Устройство для измерения ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла и датчик момента с электронным ключом, включенные в отрицательную обратную связь, и две отрицательные обратные связи, содержащие предварительный и избирательный усилители, компараторы, преобразователи уровня сигнала, логические элементы, ждущие синхронные генераторы, основной и вспомогательный реверсивный двоичный счетчики, сумматор, двоичный умножитель и схему управления, которые позволили создать устройство с расширенной полосой пропускания, так как нет ограничений по разрядам цифрового кода, и с астатизмом по отклонению. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. 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 (описанное в МПК⁶ А.С. №742801, опубл. в бюл. изобретений №23, 1980), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент, усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность зависит от параметров электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

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 и датчик момента с электронным ключом, включенные в отрицательную обратную связь, введены две отрицательные обратные связи: одна с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам предварительный и избирательные усилители, первый компаратор, первый преобразователь уровня сигнала, пару схем совпадения (И), первую пару ждущих синхронных генераторов (ЖСГ), пару схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (логическое сложение по модулю "2"), основной реверсивный двоичный счетчик, двоичный умножитель и электронный ключ, вторая отрицательная обратная связь введена с выхода избирательного усилителя на входы пары схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, амплитудный детектор, фильтр верхних частот, второй компаратор, второй преобразователь уровня сигнала, вторую пару ждущих синхронных генераторов. Кроме того, дополнительные входы пары схем совпадения И и сумматора соединены с выходом генератора опорного напряжения (ГОН), а дополнительные входы первой и второй пары ЖСГ, схемы управления соединены с выходом генератора вспомогательной частоты через схему формирования вспомогательной частоты. Дополнительный вход двоичного умножителя соединен с выходом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика, в обратную цепь которого введена схема управления. Кроме того, второй вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока. Выход основного реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.

Введение в устройство двух отрицательных обратных связей, содержащих предварительный и избирательный усилители, компараторы, преобразователи уровня сигнала, логические элементы, ждущие синхронные генераторы, основной и вспомогательный реверсивный двоичный счетчики, сумматор, двоичный умножитель, схему управления позволило создать устройство с расширенной полосой пропускания, т.к. нет ограничений по разрядам цифрового кода, и с астатизмом по отклонению за счет введения в отрицательную обратную связь двоичного умножителя.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, на фиг.2 - структурная схема устройства, на фиг.3 - переходный процесс в аналоговой модели устройства для измерения ускорений.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, отклонение которого фиксирует датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с входом предварительного усилителя 3, выход которого соединен с входом избирательного усилителя 4. Один из выходов избирательного усилителя 4 соединен с входом первого компаратора 5, выход которого соединен с входом первого преобразователя уровня сигнала 6. Первый и второй выходы первого преобразователя уровня сигнала 6 соединены с входами пары логических схем совпадения 7 и 8. Дополнительные входы схем совпадения И 7 и 8 соединены с одним из выходов генератора опорного напряжения (ГОН) 9. Выходы схем И 7 и 8 соединены с входами первой пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 10 и 11. Выходы ЖСГ 10 и 11 соединены с входами пары схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 и 13. Один из выходов ГОН 9 соединен с первым входом сумматора 14, второй вход сумматора 14 соединен с выходом избирательного усилителя 4. Выход сумматора 14 через последовательно соединенные по информационным входам амплитудный детектор 15, фильтр верхних частот 16, второй компаратор 17, второй преобразователь уровня сигнала 18 соединен с входами второй пары ЖСГ 19 и 20, выходы которых соединены со вторыми входами схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 и 13. Выходы схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 и 13 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами основного реверсивного двоичного счетчика 21. Выход двоичного счетчика 21 соединен с одним из входов двоичного умножителя 22. Другой вход двоичного умножителя 22 соединен с выходом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 23. Выход вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 23 через схему управления 24 соединен с входом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 23. Выход двоичного умножителя 22 соединен через электронный ключ 25 с входом датчика моментов 26. Один из входов электронного ключа 25 соединен с выходом генератора тока 27. Дополнительные входы первой и второй пары ЖСГ 10, 11, 19, 20, схемы управления 24 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 28 через схему формирования вспомогательной частоты 29. Выход основного реверсивного двоичного счетчика 21 является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.

