Устройство для измерения ускорений

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, навигации и наведения и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент, датчик угла, широкополосный усилитель, датчик момента, положительную обратную связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор положительной обратной связи, отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор отрицательной обратной связи и фильтр верхних частот, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход знакового переключателя, а также нелинейное звено с ограничением с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение-ток и нелинейное звено с зоной нечувствительности с выхода фильтра верхних частот на вход второго преобразователя напряжение-ток. Введение в устройство нелинейных звеньев в положительную и отрицательную обратные связи позволяет увеличить точность измерения. 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 (А.С. №742801, МПК⁶ G01P 15/13, опубл. в БИ №23, 1980), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент, причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий 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 измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ №2165625, МПК⁷ G01P 15/13, опубл. в БИ №11, 20.04.2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, широкополосный усилитель и датчик момента, положительную обратную связь, введенную с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение-ток, отрицательную обратную связь, введенную с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение-ток, отрицательную интегрирующую обратную связь, введенную с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента и содержащую последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания, 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, при этом 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.

Недостатком данного устройства является низкая точность.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения ускорений.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, широкополосный усилитель, датчик момента, положительную обратную связь с выхода широкополосного усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор положительной обратной связи, отрицательную обратную связь с выхода широкополосного усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход знакового переключателя через последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен с входами преобразователя дополнительного кода в прямой, и схемы собирания, один из входов схемы собирания соединен также с выходом преобразователя дополнительного кода в прямой, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, один из входов знакового переключателя соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика, а также схему синхронизации, выходы которой соединены с входом компаратора и входами пары ждущих синхронных генераторов, и генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей, введены нелинейное звено с ограничением с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение-ток и нелинейное звено с зоной нечувствительности с выхода фильтра верхних частот на вход второго преобразователя напряжение-ток, выходы первого, второго преобразователей напряжение-ток и знакового переключателя соединены с входами сумматора, выход которого соединен с входом датчика моментов и выход реверсивного двоичного счетчика является выходом устройства в цифровом коде.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения ускорений.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с входом широкополосного усилителя 3. Один из выходов усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи (ФДООС) 4, а другой выход с входом фазового детектора положительной обратной связи (ФДПОС) 5. Вход датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 соединен также с выходом генератора опорного напряжения (ГОН) 6. Выход ФДПОС 5 соединен с входом нелинейного звена с зоной ограничения 7. Выход нелинейного звена с зоной ограничения 7 соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 8. Выход ФДООС 4 соединен с входом фильтра верхних частот 9, выход которого соединен с входом нелинейного звена с зоной нечувствительности 10. Выход нелинейного звена с зоной нечувствительности 10 соединен с входом второго преобразователя напряжение-ток 11. Выход ФДООС 4 соединен также с входом интегрирующего усилителя 12, выход которого соединен с входом компаратора 13. Выход компаратора 13 соединен как с входом ждущего синхронного генератора 14, так и с входом ждущего синхронного генератора 15. Выходы ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 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 реверсивного двоичного счетчика 16 соединен с одним из входов схемы собирания 18. Другой вход схемы собирания 18 соединен с выходом преобразователя дополнительного кода в прямой 17. Выход схемы собирания 18 соединен с входом двоичного умножителя 19. Выход двоичного умножителя 19 через сглаживающий фильтр 20 соединен с входом знакового переключателя 21, другой вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика 16. Выход схемы синхронизации 22 соединен с входами компаратора 13 и входами ждущих синхронных генераторов 14 и 15. Выходы преобразователей напряжение-ток 9, 11 и знакового переключателя 21 соединены с входами сумматора 23, выход которого соединен с входом датчика момента 24.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, схемы собирания, сумматора, нелинейных звеньев с зонами ограничения и нечувствительности, двоичного умножителя, знакового переключателя, схемы синхронизации приведены 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 действует инерционный момент, под действием которого происходит отклонение чувствительного элемента 1. Отклонение фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого соединена с выходом ГОН 6. Сигнал с датчика угла 2 после усиления широкополосным усилителем 3 поступает на входы ФДООС 4 и ФДПОС 5. С помощью ФДПОС 4, ФДПОС 5 и ГОН 6 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал (в виде напряжения) будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 5 сигнал в фазе отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода ФДПОС 5, в виде напряжения, поступает на вход нелинейного звена с зоной ограничения 7, а затем на вход первого преобразователя напряжение-ток 8, выходной сигнал которого, в виде тока, поступает на вход сумматора 23. На вход сумматора 23 поступает сигнал из цепи отрицательной обратной связи с выхода ФДООС 4 через фильтр верхних частот 9, нелинейное звено с зоной нечувствительности 10 и второй преобразователь напряжение-ток 11. При больших ускорениях с помощью нелинейного звена с зоной ограничения 7 устраняется влияние положительной обратной связи, а при малых значениях действующего ускорения устраняется влияние отрицательной обратной связи с помощью нелинейного звена с зоной нечувствительности 10. Фильтр верхних частот 9, включенный в отрицательную обратную связь, предназначен для стабилизации динамики 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.) Сигнал, в виде напряжения, с ФДООС 4 поступает также на вход интегрирующего усилителя 12. Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 12 поступает на один из входов компаратора 13. В компараторе 13 происходит сравнение сигнала с выхода усилителя 12 с сигналом, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 22. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 12 будет больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 22, то на выходе компаратора 13 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 13 - низкий логический уровень. Уровень сигнала зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с компаратора 13, в виде уровня, поступает на входы ждущих синхронных генераторов 14 и 15, которые с помощью схемы синхронизации 22 выдают сигналы, в виде импульса на частоте 10 Мгц, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода 13), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 16 производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14 и вычитание импульсов поступающих с выхода 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 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 отклонения чувствительного элемента 1 равна 180°. После логического сложения сигналов схемой собирания 18 выходной сигнал с 18 подается на вход двоичного умножителя 19, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы собирания 18. 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 24 поступает сигнал с сумматора 23, на вход которого поступает сигнал со знакового переключателя 21, со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 16, и сигналы с выходов 8, 11. Датчик момента 24 создает момент, который устраняет отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Выход с реверсивного двоичного счетчика 16 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.

Положительный эффект от предложенного устройства состоит в том, что улучшаются динамические характеристики, устойчивость и точность за счет введения нелинейных элементов. Введение в устройство нелинейных звеньев в положительную и отрицательную обратные связи позволяет увеличить точность измерения, при этом величины зон ограничения и нечувствительности находятся в прямой зависимости от уровня входного сигнала. Большие входные воздействия компенсируются положительной обратной связью, а малые отрицательной. Изменяя параметры нелинейных звеньев, можно увеличить также чувствительность устройства и расширить диапазон измерения ускорений.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, широкополосный усилитель, датчик момента, положительную обратную связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор положительной обратной связи, отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход знакового переключателя через последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен с входами преобразователя дополнительного кода в прямой, и схемой собирания, один из входов схемы собирания соединен также с выходом преобразователя дополнительного кода в прямой, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, один из входов знакового переключателя соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика, а также схему синхронизации, выходы которой соединены с входом компаратора и входами пары ждущих синхронных генераторов, и генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей, отличающееся тем, что в него введены нелинейное звено с ограничением с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение-ток и нелинейное звено с зоной нечувствительности с выхода фильтра верхних частот на вход второго преобразователя напряжение-ток, выходы с первого, второго преобразователей напряжение-ток и знакового переключателя соединены с входами сумматора, выход которого соединен с входом датчика моментов, и выход реверсивного двоичного счетчика является выходом устройства в цифровом коде.