Устройство для измерения ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах стабилизации и навигации. Устройство включает две отрицательные обратные связи, одна из которых содержит широкополосный фильтр второго порядка, а другая - интегратор, что позволило создать параметрическое устройство, в котором можно реализовать значительный коэффициент усиления по разомкнутому контуру, без потери устойчивости, астатизм по отклонению, расширить полосу пропускания и повысить точность. 3 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 A1. 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 C2, кл. 7 G01P 15/13, опубл. 20.08.2003 г), 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 с цепью из последовательно соединенных первого и второго резисторов подключено интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией (T₁, T₂ - соответственно постоянные времени, T₂>T₁).

Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность, которая ограничена коэффициентом усиления по разомкнутому контуру.

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 с выхода датчика положения, введена отрицательная обратная связь, с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя, образованная через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, широкополосный фильтр второго порядка (где Т₁, ζ₁, ζ₂ - постоянная времени фильтра, относительные коэффициенты демпфирования, s - оператор преобразования Лапласа, причем ζ₂>ζ₁) и первый преобразователь напряжение-ток, в устройство также введены генератор опорного напряжения, соединенный как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, интегратор, вход которого соединен с одним из выходов схемы исключающее "или", и второй преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход с входом магнитоэлектрического силового преобразователя, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.

Введение в устройство для измерения ускорений отрицательных обратных связей, одна из которых содержит широкополосный фильтр второго порядка с передаточной функцией , а другая содержит интегрирующее звено с передаточной функцией (где k₂ - коэффициент передачи интегратора, s - оператор преобразования Лапласа) позволило реализовать устройство для измерения ускорений со значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.2 - схема моделирования ускорений; на фиг 3 - переходные процессы 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. Один из выходов 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 соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 11. Один из выходов схемы исключающее "или" 7 соединен с входом интегратора 12, выход которого соединен с входом второго преобразователя напряжение-ток 13. Выходы с первого и второго преобразователей напряжение-ток 11, 13 соединены с входом магнитоэлектрического силового преобразователя 14.

Внутреннее содержание генератора, логических элементов, схемы сравнения, схемы исключающее "или", усилителя, сглаживающего фильтра, широкополосного фильтра второго порядка, прецизионного релейного элемента, интегратора 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 опорного напряжения 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 второго 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 логических элементов 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 будет логическая "1". Форма выходного сигнала с 7 аналогична форме сигналов с логических элементов 5 и 6. Выходной сигнал с выхода схемы исключающее "или" - 7 поступает на вход прецизионного релейного элемента 8, включенного в одну из отрицательных обратных связей. Переключение прецизионного релейного элемента 8 происходит на несущей частоте генератора опорного напряжения 3, и при этом осуществляется фиксация уровня сигнала с выхода схемы исключающее "или" 7. Сглаживающий фильтр 9 осуществляет выделение уровня сигнала с выхода прецизионного релейного элемента 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 сглаживающего фильтра 9. Для обеспечения астатизма в устройстве для измерения ускорений введена интегрирующая отрицательная обратная связь с выхода датчика положения 2 на вход интегратора 12, через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока со стабильным коэффициентом усиления 4, первый логический элемент 5, схемы исключающее "или" 7. Выход интегратора 12 соединен с одним из входов магнитоэлектрического силового преобразователя 14 через второй преобразователь напряжение-ток 13. Интегратор 12 обеспечивает астатизм по отклонению чувствительного элемента 1. Магнитоэлектрический силовой преобразователь 14 развивает момент, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Выход со сглаживающего фильтра 9 является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.

Введение в устройство для измерения ускорений двух отрицательных обратных связей, одна из которых содержит широкополосный фильтр второго порядка, а другая - интегратор, позволило создать параметрическое устройство для измерения ускорений, в котором можно реализовать значительный коэффициент усиления по разомкнутому контуру, без потери устойчивости. Это позволило реализовать астатизм по отклонению, расширить полосу пропускания и повысить точность.

Техническое решение предлагаемого устройства для измерения ускорений было промоделировано с параметрами, указанными на фиг.2. Результаты моделирования, при различных значениях коэффициента передачи (график 1, при К=10000 для предлагаемого устройства, и графики 2 и 3 при К=1, 10 соответственно для прототипа), приведены на фиг.3. Из анализа переходных процессов следует, что в предлагаемом устройстве, за счет введения двух отрицательных обратных связей, содержащих широкополосный фильтр второго порядка и интегратор, можно реализовать значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения, расширить полосу пропускания и обеспечить устойчивость.

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 с выхода датчика положения, отличающееся тем, что отрицательная обратная связь с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя образована через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, широкополосный фильтр второго порядка ,
(где T₁ - постоянная времени фильтра, ζ₁, ζ₂ - относительные коэффициенты демпфирования, s - оператор преобразования Лапласа, причем ζ₁>ζ₂) и первый преобразователь напряжение-ток, в устройство также введены генератор опорного напряжения, соединенный как с датчиком положения, так и со схемой исключающее «или» через второй логический элемент, интегратор, вход которого соединен с одним из выходов схемы исключающее «или», и второй преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход с входом магнитоэлектрического силового преобразователя, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.