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 для измерения ускорений содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик моментов, аналоговую обратную связь с выхода усилителя на один из входов датчика моментов и цифровую обратную связь с выхода усилителя на другой вход датчика моментов. За счет включения в параллельные отрицательные обратные связи сопряженных фильтров верхних и нижних частот, амплитудного детектора, компаратора, преобразователя уровня, прецизионных релейных элементов обеспечивается широкая полоса пропускания, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, определяющий точность цифрового отсчета в установившемся режиме. 4 ил.

 

Устройство предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение 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 выход 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 усилителей отрицательной обратной связью осуществить компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы. Кроме того, устройство содержит аналоговый канал обработки информации, что приводит к низкой точности измерения, так как не производится запоминание информации за время ее преобразования и ее осреднение в процессе накопления.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (пат. РФ RU 2189046 С1 МПК⁷ G01P 15/13, опубл. 10.09.2002. Бюл. №22), содержащее два параллельных входных канала с датчика угла и с мостовой схемы и две параллельные отрицательные обратные связи. Одна, аналоговая, с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжения - ток, второй суммирующий элемент, выход второго суммирующего элемента соединен с одной из диагоналей мостовой схемы, другая диагональ мостовой схемы, в плечо которой введена обмотка датчика моментов, соединена с одним из входов первого суммирующего элемента через дифференциальный операционный усилитель. Цифровая обратная связь введена с выхода усилителя на другой вход датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр низких частот, третий суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы, RS-триггер, один из выходов которого соединен со вторым прецизионным релейным элементом, второй преобразователь напряжение - ток, второй суммирующий элемент, мостовую схему, другой выход RS-триггера соединен с входом итогового регистра через схемы совпадения ("И") и реверсивный двоичный счетчик, причем один из входов третьего суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения "И", итогового регистра соединены с одним из выходов схемы синхронизации, кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом датчика угла, а другой - с входом схемы "ИЛИ" через второй логический элемент, и выход с итогового регистра является цифровым выходом устройства.

Существенным недостатком подобного устройства является невысокая точность измерения, вызванная дискретным характером выдачи информации о действующем ускорении, в виде цифрового кода с итогового регистра.

Задачей предложенного технического решения является повышение точности измерения ускорения и расширение полосы пропускания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик моментов, аналоговую обратную связь, с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно соединенные первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, сопряженный фильтр верхних частот, преобразователь напряжения - ток и генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом датчика угла, а другой с входом схемы "ИЛИ", через второй логический элемент, а выход датчика угла соединен с усилителем, что в цепь цифровой обратной связи, реализованной с выхода сглаживающего фильтра на вход датчика моментов, введены последовательно соединенные по информационным входам сопряженный фильтр низких частот, суммирующий элемент, амплитудный детектор, компаратор, преобразователь уровня сигнала, пара ждущих синхронных генераторов, RS-триггер, второй прецизионный релейный элемент, преобразователь тока, RS-триггер соединен также с входом реверсивного двоичного счетчика через пару схем совпадения ("И"), причем один из входов суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, а вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения "И", реверсивного двоичного счетчика соединены с одним из выходов схемы синхронизации, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.

