Устройство для измерения ускорений

Изобретение предназначено для использования в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Наличие в устройстве положительной обратной связи с дифференцирующими звеньями обеспечивает расширение полосы пропускания, а включение в отрицательную обратную связь параметрического дифференцирующего звена второго рода повышает точность за счет астатизма первого порядка. Кроме того, за счет формирования в обратной цепи импульсной связи можно расширить полосу пропускания. 4 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 G01Р 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, первый 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 второй 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, фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей.

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, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первый преобразователь напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи и второй преобразователь напряжение - ток, отрицательную обратную связь, охватывающую все устройство, с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, 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, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, введены первое и второе дифференцирующие звенья, в положительную обратную связь, с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение - ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих звеньев, а вход второго дифференцирующего звена соединен с выходом первого дифференцирующего звена и параметрическое дифференцирующее звено второго рода, в отрицательную обратную связь, с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройств.

Введение в устройство дифференцирующих звеньев по первой и второй производной в положительную обратную связь обеспечивает расширение полосы пропускания, т.к. эквивалентная постоянная времени устройства для измерения ускорений уменьшилась на величину (T²-K₂), и коэффициент по контуру при одной и той же частоте среза принимает значение (n=10-30). Введение в отрицательную обратную связь параметрического дифференцирующего звена второго рода (пропорционально-интегро-дифференцирующее звуно) повышает точность и устойчивость устройства за счет астатизма первого порядка. Охват устройства обратными связями разных знаков уменьшает относительную погрешность измерения ускорений, и эта погрешность равна (фиг.2) .

Если обеспечить выполнение условия (1-K₁K₂K_ос)=0.01, то погрешность измерения ускорения уменьшается в 100 раз. Формирование в отрицательной обратной связи импульсной цепи приводит также к расширению полосы пропускания устройства для измерения ускорений.

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

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один из выходов усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС), а другой с входом фазового детектора положительной обратной связи 5 (ФДПОС). Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 соединены с выходом генератора опорного напряжения 6 (ГОН). Выход ФДПОС 5 соединен с входом первого дифференцирующего звена 7, один из выходов первого дифференцирующего звена 7 соединен с входом второго дифференцирующего звена 8, выходы с 7 и 8 соединены с входами сумматора 9, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение - ток 10. Один из выходов ФДООС 4 соединен с входом второго преобразователя напряжение - ток 11, а другой с входом параметрического дифференцирующего звена второго рода 12, выход которого соединен с входом компаратора 13. Один выход компаратора 13 соединен с входом первого ждущего синхронного генератора 14, а другой выход 13 соединен с входом второго ждущего синхронного генератора 15. Выходы ждущих синхронных генераторов 14 и 15 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 16, один выход которого соединен с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 17, а другой выход 16 соединен с одним из входов схемы собирания (ИЛИ) 18. Выход схемы собирания 18 соединен с входом двоичного умножителя 19, выход которого, через сглаживающий фильтр 20, соединен с входом знаковым переключателем 21, второй вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика 16. Выходы схемы синхронизации 22 соединены с дополнительными входами компаратора 13 и ждущих синхронных генераторов 14 и 15. Выходы преобразователей напряжение - ток 10, 11 и знакового переключателя 21 соединены с входами датчика момента 23.

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 звеньев, параметрического дифференцирующего звена второго рода 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 входы ФДООС 4 и ФДПОС 5. ФДПОС 4 и ГОН 6 выделяют фазу 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 звена 7 (на выходе 7 сигнал в виде напряжения пропорционален первой производной отклонения 1), один из выходов которого соединен с входом второго дифференцирующего звена 8 (вторая производная отклонения 1). Выходы с 7 и 8, в виде напряжения, поступают на входы сумматора 9, на выходе которого будет сигнал в виде суммы сигналов по первой и второй производной от отклонения 1. Выходной сигнал с 9 поступает на вход первого преобразователя напряжение - ток 10. Сигнал, в виде напряжения, с ФДООС 4 поступает как на вход второго преобразователя напряжение - ток 11, так и на вход параметрического дифференцирующего звена второго рода 12 и напряжение с выхода 12 поступает на один из входов компаратора 13. В компараторе 13 происходит сравнение сигнала с выхода 12 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 22. Если сигнал с выхода 12 будет больше треугольного напряжения с выхода 22, то на выходе компаратора 13 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 13 низкий логический уровень и уровень сигнала с компаратора 13 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с компаратора 13, в виде уровня, поступают на входы ждущих синхронных генераторов 14 и 15, которые с помощью схемы синхронизации 22 выдают импульсы на частоте 10 Мгц, на каждое воздействие входящего сигнала (с выхода 13), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 16 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода первого ждущего синхронного генератора 14, и вычитание импульсов, поступающих с выхода второго ждущего синхронного генератора 15. Реверсивный двоичный счетчик 16 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде и преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем дополнительного кода в прямой 17. На вход схемы собирания 18 (ИЛИ) поступают сигналы с реверсивного двоичного счетчика 16, если отклонение чувствительного элемента 1 в фазе ГОН 6 и с преобразователя дополнительного кода в прямой 17, если фаза равна 180°. После логического сложения сигналов в преобразователе дополнительного кода в прямой 17 выходной сигнал с 17 подается на вход двоичного умножителя 19, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы собирания 18, и двоичный умножитель 19 преобразует двоичный код в единичный. Сглаживающий фильтр 20, на вход которого поступают импульсы с двоичного умножителя 19, не только устраняет пульсацию входного сигнала с 19, но и обеспечивает устойчивую работу устройства, охваченного обратными связями разных знаков. На токовую обмотку датчика момента 23 поступают сигналы как со знакового переключателя 21, со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 16, так и сигналы с выходов 10 и 11, которые будут устранять отклонение чувствительного элемента 1 и обеспечивать повышение точности и расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений. Выход схемы собирания 18 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

Введение в местную положительную обратную связь звена с передаточной функцией W(s)=K₁s+K₂s² позволяет расширить полосу пропускания, а повышение точности измерения ускорения достигается путем включения в отрицательную обратную связь параметрического дифференцирующего звена второго рода с передаточной функцией . Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить с помощью моделирования устройства с обратными связями в соответствии со схемой, приведенной на фиг.2 (моделирование осуществлено при следующих параметрах: Т=0.2 с, ε=2, K₁=0.1, K₂=0.03, T₀=0.001с). На фиг.3 представлен переходный процесс в прототипе с частотой среза ω_CP≤7.52 с^-1; и коэффициентом усиления по разомкнутому контуру K≤30 с^-2; на фиг.4 переходный процесс в предлагаемом устройстве. Из результатов моделирования следует, что по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве уменьшилось время нарастания переходного процесса, а следовательно, увеличилась частота среза и полоса пропускания.

Построение устройства для измерения ускорений, охваченного положительной обратной связью по первой и второй производной, и отрицательной обратной связью с параметрическим дифференцирующим звеном второго рода позволяет на базе существующих приборов компенсационного типа разрабатывать устройства с расширенной полосой пропускания и высокой точности без изменения конструкции и технологии их изготовления.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первый преобразователь напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи и второй преобразователь напряжение - ток, отрицательную обратную связь, охватывающую все устройство, с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, 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, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, отличающееся тем, что в него введены первое и второе дифференцирующие звенья, в положительную обратную связь, с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение - ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих звеньев, а вход второго дифференцирующего звена соединен с выходом первого дифференцирующего звена, и параметрическое дифференцирующее звено второго рода, в отрицательную обратную связь, с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройств.