Устройство для измерения ускорений

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, навигации и наведении и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик угла, датчик моментов, включенный в обратную связь, а также аналоговый и цифровой каналы. Аналоговый канал введен с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, фильтр второго порядка, изодрому, преобразователь напряжение-ток. Цифровой канал реализован с выхода фильтра второго порядка на вход итогового регистра через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, первый компаратор, пару ждущих синхронных генераторов, асинхронный RS-триггер, первую и вторую схему совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик. Введение в устройство дифференцирующего усилителя, изодромы, компараторов, триггера, схем совпадения, реверсивных двоичных счетчиков и итогового регистра позволило увеличить коэффициент усиления по разомкнутому контуру, повысить точность аналогового и цифрового отсчета в установившемся режиме и расширить полосу пропускания. Кроме того, текущая информация об ускорении в цифровом канале выдается не в дискретные промежутки времени, а непрерывно, что также повышает точность измерения. 3 ил.

 

Устройство предназначено для применения в качестве 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 введены 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 (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, дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком 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.

Задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик моментов, включенного в обратную связь, введены аналоговый и цифровой каналы, аналоговый канал введен с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, фильтр второго порядка, изодрому, преобразователь напряжение-ток, цифровой канал реализован с выхода фильтра второго порядка на один из входов итогового регистра через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, первый компаратор, первый и второй ждущие синхронные генераторы, асинхронный RS-триггер, первую и вторую схему совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, другой вход итогового регистра соединен с одним из выходов второго ждущего синхронного генератора через последовательно соединенные по информационным входам третью схему совпадения, второй реверсивный двоичный счетчик, пятую схему совпадения, вход четвертой схемы совпадения соединен с одним из выходов второго реверсивного двоичного счетчика, а выход четвертой схемы совпадения соединен с одним из входов первого реверсивного двоичного счетчика, второй вход сумматора соединен с выходом генератора тактовой частоты через третий реверсивный двоичный счетчик, второй компаратор, фильтр, формирующий треугольную пилу, кроме того, входы датчика угла, ждущих синхронных генераторов, схем совпадения соединены с выходами генератора тактовой частоты, выход фильтра второго порядка является аналоговым выходом устройства, а выход итогового регистра цифровым.

В предлагаемом устройстве за счет включения в аналоговую обратную связь фильтра второго порядка, изодромы и дифференцирующего усилителя обеспечивается широкая полоса пропускания, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, определяющий точность цифрового отсчета в установившемся режиме. Кроме того, текущая информация об ускорении в цифровом канале, содержащем сумматор, компараторы, ждущие синхронные генераторы, асинхронный RS-триггер, схемы совпадения, реверсивные двоичные счетчики, итоговый регистр, фильтр треугольной пилы, выдается не в дискретные промежутки времени, а непрерывно, тем самым повышается точность измерения.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, на фиг.2 - функциональная схема устройства, на фиг.3 - переходный процесс в предлагаемом устройстве.

