Способ пневматического частотного измерения ускорения движения тела

Авторы патента:

G01P15/00 - Измерение ускорения и замедления; измерение импульсов ускорения

Владельцы патента RU 2601271:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к устройствам, использующимся при навигации летательных аппаратов, при измерении ускорения. Техническим результатом является повышение достоверности (уменьшения погрешности) за счет включения в прямую цепь интегратора, линеаризующего выходную характеристику системы измерения, и эффективности измерения путем включения в цепь обратной связи частотной части измерения. Технический результат достигается с помощью способа пневматического частотного измерения ускорения движения тела, по которому ускорение инерционной массы преобразуют во входное давление, усиливают, при этом используют аналоговую отрицательную обратную связь по ускорению, сигнал которой суммируют с входным давлением, выходное давление преобразуют в частоту и подают на счетное устройство, отличающийся тем, что по обратной связи подают выходной частотный сигнал, который преобразуют в частоту импульсов постоянной длительности и постоянной амплитуды, преобразуют импульсный сигнал в аналоговой сигнал давления обратной связи для последующего суммирования и интегрируют сигнал в прямой цепи перед нелинейным элементом, выпрямляя выходную характеристику системы. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам, использующимся при навигации летательных аппаратов, при измерении ускорения.

Известен способ пневматического частотного преобразования ускорения движения тела в скорость и устройство для его осуществления, по которому ускорение инерционной массы преобразуют в давление и усиливают, при этом используют аналоговую отрицательную обратную связь по ускорению, которую суммируют с входным давлением, а выходное давление преобразуют в частоту и подают на счетное устройство (RU 2421734, C1, 20.06.2011). Указанный способ принят на прототип.

Недостатком известного способа является то, что по нему в исходной части цепи, измеряющей ускорение, обратная связь охватывает только сумматор и усилитель, что не позволяет держать под контролем и частотную часть цепи измерения, а также преобразование давления в частоту с помощью струйного генератора, который имеет нелинейную (квадратичную) зависимость, и система требует дальнейшей линеаризации.

Техническим результатом является повышение достоверности (уменьшения погрешности) за счет включения в прямую цепь интегратора, линеаризующего выходную характеристику системы измерения, и эффективности измерения путем включения в цепь обратной связи частотной части измерения.

Технический результат достигается с помощью способа пневматического частотного измерения ускорения движения тела, по которому ускорение инерционной массы преобразуют во входное давление, усиливают, при этом используют аналоговую отрицательную обратную связь по ускорению, сигнал которой суммируют с входным давлением, выходное давление преобразуют в частоту и подают на счетное устройство. По обратной связи подают выходной частотный сигнал, который преобразуют в частоту импульсов постоянной длительности и постоянной амплитуды, преобразуют импульсный сигнал в аналоговой сигнал давления обратной связи для последующего суммирования и интегрируют сигнал в прямой цепи перед нелинейным элементом, выпрямляя выходную характеристику системы.

На фиг. 1 представлена общая схема измерения ускорения. На фиг. 2 показана диаграмма обработки измерения.

На общей схеме измерения ускорения показано: 1 - преобразователь ускорения инерционной массы в пневматическое давление, подаваемое в систему измерения как входной сигнал; 2 - сумматор входного сигнала и сигнала отрицательной обратной связи; 3 - пневматический интегратор; 4 - преобразователь давления в частоту пневматических импульсов, например струйный генератор как нелинейное звено; 5 - выходное счетное устройство; 6 - пневматический преобразователь, формирующий импульсы постоянной длительности и постоянной амплитуды; 7 - линейный дроссель ЛД, 8 - пневмоемкость V; 9 - усилитель давления.

На фиг. 2 показана диаграмма последовательной работы замкнутой схемы измерения с участием интегрирующего звена в графическом варианте в четырех координатах для исследования влияния сигнала обратной связи при линеаризации нелинейного элемента. Диаграмма имеет четыре квадранта: квадрант сумматора, в котором расположена зависимость Ρ_Σ=Р_вх-Р_ос; квадрант интегратора с функцией ; квадрант нелинейного звена с функцией, в данном случае Ρ_вых=Р_и ^0,5; квадрант выходного сигнала Р_вых как функция входного сигнала Р_вх (g) в систему измерения.

