Устройство для измерения ускорений
DEVICE FOR MEASURING ACCELERATIONS

Устройство предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, навигации и управления движением подвижных объектов, а также в медицинской технике. Изобретение может использоваться в приборах компенсационного типа, предназначенных для измерения механических величин.
Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801 опубл. 1980 г. в БИ №23), 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 и дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости работы.
Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (Пат. РФ №2171995, опубл. 10.08.2001, БИ №22). содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, включенные в обратную связь, в которое введены последовательно соединенные по информационным входам к выходу усилителя первый эмиттерный повторитель, синхронный JK-триггер, два ждущих синхронных генератора, асинхронный RS-триггер, прецизионный релейный элемент, выход которого соединен с входом датчика момента, причем выход усилителя соединен со вторым входом синхронного JK-триггера через инвертор и второй эмиттерный повторитель. Второй вход датчика момента соединен с выходом прецизионного релейного элемента через сглаживающий фильтр. К второму выходу асинхронного RS-триггера последовательно подключены по информационным входам две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр первого двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, преобразователь цифровой информации в прямой код, второй реверсивный двоичный счетчик, выход которого соединен с первым входом третьего двоичного умножителя. Первый вход третьего двоичного умножителя соединен с выходами схемы совпадения через последовательно соединенные схемы «ИЛИ», суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель. Выход третьего двоичного умножителя соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор, соединенный с устройством распределения синхроимпульсов, выход которого соединен со вторыми входами двух ждущих синхронных генераторов, схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра первого реверсивного двоичного счетчика, второго реверсивного двоичного счетчика, первого и второго двоичного умножителя. В устройство введены генератор несущей частоты и последовательно подключенные к его выходу фазосдвигающая цепь, устройство сравнения (компаратор), формирователь длительности импульса, выход которого соединен с третьим входом синхронного JK-триггера. Выход генератора несущей частоты соединен со вторым входом датчика угла, выход которого соединен с входом усилителя через полосовой фильтр. Выход второго двоичного умножителя является выходом относительного цифрового кода устройства.
Недостатком устройства является низкая точность измерения и малая полоса пропускания. Малая полоса пропускания устройства, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру, определяют точность в установившемся режиме.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности работы устройства для измерения ускорений.
1
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, соединенный с полосовым фильтром, первый эмиттерный повторитель, соединенный с синхронным JK-триггером, генератор несущей частоты, соединенный с датчиком угла, последовательно соединенные по информационным входам с выхода генератора несущей частоты на вход синхронного JK-триггера, фазосдвигающая цепь, компаратор, формирователь длительности импульса несущей частоты, инвертор, соединенный с JK-триггером через второй эмиттерный повторитель, датчик момента, последовательно соединенные по информационным входам с выхода двух ждущих синхронных генераторов на вход второго реверсивного двоичного счетчика через асинхронный RS-триггер, две схемы совпадения, первый реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр реверсивного двоичного счетчика, преобразователь цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, причем дополнительные входы двух ждущих синхронных генераторов, двух схем совпадения, первого реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика, преобразователя цифровой информации в прямой код, первый двоичный умножитель, второй реверсивный двоичный счетчик соединены с кварцевым генератором через устройство распределения синхроимпульсов, выходы двух схем совпадения соединены с одним из входов второго реверсивного двоичного счетчика через схему сложения, суммирующий двоичный счетчик, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика, второй двоичный умножитель, третий двоичный умножитель, и выход второго реверсивного двоичного счетчика соединен с входом третьего двоичного умножителя введена аналоговая отрицательная обратная связь с выхода полосового фильтра на один из входов датчика моментов через дифференцирующее звено, другой вход датчика моментов соединен с выходом асинхронного RS-триггера через пороговый элемент с зоной неоднозначности, и выход порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с входом датчика моментов через сглаживающий фильтр третьего порядка, а также выход синхронного JK-триггера соединен с двумя ждущими синхронными генераторами через интегратор, кроме того, полосовой фильтр соединен с первым эмиттерным повторителем через интегрирующий усилитель с насыщением, в обратную цепь которого введен фильтр с передаточной функцией  (где s - оператор преобразования Лапласа, Т - постоянная времени фильтра) и выход второго реверсивного двоичного счетчика является дискретным выходом устройства для измерения ускорений.