В предлагаемом устройстве за счет включения в цифровую отрицательную обратную связь: сопряженного фильтра нижних частот, суммирующего элемента, амплитудного детектора, компаратора, преобразователя уровня, прецизионного релейного элемента обеспечивается широкая полоса пропускания, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, определяющий точность цифрового отсчета в установившемся режиме. Совместное включение обратных связей позволяет создать инвариантное устройство к изменению параметров (устойчивое при любом коэффициенте передачи по разомкнутому контуру) с единичной обратной связью и независимое от постоянной времени сглаживающего фильтра в цепи цифрового отсчета.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, на фиг.2 - структурная схема аналоговой модели устройства, на фиг.3 - переходный процесс в прототипе, на фиг.4 - переходный процесс в аналоговой модели предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с входом генератора опорного напряжения 3. Выходная обмотка датчика угла 2 соединена с входом усилителя 4 переменного тока со стабильным коэффициентом передачи. Выход усилителя 4 соединен с входом первого логического элемента 5. Выход генератора опорного напряжения 3 соединен с входом второго логического элемента 6. Выходы логических элементов 5 и 6 соединены с соответствующими входами схемы исключающее "ИЛИ" 7, выход которой соединен с входом первого прецизионного релейного элемента 8. Выход первого прецизионного релейного элемента 8 соединен с входом сглаживающего фильтра 9. Выход сглаживающего фильтра 9 соединен с входом сопряженного фильтра верхних частот 10, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение - ток 11. Выход преобразователя напряжение - ток 11 соединен с одним из входов датчика моментов 12. Выход сглаживающего фильтра 9 также соединен с входом сопряженного фильтра нижних частот 13, выход которого соединен с одним из входов суммирующего элемента 14, другой вход суммирующего элемента 14 соединен с генератором стабильной частоты 15 через последовательно соединенные схему синхронизации 16 и генератор пилообразного напряжения 17. Выход суммирующего элемента 14 соединен с входом амплитудного детектора 18, выход которого соединен с входом компаратора 19. Выход компаратора 19 соединен с входом преобразователя уровня сигнала 20, выход которого соединен с входами ждущих синхронных генераторов 21 и 22. Другие входы ждущих синхронных генераторов 21 и 22 соединены с выходом схемы синхронизации 16. Выходы ждущих синхронных генераторов 21 и 22 соединены с входами RS-триггера 23, один из выходов RS-триггера 23 соединен с входом второго прецизионного релейного элемента 24, выход которого через преобразователь тока 25 соединен с входом датчика моментов 12. Другие выходы RS-триггера 23 соединены с входами схем совпадения "И" 26 и 27, выходы которых соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 28. Другие входы схем совпадения 26 и 27, реверсивного двоичного счетчика 28 соединены с выходами схемы синхронизации 16. Выход реверсивного двоичного счетчика 28 является выходом устройства для измерения ускорений в цифровом коде.

Внутреннее содержание блоков и их реализация приведены в кн.: 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, 1993.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения, фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 3. Выходной сигнал с датчика 2 усиливается усилителем переменного тока со стабильным коэффициентом передачи 4. С выхода первого логического элемента 5 входной сигнал с усилителя 4 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с U_max=2,4 В и U_min=0,2 В с частотой генератора 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 в схеме предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора 3. На входе второго логического элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме и частоте сигналу с логического элемента 5. Выходные сигналы с 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы исключающее "ИЛИ" 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющая операцию логического сложения. Если сигналы с 5 и 6 имеют нулевой фазовый сдвиг, то на выходе схемы 7 имеем логический "0", если же сигналы с 5 и 6 имеют фазовый сдвиг, отличный от нуля, то на выходе 7 имеем логическую "1". По форме сигнал с выхода 7 имеет аналогичную форму сигнала с выходов 5 и 6. Выходной сигнал схемы исключающее "ИЛИ" 7 поступает на вход первого прецизионного релейного элемента 8, переключение которого происходит на несущей частоте генератора 3, и осуществляется фиксация уровня сигнала с выхода 7. Сглаживающий фильтр 9 осуществляет выделение уровня сигнала с выхода 8 в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода сглаживающего фильтра 9 поступает на вход сопряженного фильтра верхних частот 10, включенного в одну из параллельных отрицательных обратных связей (аналоговая отрицательная обратная связь), и фильтр 10 обеспечивает заданную форму переходного процесса в предлагаемом устройстве. Так как входом для датчика моментов 12 является ток, то на выход 10 включен преобразователь напряжение - ток 11. Сглаженный сигнал с фильтра 9 поступает также на вход сопряженного фильтра нижних частот 13, включенного в цифровую отрицательную обратную связь. Сопряженные между собой фильтры 9 и 13 обеспечивают инвариантное устройство и результирующую обратную отрицательную связь в минус единица, независимо от параметров сопряженных фильтров 10 и 13. На вход суммирующего элемента 14 поступает сигнал с выхода фильтра 13 и с выхода генератора пилообразного напряжения 17, для которого входным является сигнал со схемы синхронизации 16, вход которой соединен с выходом генератора стабильной частоты 15. На выходе суммирующего элемента 14 имеем сигнал в виде пилообразного напряжения, смещенный по уровню в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Амплитудный детектор 18, включенный на выход суммирующего элемента 14, преобразует сигнал на несущей частоте в сигнал постоянного тока, который затем поступает на вход компаратора 19. Компаратор срабатывает по знаку сигнала с выхода 14 и в виде ШИМа (широтно-импульсная модуляция), после преобразования в преобразователе уровня сигнала 20, поступает на входы ждущих синхронных генераторов 21 и 22, которые взводятся от компаратора 19 и вырабатывают короткие импульсы (длительностью, определяемой частотой привязки схемы синхронизации 16), частота которых определяется частотой переключения компаратора 19. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на RS-триггер 23 подается импульс либо со ждущего синхронного генератора 21, либо со ждущего синхронного генератора 22. Выходной сигнал с RS-триггера 23 не может быть подан непосредственно на токовую обмотку датчика моментов 12 ввиду своей нестабильности по амплитуде. Для исключения этого сигнал с выхода RS-триггера 23 поступает на вход второго прецизионного релейного элемента 24, осуществляющего стабилизацию сигнала по уровню. Выходной сигнал с 24 в виде ШИМа поступает на вход преобразователя тока 25, а затем на один из входов датчика моментов 12. В зависимости от фазы отклонения 1 на обмотки датчика моментов 12 будет подан сигнал по фазе и по модулю, позволяющий скомпенсировать отклонение 1, вызванное действием ускорения. Для получения информации об отклонении чувствительного элемента 1 в цифровом коде предусмотрена подача ШИМ-сигнала с выхода RS-триггера 23 на входы схем совпадения ("И") 26 и 27, на другие входы 26 и 27 подается импульс счета со схемы синхронизации 16. В зависимости от состояния триггера 23 эти импульсы будут подаваться либо на вычитающие входы, либо на суммирующие входы реверсивного двоичного счетчика 28. Информация с 28 (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) по сигналу импульса установки со схемы синхронизации 16 пропорциональна углу отклонения чувствительного элемента 1 в цифровом коде.