Предложенный способ работает следующим образом (фиг. 1).

При возникновении ускорения g на выходе преобразователя 1 появляется соответствующее ему давление, которое поступает на плюсовой вход сумматора 2 системы. На минусовой вход сумматора поступает сигнал отрицательной обратной связи Р_ос с выхода системы. Из сумматора сигнал Ρ_Σ=Р_вх-Р_ос следует через интегратор 3 (выходное давление Р_и) и преобразователь 4 давления Р_и в частотный сигнал f на выходное счетное устройство 5 системы и одновременно на цепочку обратной связи, состоящей из элементов 6, 7, 8, 9. В цепочке обратной связи частотный сигнал f перерабатывается в аналоговое давление Р_ос с помощью перечисленных звеньев. В преобразователе 6 частотный сигнал преобразовывается в частотно-импульсный сигнал, импульсы которого имеют постоянную длительность и амплитуду. В пневмоемкости 8 величиной V и линейном дросселе ЛД вырабатывается аналоговая величина давления Р_а, которая после усилителя 9 в виде сигнала обратной связи Р_ос далее подается на отрицательный вход сумматора 2.

При этом на выходе интегратора 3 вырабатывается сигнал (в силу замкнутости системы), по форме адекватно отображающий характеристику нелинейного звена 4, который линеаризует общую характеристику системы.

На фиг. 2 представлена диаграмма, поясняющая работу системы с интегратором перед нелинейным звеном, на которой показано: кривая А - характеристика нелинейного звена системы, кривая Б - выходная характеристика интегратора, линия В - выходная характеристика системы, линейно-пропорциональная входному сигналу системы.

Наклонные линии И₁, И₂, И₃ … - это пути, по которым накапливается в интеграторе его выходной сигнал при различных уровнях сигнала на его входе, а пунктирная линия между точками с₁, с₂, с₃ … - это изменение выходного сигнала интегратора, имеющее нелинейный характер, адекватно отражающий функцию нелинейного звена.

В систему подается входной сигнал, например Ρ_вх1 (по оси Р_вх, фиг. 2), он попадает на плюсовой вход сумматора 2 по фиг. 1 и на ось нулей сумматора по фиг. 2, и в интеграторе 2 начнется накопление входного сигнала P_Σ по наклонной линии 1 и изменение величины выходного сигнала Р_вых1 системы, которое воздействует через нелинейный элемент 4 и по обратной связи (элементы 6, 7, 8) через усилитель 9 на отрицательный вход сумматора величиной «-Р_ос1». Это изменение сигналов (фиг. 2) продолжается до тех пор, пока через определенное время t₁ (ось t) на отрицательном входе сумматора сигнал - Р_ос1 не достигнет величины, равной Ρ_вх1 (на оси нулей сумматора). В результате их разность обратится в ноль (Р_вх1-Р_ос1=0) и интегратор прекратит накопление своего выходного сигнала по наклонной линии 1 в точке с₁. При этом фиксируется в точке с₁ выходной сигнал Р_и1 интегратора пропорционально времени интегрирования t₁.

Двойная линия, разделяющая квадранты интегратора и сумматора (фиг. 2), совмещает две оси (левая ось - ось времени, правая ось - ось значений выходных величин интегратора), поскольку значения выходных величин интегратора Р_и1, Р_и2, Р_и3 пропорциональны времени интегрирования t.

Для различных значений входного сигнала Ρ_рх1, Р_вх2, Р_вх3 … интегратор таким образом вырабатывает свои выходные сигналы Ρ_1и, Р_2и, Р_3и … (точки с₁, с₂, с₃ …), создавая свою выходную характеристику Б, соответствующую характеристике нелинейного звена А. Из нелинейного звена сигнал из точки е₁ поступает на выход системы, проецируясь на ось Ρ_вых (точка h₁) и на обратную связь, проецируясь далее через точки е₁ и с₁ к точке Р₁ (на ось нулей сумматора).