Внутреннее содержание предварительного и избирательного усилителей, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, двоичного умножителя, сумматора, амплитудного детектора, фильтра верхних частот, преобразователя уровня сигнала, схем управления и формирования вспомогательной частоты 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 - приведенная 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 9. Сигнал с датчика угла 2 после усиления предварительным усилителем 3 поступает на вход избирательного усилителя 4, который выделяет сигнал на несущей частоте f₁ (ГОН), который затем поступает на вход первого компаратора 5. Сигнал с первого компаратора 5 в виде напряжения ±U₄ с усилителя 4 поступает на вход первого преобразователя уровня сигнала 6, в котором вырабатывается сигнал в виде напряжения от 0 до ±2,5 (В), т.е. необходимый уровень напряжения для работы схем совпадения И 7 и 8. Схемы совпадения 7 и 8 осуществляют операцию логического умножения сигналов с выхода ГОН 9 и с выхода первого преобразователя уровня сигнала 6, и срабатывание схем совпадения И 7 и 8 осуществляется на несущей частоте ГОН-9 и в зависимости от фазы отклонения 1. Первая пара ЖСГ 10 и 11 "взводится" сигналом логического уровня со схем И 7 и 8 и сигналы с выходов 10 и 11 ограничиваются, сбрасываясь сигналом f₂ со схемы формирования вспомогательной частоты 29 (на выходе с 10 или 11 сигнал прямоугольной формы). Выходные сигналы с генератора опорного напряжения 9 и с выхода избирательного усилителя 4 поступают на вход сумматора 14 и суммируются. Сигнал, смещенный по уровню в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1, с выхода сумматора 14 поступает на вход амплитудного детектора 15, в котором происходит преобразование сигнала на несущей частоте в сигнал постоянного тока. Фильтр верхних частот 16, включенный на выход амплитудного детектора 15, обеспечивает в устройстве заданный переходный процесс. Сигнал с выхода фильтра верхних частот 16 поступает на вход второго компаратора 17, который срабатывает по знаку амплитудного детектора 15, на выходе второго компаратора 17 имеем сигнал в виде уровня, который поступает на вход второго преобразователя уровня сигнала 18 и в котором происходит преобразование выходного сигнала с 18 в сигнал уровня, необходимый для работы второй пары ЖСГ 19 и 20. Выходы первой пары ЖСГ 10 и 11 соединены с входами схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 12 и 13. Другие входы схем 12 и 13 соединены с выходами второй пары ЖСГ 19 и 20. В результате логического сложения сигналов схемами 12 и 13, в зависимости от фазы отклонения 1, будем иметь логический "0" либо логическую "1". Выходные импульсы с 12 или 13 будут подаваться либо на суммирующий вход основного реверсивного двоичного счетчика 21, либо на вычитающий вход 21. Информация, равная разности "положительных" и "отрицательных" импульсов, с 21 переписывается в двоичный умножитель 22 по импульсу со вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 23, в обратную цепь которого введена схема управления 25 (импульсы счета). Формирование импульсов счета схемой управления 25 осуществляется схемой формирования вспомогательной частоты 29 в соответствии с частотой генератора вспомогательной частоты 28, включенного на вход схемы 29. Импульсы с двоичного умножителя 22 поступают на один из входов электронного ключа 25 в соответствии с знаком отклонения чувствительного элемента 1. Другой вход электронного ключа 25 соединен с генератором тока 27. Сигнал в виде широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с выхода электронного ключа 25 поступает на вход датчика моментов 26, который развивает момент, по модулю и знаку, компенсирующий угловое отклонение 1. Выходом устройства для измерения ускорений является цифровой код с выхода основного реверсивного двоичного счетчика 21.

Введение в устройство двух отрицательных обратных связей, содержащих усилители, компараторы, преобразователи уровня сигнала, сумматор, логические схемы умножения и сложения, двоичный умножитель, основной и вспомогательный реверсивный двоичный счетчики, схему управления, позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом первого порядка и с расширенной полосой пропускания. Причем одна связь обеспечивает устойчивость и заданное качество переходного процесса, а другая отрицательная обратная связь обеспечивает выдачу информации в цифровом коде.

Аналоговая модель устройства для измерения ускорений (фиг.2) была промоделирована на ЭВМ при параметрах: Т=0.2 с, Т₁=0.2 с, Т₂=0.02 c, К₁=0.9, K₂=1, К₃=100 при ширине зоны неоднозначности пороговых элементов, включенных в обратную связь, равной 0.5, и результаты моделирования представлены на фиг.3. Из анализа переходного процесса следует, что устройство устойчиво (устойчивость обеспечивает фильтр верхних частот) и на выходе модели имеем сигнал в виде широтно-импульсной модуляции с частотой, зависящей от параметров пороговых элементов (компараторов).

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик момента с электронным ключом, включенные в отрицательную обратную связь, отличающееся тем, что в него введены две отрицательные обратные связи, одна с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам предварительный и избирательные усилители, первый компаратор, первый преобразователь уровня сигнала, пару схем совпадения (И), первую пару ждущих синхронных генераторов (ЖСГ), пару схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (логическое сложение по модулю "2"), основной реверсивный двоичный счетчик, двоичный умножитель и электронный ключ, вторая отрицательная обратная связь введена с выхода избирательного усилителя на входы пары схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, амплитудный детектор, фильтр верхних частот, второй компаратор, второй преобразователь уровня сигнала, вторую пару ЖСГ, кроме того, дополнительные входы пары схем совпадения И и сумматора соединены с выходом генератора опорного напряжения (ГОН), а дополнительные входы первой и второй пары ЖСГ, схемы управления соединены с выходом генератора вспомогательной частоты через схему формирования вспомогательной частоты, дополнительный вход двоичного умножителя соединен с выходом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика, в обратную цепь которого введена схема управления, второй вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока и выход основного реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.