Устройство для измерения ускорений

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Устройство содержит чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя, магнитоэлектрический силовой преобразователь и широкополосный фильтр второго порядка, включенные в отрицательную обратную связь. Вход широкополосного фильтра соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход - с входом магнитоэлектрического силового преобразователя через преобразователь напряжение-ток. Вход сглаживающего фильтра соединен с выходом датчика положений через усилитель переменного тока со стабильным коэффициентом усиления, логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент. Выходы генератора опорного напряжения соединены как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений. Использование широкополосного фильтра второго порядка с параметрами ζ₂>ζ₁ позволяет реализовать устройство со значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, повысить точность и расширить полосу пропускания. 5 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 (А.с. №1795374 А1, кл. G01P 15/13, 15/08, 1993 г.), содержащее чувствительный элемент, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационная катушка которого подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является динамическая погрешность, обусловленная включением параллельно одному из резисторов конденсатора, что равносильно введению в акселерометр апериодического звена.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр (Патент RU №2210781 С2, кл. 7 G01P 15/13, опубл. 2003.08.20), содержащий чувствительный элемент акселерометра, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационную катушку, которая подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором. К точке соединения компенсационной катушки из последовательно соединенных первого и второго резисторов подключено интегродифференцирующее звено с передаточной функцией (Т₁, T₂ - соответственно постоянные времени T₂>T₁, s - преобразователь Лапласа ). Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность, которая ограничена коэффициентом усиления по разомкнутому контуру (фиг.4, 5).

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений и повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, введен, в отрицательную обратную связь, широкополосный фильтр второго порядка с параметрами ζ₂>ζ₁, вход, которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход с входом магнитоэлектрического силового преобразователя через преобразователь напряжение-ток, кроме того, вход сглаживающего фильтра соединен с выходом датчика положений через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, а выходы генератора опорного напряжения соединены как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.

Введение в устройство для измерения ускорений широкополосного фильтра второго порядка с параметрами ζ₂>ζ₁ (где ζ₁ и ζ₂ относительные коэффициенты демпфирования, Т₁ - постоянная времени, s - преобразователь Лапласа) позволяет реализовать устройство со значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, повысить точность и расширить полосу пропускания.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.2 - структурная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.3, 4, 5 - схема моделирования и переходные процессы в устройстве для измерения ускорений при единичном входном воздействии и при различных значениях коэффициента передачи по разомкнутому контуру в предлагаемом устройстве и прототипе.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого фиксирует датчик положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 3. Выходная обмотка датчика положения 2 соединена с усилителем переменного тока со стабильным коэффициентом усиления 4, выход которого соединен с входом первого логического элемента 5. Вход второго логического элемента 6 соединен с одним из выходов генератора опорного напряжения 3, а выход соединен с одним из входов схемы исключающее "или" 7, другой вход схемы исключающее "или" 7 соединен с выходом первого логического элемента 5. Выход схемы исключающее "или" 7 соединен с входом прецизионного релейного элемента 8, выход которого соединен с входом сглаживающего фильтра 9. Выход сглаживающего фильтра 9 соединен с входом широкополосного фильтра второго порядка 10, выход которого, через преобразователь напряжение-ток 11, соединен с входом магнитоэлектрического силового преобразователя 12.

Внутреннее содержание генератора, логических элементов, схемы сравнения, схемы исключающее "или", усилителя, сглаживающего фильтра, широкополосного фильтра второго порядка, прецизионного релейного элемента и преобразователя напряжение-ток приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

Работа устройства для измерения ускорений осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения, фиксируется датчиком положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика положения 2 имеет фазу 0° либо 180° относительно несущей частоты. Выходной сигнал с датчика положения 2 усиливается усилителем переменного тока 4 со стабильным коэффициентом усиления. С выхода первого логического элемента 5 входной сигнал с усилителя 4 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с частотой генератора опорного напряжения 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора опорного напряжения 3. На выходе логического элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме сигналу с первого логического элемента 5. Выходные сигналы с 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы исключающее "или" - 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей 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". Форма выходного сигнала с 7 аналогична форме сигналов со схем 5 и 6. Выходной сигнал с выхода 7 поступает на вход 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. Широкополосный фильтр второго порядка с параметрами ζ₂>ζ₁-10 обеспечивает заданную форму переходного процесса в устройстве и включен на выход фильтра 9. Так как входом для магнитоэлектрического силового преобразователя 12 является ток, то с выхода широкополосного фильтра второго порядка 10 включен преобразователь напряжение-ток 11, выход которого соединен с токовой обмоткой магнитоэлектрического силового преобразователя 12. Магнитоэлектрический силовой преобразователь 12 развивает момент, который устраняет угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения.

Структурная схема предлагаемого устройства для измерения ускорений, представленная на фиг.2, была промоделирована с параметрами, указанными на фиг.3. Результаты моделирования, при различных значениях коэффициента передачи (K=1000 для предлагаемого устройства и K=1,10 для прототипа), приведены на фиг.4 и 5. Из анализа переходных процессов (фиг.4 и 5) следует, что в предлагаем устройстве, за счет введения в отрицательную обратную связь широкополосного фильтра второго порядка, можно реализовать значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, а следовательно, повысить точность измерения, расширить полосу пропускания и обеспечить устойчивость.

Введение в устройство логических схем, прецизионного релейного элемента, сглаживающего фильтра, широкополосного фильтра второго порядка позволяет уменьшить статическую ошибку, расширить полосу пропускания и уменьшить влияние погрешностей элементов, входящих в прямую цепь.

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, отличающееся тем, что в него введен в отрицательную обратную связь широкополосный фильтр второго порядка с параметрами ζ₂>ζ₁, где ζ₂>ζ₁ - относительные коэффициенты демпфирования, Т₁, T₂ - постоянные времени T₁>T₂, s - преобразователь Лапласа , вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход - с входом магнитоэлектрического силового преобразователя через преобразователь напряжение-ток, кроме того, вход сглаживающего фильтра соединен с выходом датчика положений через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, а выходы генератора опорного напряжения соединены как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.