих устройств, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройств.

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

На фиг.1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - переходный процесс в прототипе; на фиг.3 - ЛАФЧХ в прототипе; на фиг.4 - переходный процесс в предлагаемом устройстве; на фиг.5 - ЛАФЧХ в предлагаемом устройстве.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один выход усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной интегрирующей обратной связи 4 (ФДООС), а другой выход 3 - с входом фазового детектора положительной обратной связи 5 (ФДПОС). Дополнительные входы для датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 соединены с выходом генератора опорного напряжения 6 (ГОН). Выход ФДПОС 5 соединен с входом первого дифференцирующего устройства 7, один из выходов первого дифференцирующего устройства 7 соединен с входом второго дифференцирующего устройства 8, выходы с 7 и 8 соединены с входами сумматора 9, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения - ток 10. Выход ФДООС 4 соединен с входом интегрирующего усилителя 11, выход которого соединен с входом компаратора 12. Один выход компаратора 12 является входом ждущего синхронного генератора 13, а другой выход 12 соединен с входом ждущего синхронного генератора 14. Выходы ждущих синхронных генераторов 13 и 14 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 15, один выход которого является входом для преобразователя дополнительного кода в прямой 16, а другой выход 15 соединен с одним из входов схемы собирания (ИЛИ) 17. Выход схемы собирания 17 соединен с входом двоичного умножителя 18 и одновременно является информационным выходом устройства. Выход двоичного умножителя 18 через сглаживающий фильтр 19 соединен с входом знаковым переключателем 20, второй вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика 15. Выходы схемы синхронизации 21 являются дополнительными входами для компаратора 12 и ждущих синхронных генераторов 13 и 14. Выходы с преобразователя напряжение - ток 10 и знакового переключателя 20 соединены с входами датчика момента 22.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, схемы собирания (ИЛИ), двоичного умножителя, знакового переключателя, схемы синхронизации, дифференцирующих устройств и сумматора описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

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 - длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 6. Сигнал с датчика угла 2 после усиления усилителем 3 поступает на выходы ФДООС 4 и ФДПОС 5. С помощью ФДПОС 4 и ГОН 6 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 5 - в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 5 в виде напряжения поступает на вход первого дифференцирующего устройства 7 (на выходе 7 сигнал в виде напряжения пропорционален первой производной отклонения 1), один из выходов которого соединен с входом второго дифференцирующего устройства (вторая производная отклонения 1). Выходы с 7 и 8, в виде напряжения, поступают на входы сумматора 9, на выходе которого имеем сигнал в виде суммы сигналов по первой и второй производной от отклонения 1. Выход с 9 поступает на вход преобразователя напряжение - ток 10, выходной сигнал которого в виде тока поступает на токовую обмотку датчика момента 22. Датчик момента 22 развивает момент, который компенсирует действие инерционного момента, вызванного действием ускорения, и чувствительный элемент 1 возвращается в исходное положение. Сигнал в виде напряжения с ФДООС 4 поступает на вход интегрирующего усилителя 11. Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 11 поступает на один из входов компаратора 12. В компараторе 12 происходит сравнение сигнала с выхода усилителя 11 с сигналом, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 21. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 11 будет больше треугольного напряжения с выхода 21, то на выходе компаратора 12 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 12 - низкий логический уровень. Уровень сигнала зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с компаратора 12, в виде уровня, поступают на входы ждущих синхронных генераторов 13 и 14, которые с помощью схемы синхронизации 21 выдают сигналы в виде импульса на частоте 10 МГц на каждое воздействие входящего сигнала (с выхода 12), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 15 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14. Реверсивный двоичный счетчик 15 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем дополнительного кода в прямой 16. На вход схемы собирания 17 (ИЛИ) поступают сигналы с реверсивного двоичного счетчика 15, если отклонение чувствительного элемента 1 в фазе ГОН 6, и преобразователя дополнительного кода в прямой 16, если фаза равна 180°. После логического сложения сигналов в 17 выходной сигнал с 17 подается на вход двоичного умножителя 18, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы собирания 17. Двоичный умножитель 18 преобразует двоичный код в единичный. Сглаживающий фильтр 19, на вход которого поступают импульсы с двоичного умножителя 18, не только устраняет пульсацию входного сигнала с 18, но и обеспечивает устойчивую работу устройства, охваченного обратными связями разных знаков. На токовую обмотку датчика момента 22 поступает сигнал с знакового переключателя 20 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 15. На токовую обмотку 22 будут поступать сигналы с выходов 10 и 20, которые будут устранять отклонение чувствительного элемента 1 и обеспечивать повышение точности и расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений. Выход схемы собирания 17 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить с помощью результатов моделирования (моделирование осуществлено при следующих параметрах Т=0.2 с, ξ=2.

На фиг.2 и фиг.3 представлены переходный процесс и частотные характеристики в прототипе с частотой среза ω_СР≤7.52 с^-1 и коэффициентом К₀₁КК_ОСЗ≤30 с^-2; на фиг.4 и фиг.5 представлены переходный процесс и частотные характеристики в предлагаемом устройстве. Из фиг.5 следует, что частота среза ω_СР>473,68 с^-1.

Из результатов моделирования следует, что по сравнению с прототипом частота увеличилась в 87,5 раза, и во столько же раз возросла полоса пропускания и увеличился коэффициент подавления (фиг.5). Предложенная структура построения устройства для измерения ускорений, с положительной обратной связью по первой и второй производной и отрицательной интегрирующей обратной связью, приводит к положительному эффекту.

Таким образом, введение в устройство обратных связей разных знаков увеличивает точность и расширяет полосу пропускания.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение - ток, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующий усилитель, компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, при этом второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор, и второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторыми входами схемы собирания и знакового переключателя, а выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла, фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, и выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, отличающееся тем, что в положительную обратную связь введены первое и второе дифференцирующие устройства с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход преобразователя напряжение - ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих устройств, а вход второго дифференцирующего устройства соединен с выходом первого дифференцирующего устройства, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройства.