Устройство для измерения ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации. В устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик момента, отрицательную и положительную обратные связи, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, два дифференцирующих звена в положительной обратной связи, преобразователи напряжение-ток в положительной и отрицательной обратных связях, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами положительной и отрицательной обратных связей, а также сумматор, введены с выхода усилителя на входы второго сумматора дифференцирующие звенья, с передаточными функциями W(s)=2·ς₀·T₀·s и W(s)=T₀·s/2·ς₀ (где s - оператор преобразования Лапласа, Т₀ - постоянная времени, ς₀ - относительный коэффициент демпфирования), положительная обратная связь с дифференцирующими звеньями и отрицательная обратная связь. Технический результат заключается в расширении полосы пропускания устройства и повышении точности измерения. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации, навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин (угловых скоростей) 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 №2325662, МПК⁷ G01P 15/13, опуб. 27.05.2008, бюл. №15), 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.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения и малая полоса пропускания.

Технической 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 момента, отрицательную и положительную обратные связи, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, два дифференцирующих звена в положительной обратной связи, преобразователи напряжение-ток в положительной и отрицательной обратных связях, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами положительной и отрицательной обратных связей, а также сумматор, введены с выхода усилителя на входы второго сумматора третье и четвертое дифференцирующие звенья, причем третье дифференцирующее звено с передаточной функцией W(s)=2·ς₀·T₀·s, вход которого соединен с выходом усилителя, соединено с одним из входов второго сумматора, и через четвертое дифференцирующее звено с передаточной функцией W(s)=T₀·s/2·ς₀ с другим входом второго сумматора, выход усилителя соединен также с одним из входов второго сумматора, положительная обратная связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первое дифференцирующее звено, один из выходов которого соединен с другим входом второго преобразователя напряжение-ток через второе дифференцирующее звено, отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор отрицательной обратной связи, и выходы первого и второго преобразователей напряжение-ток соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом датчика момента, и выход второго сумматора является выходом устройства.

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 . Реализация на выходе устройства для измерения ускорений дифференцирующих звеньев, одного с передаточной функцией 2·ς₀·T₀·s, а другого с передаточной функцией (результирующая передаточная функция на выходе устройства ), позволяет расширить полосу пропускания и повысить точность. Охват устройства обратными связями, разных знаков, уменьшает относительную погрешность измерения ускорений.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема; на фиг.3 - графики переходного процесса в предлагаемом устройстве и в прототипе.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое отклонение которого фиксируется датчиком 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). Выход ФДООС 4 соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 5, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора 6. Выход усилителя 3 соединен также с входом фазового детектора положительной обратной связи 7 (ФДПОС). Выход ФДПОС 7 соединен с входом первого дифференцирующего звена 8, один из выходов которого соединен со входом второго дифференцирующего звена 9. Выходы первого и второго дифференцирующих звеньев 8 и 9 соединены с входом второго преобразователя напряжение-ток 10. Выход преобразователя напряжение-ток 10 соединен с одним из входов первого сумматора 6. Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 7 соединены с выходом генератора опорного напряжения 11 (ГОН). Выход усилителя 3 соединен с входом третьего дифференцирующего звена 13, один из выходов которого соединен как с входом четвертого дифференцирующего звена 14, так с одним из входов второго сумматора 15. Вход второго сумматора 15 соединен также с выходом усилителя 3. Выход с первого сумматора 6 соединен с входом датчика момента 12. Выход второго сумматора 15 является выходом устройства для измерения ускорений.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, дифференцирующих звеньев, усилителя, генератора опорного напряжения 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 - длинна и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 11. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДПОС 7. ФДПООС 4, ФДПОС 7 и ГОН 11 выделяют фазу отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 7 в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 7 в виде напряжения поступает на вход первого дифференцирующего звена 8 (на выходе 8 сигнал пропорционален первой производной отклонения чувствительного элемента 1), один из выходов которого соединен со входом второго дифференцирующего звена 9 (вторая производная отклонения чувствительного элемента 1). Сигналы с выходов дифференцирующих звеньев 8 и 9 в виде напряжения поступают на входы второго преобразователя напряжение-ток 10, на выходе которого будет сигнал в виде суммы сигналов по первой и второй производной от отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал со второго преобразователя напряжение-ток 10 поступает на один из входов первого сумматора 6. На другой вход первого сумматора 6 подается сигнал с выхода ФДООС 4 через первый преобразователь напряжение-ток 5. Сигнал с выхода первого сумматора 6 поступает на вход датчика момента 12, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает как на один из входов второго сумматора 15, так и вход третьего дифференцирующего звена 13. Сигнал по первой производной с третьего дифференцирующего звена 13 поступает как на вход четвертого дифференцирующего звена 14, так и на вход второго сумматора 15. На выходе второго сумматора реализуется звено с передаточной функцией (фиг.2, где s, T₀, ς₀ - соответственно оператор преобразования Лапласа, постоянная времени и относительный коэффициент демпфирования). Введение звеньев с эквивалентной передаточной функцией на выход устройства и звеньев, реализующих передаточную функцию W(s)=k₁·s²+k₂·s, (где k₁ и k₂ коэффициенты пропорциональности), в положительную обратную связь, позволяет реализовать устройство для измерения ускорений с расширенной полосой пропускания и повышенной точности.