Введение в устройство сопряженных фильтров верхних и нижних частот, в параллельные отрицательные обратные связи, реализует инвариантное устройство с суммарной единичной обратной связью с расширенной полосой пропускания и значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, определяющим точность цифрового отсчета в установившемся режиме.

Работу устройства можно пояснить с помощью передаточных функций.

Введение в аналоговую отрицательную обратную связь сопряженного фильтра верхних частот с передаточной функцией

и цифровую отрицательную обратную связь сопряженного фильтра с передаточной функцией

позволяет создать инвариантное устройство к изменению параметров (устойчивое при любом коэффициенте передачи по разомкнутому контуру) с единичной обратной связью

и независимое от постоянной времени сглаживающего фильтра в цепи цифрового отсчета.

Результаты моделирования устройства для измерения ускорений приведены на фиг.3 (прототип) и на фиг.4. Из анализа переходных процессов следует, что инвариантное устройство (фиг.4) для измерения ускорений устойчиво при коэффициенте при разомкнутом контуре, равном 10000, имеет значительное быстродействие (полосу пропускания) в отличие от прототипа.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, датчик моментов, аналоговую обратную связь с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно соединенные первый логический элемент, схему "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, сопряженный фильтр верхних частот, преобразователь напряжения - ток и генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом датчика угла, а другой с входом схемы «ИЛИ» через второй логический элемент, а выход датчика угла соединен с усилителем, отличающееся тем, что в цепь цифровой обратной связи, реализованной с выхода сглаживающего фильтра на вход датчика моментов, введены последовательно соединенные по информационным входам сопряженный фильтр низких частот, суммирующий элемент, амплитудный детектор, компаратор, преобразователь уровня сигнала, пара ждущих синхронных генераторов, RS-триггер, второй прецизионный релейный элемент, преобразователь тока, RS-триггер соединен также с входом реверсивного двоичного счетчика через пару схем совпадения «И», причем один из входов суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, а вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения «И», реверсивного двоичного счетчика соединены с одним из выходов схемы синхронизации и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.