Предлагаемое устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом дифференцирующего усилителя 3 переменного тока со стабильным коэффициентом передачи. Выход усилителя 3 соединен с входом фильтра второго порядка 4, один из выходов которого соединен с входом изодромы 5. Выход изодромы 5 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 6, выход преобразователя напряжение-ток 6 соединен с входом датчика моментов 7. Другой выход фильтра второго порядка 4 соединен с одним из входов сумматора 8, выход которого соединен с входом первого компаратора 9. Выходы первого компаратора 9 соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 10 и 11, выходы которых соединены с входами асинхронного RS-триггера 12. Выходы асинхронного RS-триггера 12 соединены с входами первой и второй схемы совпадения ("И") 13 и 14. Выходы схем совпадения 13 и 14 соединены с входами первого реверсивного двоичного счетчика 15, выход которого соединен с одним из входов итогового регистра 16. Один из выходов ЖСГ 11 соединен с входами третьей схемы совпадения 17, второго реверсивного двоичного счетчика 18 и четвертой схемы совпадения 19. Второй вход четвертой схемы совпадения 19 соединен с выходом второго реверсивного двоичного счетчика 18. Выход второго реверсивного двоичного счетчика 18 соединен также с одним из входов пятой схемы совпадения 20, другой вход которой соединен с выходом ЖСГ 11. Выход четвертой схемы совпадения 19 соединен с одним из входов первого реверсивного двоичного счетчика 15, а выход пятой схемы совпадения 20 соединен с одним из входов итогового регистра 16. Второй вход сумматора 8 соединен с выходом генератора тактовой частоты 21 через последовательно соединенные по информационным входам третий реверсивный двоичный счетчик 22, второй компаратор 23 и фильтр, формирующий треугольную пилу 24. Дополнительные входы датчика угла 2, ЖСГ 10 и 11, схем совпадения 13, 14, 17, 19 и 20 соединены с выходами генератора тактовой частоты 21. Аналоговый выход устройства для измерения ускорений формируется с выхода 5, а цифровой с выхода 16.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описанных в кн. Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. - Л.: Машиностроение, 1974. - 432 с. Схемы реализации дифференцирующего усилителя, асинхронного RS-триггера, фильтра второго порядка, фильтра, формирующего треугольную пилу, двоичного реверсивного счетчика, итогового регистра, сумматора, компаратора, схем совпадения описаны в кн. 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 выходом генератора тактовой частоты (U₀). Выходной сигнал с датчика угла 2 усиливается дифференцирующим усилителем переменного тока 3. Напряжение с выхода усилителя 3 поступает на вход фильтра второго порядка 4, а затем сигнал поступает на вход изодромы 5. Сигнал, в виде напряжения, с выхода изодромы 5 подается на вход преобразователя напряжение-ток 6, а затем на вход датчика моментов 7. Датчик моментов 7 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения. Элементы 1-7 образуют аналоговый канал. Фильтр второго порядка 4 и изодрома 5, включенные в аналоговый канал, формируют заданный переходный процесс и устойчивость устройства для измерения ускорений. Выход с изодромы 5 является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений. Один из выходов фильтра второго порядка 4 соединен с одним из входов сумматора 8. Второй вход сумматора 8 соединен с выходом фильтра, формирующего треугольную пилу 24, через последовательно соединенные по информационным входам генератор тактовой частоты 21, третий реверсивный двоичный счетчик 22, второй компаратор 23, и выходной сигнал с сумматора 8, смещенный по уровню в зависимости от фазы отклонения 1, поступает на вход первого компаратора 9. Если сигнал с выхода фильтра второго порядка 4 будет больше треугольного напряжения с выхода фильтра, формирующего треугольную пилу 24, то на выходе первого компаратора 9 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе первого компаратора 9 имеем низкий логический уровень, и уровень сигнала с первого компаратора 9 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода первого компаратора 9, в виде ШИМа (широтно-импульсная модуляция), поступает на входы ждущих синхронных генераторов 10 и 11, которые взводятся от первого компаратора 9 и вырабатывают короткие импульсы (длительностью, определяемой частотой привязки (U₀) генератора тактовой частоты 21), частота которых определяется частотой переключения первого компаратора 9. В зависимости от фазы отклонения 1 на асинхронный RS-триггер 12 (триггер знака отклонения) подается импульс с ЖСГ 10 либо с ЖСГ 11. Если фаза отклонения чувствительного элемента 1 равна нулю, то на одном из выходов асинхронного RS-триггера 12 имеем логический "0", а на инверсном выходе 12 логическую единицу "1". Сигналы с выхода асинхронного RS-триггера 12 поступают на входы первой и второй схемы совпадения 13 и 14, которые взводятся по частоте U₃ с генератора 21. На выходе 13 при нулевой фазе отклонения 1 имеем логическую "1", а выходе 14 логический "0". Импульсы с ЖСГ 11 поступают на входы третьей схемы совпадения 17 (которая взводится по частоте U₀ с генератора тактовой частоты 21) и второго реверсивного двоичного счетчика 18, и после подсчета импульсы поступают на один из входов четвертой схемы совпадения 19, которая по импульсу U₂ с генератора тактовой частоты 21 осуществляет начальную установку первого реверсивного двоичного счетчика 15. Первый реверсивный двоичный счетчик 15 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода первой схемы совпадения 13, и вычитание импульсов, поступающих с выхода второй схемы совпадения 14. Информация со счетчика (равная разности положительных и отрицательных импульсов) по сигналу записи с пятой схемы совпадения 20 переписывается в итоговый регистр 16 в соответствии со знаком разряда асинхронного RS-триггера 12. Импульсы записи с ЖСГ 11 и со второго реверсивного двоичного счетчика 18 поступают на вход пятой схемы совпадения 20 и продвигаются по импульсу записи U₁ с генератора тактовой частоты 21 на один из входов итогового регистра. Непрерывный цифровой код с выхода итогового регистра 16 пропорционален действующему ускорению.

Функциональная схема предлагаемого устройства, приведенная на фиг.2, была смоделирована при следующих параметрах: Т₂=0.2 с, Т=0.01 с, К=100, ξ=0.7, T₁=0.01 с, К₂=500, К₃=1 с^-1, К₄=10, Т₄=0.001 с, при единичном входном воздействии, и результаты моделирования представлены на фиг.3. Из анализа полученных результатов следует, что введение в устройство дифференцирующего усилителя, изодромы, компараторов, триггера, схем совпадения, реверсивных двоичных счетчиков и итогового регистра позволило увеличить коэффициент усиления по разомкнутому контуру, повысить точность аналогового и цифрового отсчета в установившемся режиме и расширить полосу пропускания. Кроме того, текущая информация об ускорении в цифровом канале выдается не в дискретные промежутки времени, а непрерывно, тем самым также повышается точность измерения.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик моментов, включенный в обратную связь, отличающееся тем, что в него введены аналоговый и цифровой каналы, аналоговый канал введен с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные дифференцирующий усилитель, фильтр второго порядка, изодрому, преобразователь напряжение-ток, цифровой канал реализован с выхода фильтра второго порядка на один из входов итогового регистра через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, первый компаратор, первый и второй ждущие синхронные генераторы, асинхронный RS-триггер, первую и вторую схему совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, другой вход итогового регистра соединен с одним из выходов второго ждущего синхронного генератора через последовательно соединенные по информационным входам третью схему совпадения, второй реверсивный двоичный счетчик, пятую схему совпадения, вход четвертой схемы совпадения соединен с одним из выходов второго реверсивного двоичного счетчика, а выход четвертой схемы совпадения соединен с одним из входов первого реверсивного двоичного счетчика, второй вход сумматора соединен с выходом генератора тактовой частоты через третий реверсивный двоичный счетчик, второй компаратор, фильтр, формирующий треугольную пилу, кроме того, входы датчика угла, ждущих синхронных генераторов, схем совпадения соединены с выходами генератора тактовой частоты, выход фильтра второго порядка является аналоговым выходом устройства, а выход итогового регистра - цифровым.