Динамику работы предлагаемого устройства для измерения ускорений можно пояснить с помощью структурной схемы (фиг.2). Передаточная функция контура отрицательной обратной связи запишется в виде

, где

, где T, ς, k_oc - постоянная времени, относительный коэффициент демпфирования и коэффициент обратной связи устройства для измерения ускорений с жесткой обратной связью.

Передаточная функция устройства с положительной и отрицательной обратной связью запишется как

.

Для обеспечения устойчивости в устройстве для измерения ускорений необходимо наложить ограничения на параметры

и 2·ς₁·Т₁>k₁·k₂.

Передаточная функция разомкнутой системы устройства для измерения ускорений запишется в виде

, и после ряда преобразований получим

.

Из анализа полученного выражения для передаточной функции следует, что устройство с передаточной функцией W(s) является широкополосным при выполнении условия W(s)=k₁₁. Охват устройства обратными связями разных знаков уменьшает относительную погрешность измерения ускорений, и эта погрешность равна . Если в процессе проектирования обеспечить выполнение условия (1-k₁·k₂·k_oc)=0.01, то погрешность измерения ускорения уменьшается в 100 раз.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить с помощью моделирования устройства, которое осуществлено при следующих параметрах: Т=0.2 с, ς=0.72, k_oc=0.3, k₁=k₂=0.01, k₃=2·ς₀·T₀=0.01, k₄=2·ς₀=0.2. Из анализа результатов моделирования (фиг.3) следует, что скорость нарастания переходного процесса в предлагаемом устройстве выше, чем в прототипе, а следовательно, больше частота среза и полоса пропускания.

Построение устройства для измерения ускорений, охваченного положительной обратной связью по первой и второй производной, отрицательной жесткой обратной связью и с эквивалентным звеном с передаточной функцией , включенным на выход, дает возможность, на базе существующих устройств 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 момента, отрицательную и положительную обратные связи, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, два дифференцирующих звена в положительной обратной связи, преобразователи напряжение-ток в положительной и отрицательной обратных связях, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами положительной и отрицательной обратных связей, а также сумматор, отличающееся тем, что в него введены с выхода усилителя на входы второго сумматора третье и четвертое дифференцирующие звенья, причем третье дифференцирующее звено с передаточной функцией W(s)=2·ς ₀·T₀·s (где s - оператор преобразования Лапласа, Т₀ - постоянная времени, ς₀ - относительный коэффициент демпфирования), вход которого соединен с выходом усилителя, соединено с одним из входов второго сумматора и через четвертое дифференцирующее звено с передаточной функцией W(s)=T₀·s/2·ς₀ с другим входом второго сумматора, выход усилителя соединен также с одним из входов второго сумматора, положительная обратная связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первое дифференцирующее звено, один из выходов которого соединен с другим входом второго преобразователя напряжение-ток через второе дифференцирующее звено, отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор отрицательной обратной связи, и выходы первого и второго преобразователей напряжение-ток соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом датчика момента, и выход второго сумматора является выходом устройства.