Таким образом, каждому значению входной величины Р_вх соответствует пропорциональное значение выходной величины Р_вых, в совокупности образующие линейную выходную характеристику системы (линия В).

В итоге, предложенный способ пневматического измерения ускорения движения тела обеспечивает более высокую достоверность и эффективность измерения, за счет включения в прямую цепь интегратора 3, линеаризующего выходную характеристику системы, и включения в цепь обратной связи частотной части измерения пневматическим преобразователем 6.

Способ пневматического частотного измерения ускорения движения тела, по которому ускорение инерционной массы преобразуют во входное давление, усиливают, при этом используют аналоговую отрицательную обратную связь по ускорению, сигнал которой суммируют с входным давлением, выходное давление преобразуют в частоту и подают на счетное устройство, отличающийся тем, что по обратной связи подают выходной частотный сигнал, который преобразуют в частоту импульсов постоянной длительности и постоянной амплитуды, преобразуют импульсный сигнал в аналоговой сигнал давления обратной связи для последующего суммирования и интегрируют сигнал в прямой цепи перед нелинейным элементом, выпрямляя выходную характеристику системы.

Изобретение относится к области спорта и может быть использовано при создании упругих подпятников, вкладываемых в спортивную обувь с целью получения дополнительной выталкивающей силы.

Сенсор на пространственной спирали // 2594071

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение, вибрации и прочее.

Акселерометр-тахогенератор // 2584576

Изобретение относится к электрическим микромашинам, а именно к датчикам угловых ускорений (акселерометрам), предназначенным для измерения угловых ускорений контролируемых валов в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Способ определения замедлений поступательно движущихся систем // 2581738

Предложенное изобретение относится к области испытания механических систем, которые оценивают по замедлению при выбеге вращающейся детали, и может быть использовано для определения отрицательных ускорений вращающихся частей или систем в целом.

Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоэлектронный акселерометр для его реализации // 2566655

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения кажущегося ускорения в системах ориентации и навигации подвижных объектов и путеизмерительных комплексах, а также сейсмических измерениях.

Линейный микроакселерометр с оптической системой // 2564810

Изобретение относится к области измерительной техники и касается линейного микроакселерометра с оптической системой. Микроакселерометр включает в себя корпус, две инерционные массы на упругих подвесах, два датчика положения, два компенсационных преобразователя.

Способ, использующий опознавание воздействия для системы управления парками транспортных средств // 2561482

Изобретение относится к способам опознавания воздействий на подъемно-транспортную машину. Осуществляя контроль эксплуатации транспортного средства, обнаруживают перегрузки при столкновении транспортного средства.

Акселерометр // 2559867

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров ускорения в виброметрии, сейсмологии и акустике. Акселерометр содержит предусилитель и концентрично расположенные, кольцевые инерционную массу, корпус и первый пьезочувствительный элемент с осевой поляризацией в виде пьезоэлектрических секторов, не соприкасающихся друг с другом, и электродов, контактирующих с боковыми поверхностями пьезоэлектрических секторов, при этом кольцевой корпус выполнен из электропроводного материала с возможностью контактирования с боковыми поверхностями кольцевых пьезоэлектрических секторов, причем электроды электрически соединены параллельно и подключены к предусилителю, при этом в него введены второй и третий предуселители, а также второй кольцевой пьезочувствительный элемент, установленный над первым кольцевым пьезочувствительным элементом и выполненный в виде двух пар радиально поляризованных секторов, снабженных электродами, контактирующими с боковыми поверхностями секторов, при этом оба сектора пары установлены центрально симметрично с противоположной поляризацией, соединены через электроды параллельно и подключены ко второму и третьему предусилителям.

Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах // 2556284

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения подвижных объектов. Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах содержит встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, при этом он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки.

Способ регулировки коэффициента преобразования пьезоэлектрического акселерометра // 2553422

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для обеспечения взаимозаменяемости пьезоэлектрических вибропреобразователей ускорения (вибродатчиков ускорения), входящих в состав акселерометров или измерительных систем, без дополнительной настройки электронных согласующих элементов акселерометра или измерительных систем.

Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью и виброустойчивый маятниковый акселерометр // 2615221

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в области приборов для измерения линейного ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что обеспечивают изменение значения коэффициента передачи регулятора в микроконтроллере от Крег до Kрегmax по закону, для чего на каждом шаге дискретизации выполняют измерение и сравнение в микроконтроллере напряжения U на входе АЦП усилителя с пороговым значением Uпор; при значениях напряжений, меньших либо равных Uпор, для организованного внутри микроконтроллера ШИМ-модулятора формируют в микроконтроллере цифровой входной сигнал для ШИМ-модулятора, для текущего значения напряжения U при значении коэффициента передачи регулятора Крег; обеспечивают формирование ШИМ-модулятором последовательности импульсов постоянной амплитуды и определенной длительности; определяют в микроконтроллере тот шаг дискретизации, на котором U больше Uпор, обеспечивают на последующих шагах дискретизации формирование увеличенного цифрового сигнала U*ув, для увеличенного коэффициента передачи, что обеспечивает увеличение длительности импульсов до определенной величины τув; обеспечивают соответствующее увеличение длительности открытого состояния, определяемого величиной τув, переключателя тока усилителя мощности, что обеспечивает поступление с выхода усилителя мощности в обмотку датчика момента акселерометра последовательности импульсов тока стабилизированной амплитуды и увеличенной длительности, определяют тот шаг дискретизации, на котором на входе АЦП напряжение U меньше либо равно Uпор, после чего обеспечивают возврат системы обратной связи к режиму работы со значением коэффициента передачи, равным Крег. Технический результат – обеспечение виброустойчивости маятниковых акселерометров с цифровой обратной связью при действии линейных ускорений и вибраций любого характера и любой амплитуды, величина которых не была прогнозирована на этапе проектирования прибора. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения // 2618481

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения заключается в поднятии штока, имеющего свободный или скользящий ход по отношению к трубке, внутри которой он движется, на высоту Н. При отпускании шток совершает свободное падение до удара об упругий массив с частотой отскока, определяемой формулой где w0 - угловая частота отскока штока (рад/с); g=9,8 м/с2; λ0 - рабочий ход упругого массива, мм, при ударе об него штока, падающего с высоты Н. Расчетная величина ускорения будет определяться формулой (2),где а0 - расчетное значение ускорения штока, падающего с высоты Н, при собственной частоте колебаний упругого массива w0=2πf0. Датчик, который закреплен на верхнем торце штока с помощью коаксиального кабеля, подключен к входу спектранализатора с установленным в нем полосовым фильтром с центральной частотой w0, к выходу которого подключен вольтметр; он вырабатывает сигнал напряжения u0, соответствующий расчетной величине ускорения а0 при равенстве параметров w0 и wn, по которым вычисляется коэффициент преобразования датчика. Заявляемый способ позволяет без применения вибростенда оперативно и достоверно определять качество покрытия упругого массива по коэффициенту преобразования датчика ускорения в требуемой полосе частот. 1 табл., 1 ил.

Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана и устройство для его осуществления // 2625092

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения коэффициента преобразования датчика ускорения в узкой полосе частот. Способ измерения коэффициента преобразования датчика ускорения с помощью тредбана заключается в том, что подсчитывается количество шагов N, сделанных одной ногой спортсмена на движущейся со скоростью ν (м/с) в противоположную сторону бега спортсмена дорожке тредбана, за отсчитанный секундомером отрезок времени t, чтобы удержаться на начальной точке отсчета, по замеренным параметрам которых рассчитывается частота передвижения ноги ω в единицу времени: гдеω - частота передвижения ног (рад/сек);N - количество шагов, сделанных ногой за отрезок времени t;t - время, затраченное спортсменом на прохождение N шагов, при этом перед включением движения дорожки на голеностоп одной из ног спортсмена устанавливается датчик ускорения, сигнал которого поступает на вход спектроанализатора с предварительно установленным в нем полосовым фильтром с центральной угловой частотой ω, к выходу которого подключен цифровой вольтметр, показание которого «u» будет соответствовать величине ускорения датчика на угловой частоте ω, рассчитанной по формуле: гдеν - скорость движения дорожки тредбана (м/сек);а - ускорение датчика на частоте ω (в ед. «g»),отношение которых дает значение коэффициента преобразования датчика на частоте ω: Технический результат – повышение точности измерения частоты колебания ускорения (в данном случае ног). 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа // 2626071

Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа относится к измерительной технике. Способ основан на использовании цифровой обратной связи, реализуемой микроконтроллером, в котором программным способом реализован ШИМ; ШИМ формирует последовательность рабочих импульсов, длительность которых равна τраб(n⋅T0), а таймер микроконтроллера формирует два равных по величине вспомогательных импульса длительностью τвсп и две равные по величине паузы длительностью τпауз. В способе задается правило выбора длительности интервала рабочего импульса τраб(n⋅T0), длительности вспомогательных импульсов и пауз на «n»-м такте дискретизации, а также правило взаимного размещения на каждом «n»-м такте дискретизации рабочего, вспомогательных импульсов и пауз. В начале каждого «nТ0»-го такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс тока; к этому вспомогательному импульсу тока присоединяют рабочий импульс; через определенный промежуток времени на интервале Т0 размещают второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса. Среднее значение тока Iср, поступающего в обмотку датчика момента, выражается через постоянную по величине амплитуду тока в импульсе Iа, длительность рабочего импульса τраб(nТ0) и период Т0 работы ШИМ, т.е. Iср=Iа⋅τраб(nТ0)/Т0. Произведение Iа⋅τраб(n⋅Т0) - это площадь идеального импульса прямоугольной формы, которая искажается переходными процессами на передних фронтах тока в обмотку датчика момента. Требуемая линейность преобразования может быть достигнута, если в течение периода ШИМ подавать два одинаковых вспомогательных импульса разной полярности, а к одному из них присоединять рабочий импульс длительности τраб(nT0), то переходные процессы не будут искажать площадь рабочего импульса Iа⋅τраб(nТ0), т.к. переходные процессы на передних фронтах импульсов взаимно компенсируются с определенной точностью, а величина среднего за период Т0 тока, поступающего в обмотку датчика момента, будет пропорциональна только длительности рабочего импульса, т.е. измеряемому линейному ускорению. Техническим результатом изобретения является обеспечение линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа. 1 табл., 6 ил.

Интегральный датчик ускорения // 2639610

Изобретение относится к области микросистемной техники, в частности к приборам для измерения величины линейного ускорения. Интегральный датчик ускорения содержит выполненные из полупроводникового материала за одно целое опорную рамку и закрепленную на одном из ее плеч с помощью упругих консольных элементов с тензорезистивными преобразователями деформации инерционную массу, при этом датчик дополнительно содержит пару упругих торсионных элементов, расположенных на противоположных плечах опорной рамки перпендикулярно упругим консольным элементам и соединенных с инерционной массой, при этом тензорезистивные преобразователи деформации выполнены на основе кремниевых нанонитей, оснащенных измерительными электродами. Технический результат – повышение чувствительности интегрального датчика ускорений при сохранении рабочего частотного диапазона. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Датчик с электростатическим маятниковым акселерометром и способ управления таким датчиком // 2647983

Группа изобретений относится к датчику с электростатическим маятниковым акселерометром и к способу управления таким датчиком. Акселерометрический датчик содержит по меньшей мере один электростатический маятниковый акселерометр, имеющий первый и второй неподвижные электроды, закрепленные на корпусе и соединенные со схемой возбуждения, и третий электрод, установленный на маятнике, соединенном с корпусом, с возможностью перемещения и связанный с детекторной схемой. Схема возбуждения имеет выход, соединенный с переключателем, связанным с первым и вторым электродами, при этом переключатель имеет первое положение соединения и второе положение соединения, чтобы селективно соединять со схемой возбуждения первый электрод и второй электрод, при этом схема возбуждения, переключатель и детекторная схема соединены со схемой управления, выполненной таким образом, чтобы первый и второй электроды возбуждались импульсами таким образом, чтобы удерживать маятник в заданном положении и определять ускорение, действующее на маятник. Технический результат – повышение точности определения ускорения. 2 н. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.