Ведение аналоговых дополнительных отрицательных обратных связей, одна с выхода интегрирующего усилителя с насыщением через фильтр с передаточной функцией  на его вход, а другая, с выхода полосового фильтра, на один из входов датчика момента, через дифференцирующее звено с передаточной функцией , позволяет обеспечить устойчивость, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру и астатизм по отклонению. Кроме того, введение в дискретную отрицательную обратную связь порогового элемента с зоной неоднозначности, обеспечивает автоколебательный режим и измеренное ускорение пропорционально цифровому коду, который не зависит от динамических свойств устройства, что позволяет повысить точность работы устройства.
На фиг 1. изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема моделирования устройства для измерения ускорений; на фиг. 3 и фиг. 4 - результаты моделирования аналоговой и дискретной версии устройства для измерения ускорений.
Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с выходом генератора несущей частоты 3. Выходная обмотка датчика угла 2 соединена с входом полосового фильтра 4, выход которого соединен с входом интегрирующего усилителя с насыщением 5. В контур отрицательной обратной связи, реализованной с выхода интегрирующего усилителя с насыщением 5 на его вход, введен фильтр 6 с передаточной функцией . Выход полосового фильтра 4 соединен с входом дифференцирующего звена 7 с передаточной функцией . Выход интегрирующего усилителя с насыщением 5 соединен с входом первого эмиттерного повторителя 8 и с входом инвертора 9, причем выход последнего соединен с входом второго эмиттерного повторителя 10. Выход генератора несущей частоты 3 соединен также с входом фазосдвигающей цепи 11, выход которой соединен с входом компаратора 12. Выход компаратора 12 соединен с входом формирователя длительности импульсов несущей частоты 13. Первые и вторые входы синхронного JK-триггера 14 соединены соответственно с выходами первого и второго эмиттерных повторителей 8 и 10. Третий вход синхронного JK-триггера 14 соединен с выходом формирователя длительности импульсов несущей частоты 13. Выход синхронного JK-триггера 14 соединен с входом интегратора 15, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов 16 и 17. Другие входы ждущих синхронных генераторов 16 и 17 соединены с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 19. Выходы ждущих синхронных генераторов 16 и 17 соединены с входами асинхронного RS-триггера 20. Первый выход асинхронного RS-триггера 20 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 21, выход которого соединен с входом датчика момента 22, второй вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра третьего порядка 23, соединенного с выходом порогового элемента с зоной неоднозначности 21. Один из входов датчика момента 22 соединен с выходом дифференцирующего звена 7. Датчик момента 22 кинематически связан с чувствительным элементом 1. Второй выход асинхронного RS-триггера 20 соединен с первыми входами схем совпадения 24 и 25 (схемы «И»). Вторые входы схем совпадения 24 и 25 соединены с выходами устройства распределения синхроимпульсов 18. Выходы схем совпадения 24 и 25 соединены соответственно с первым и вторым входами первого реверсивного двоичного счетчика 26, третий вход первого реверсивного двоичного счетчика 26 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18. Выход первого реверсивного двоичного счетчика 26 соединен с входом итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27, выход которого соединен с преобразователем цифровой информации в прямой код 28, а его выход с первым входом первого двоичного умножителя 29. Второй вход первого двоичного умножителя 29 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18. Выход первого двоичного умножителя 29 соединен с входом второго реверсивного двоичного счетчика 30. Выходы схем совпадения 24 и 25, помимо соединения с соответствующими входами первого реверсивного двоичного счетчика 26, соединены с информационными входами схемы сложения 31 (схема «ИЛИ»). Выход схемы сложения 31 соединен с входом суммирующего двоичного счетчика 32, и выход суммирующего двоичного счетчика 32 соединен с входом итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 33. Выход итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 33 соединен с входом второго двоичного умножителя 34, выход которого соединен с входом третьего двоичного умножителя 35. Выход второго реверсивного двоичного счетчика 30 соединен со вторым входом третьего двоичного умножителя 35, и выход третьего двоичного умножителя 35 соединен со вторым входом второго реверсивного двоичного счетчика 30. Третий вход второго реверсивного двоичного счетчика 30 соединен с выходом устройства распределения синхроимпульсов 18. Третий выход второго реверсивного двоичного счетчика 30 является дискретным выходом устройства для измерения ускорений.
Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, приведены в книгах: Майоров С.А., Новиков Г.И. «Принцип организации цифровых машин», Л.: Машиностроение. 1974, 432 с., Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники», М.: Мир т. 1-3, 1993.
1
2
1
2
1
2
1
2
n
Работа устройства для измерения ускорений осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения, фиксирует датчик угла 2, обмотка возбуждения которого записывается от генератора несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика угла 2 имеет фазу 0° или 180° относительно несущей частоты. Полосовой фильтр 4 пропускает сигнал только несущей частоты с датчика угла 2 на интегрирующий усилитель с насыщением 5. Интегрирующий усилитель с насыщением 5 охвачен местной отрицательной обратной связью содержащей фильтр 6. На информационные JK входы синхронного JK-триггера 14 сигнал подается в противофазе. Для этого усиленный сигнал по напряжению с интегрирующего усилителя с насыщением 5, для одного из входов, инвертируется на инверторе 9. Первые и вторые эмиттерные повторители 8 и 10 обеспечивают согласование высокого выходного сопротивления интегрирующего усилителя с насыщением 5 и инвертора 9, с низкоомным входным сопротивлением информационных входов JK-триггера 14. В аналоговую отрицательную обратную связь введено дифференцирующее звено 7 с передаточной функцией  (где T, Т - постоянные времени фильтра, s - оператор преобразования Лапласа) с выхода полосового фильтра 4 на один из входов датчика момента 22. Применение интегрирующего усилителя с насыщением 5 и отрицательной обратной связи с фильтром 6 улучшает синхронизацию и стабилизацию параметров устройства для измерения ускорений. Для выделения фазы действующего ускорения, фазы сигналов с датчика угла 2 и генератора несущей частоты 3 сравниваются на синхронном JK-триггере 14, для работы которого необходимо подать на С-вход синхронного JK-триггера 14 импульс определенной длительности. Формирует этот импульс фазосдвигающая цепь 11, компаратор 12 и формирователь длительности импульсов несущей частоты 13. Фазосдвигающая цепь 11 обеспечивает сдвиг фазы гармонического сигнала несущей частоты на время задержки информационного сигнала при его прохождении через полосовой фильтр 4 и интегрирующий усилитель с насыщением 5. Компаратор 12 выдает прямоугольные импульсы при превышении гармоническим сигналом заданного уровня. Требуемая длительность вырабатывается формирователем длительности импульса несущей частоты 13. Если фаза отклонения чувствительного элемента 1 совпадает с фазой генератора несущей частоты 3, то в момент подачи импульса несущей частоты синхронный JK-триггер 14 переходит в устойчивое состояние «1», в противном случае - «0». Кварцевый генератор 19 вырабатывает прямоугольные, стабилизированные по частоте импульсы (f ≥ 1 МГц), обеспечивающие требуемый фронт нарастания и спада сигнала. Устройство распределения синхроимпульсов 18 вырабатывает синхронизированные по времени управляющие синхроимпульсы необходимые для работы всего устройства. Выход синхронного JK-триггера 14 соединен с входом интегратора 15, выходы которого соединены с входами ждущих синхронных генераторов 16 и 17. Ждущие синхронные генераторы 16 и 17, взводимые от синхронного JK-триггера 14, вырабатывают короткие (длительностью, определяемой частотой устройства распределения синхроимпульсов 18) импульсы, частота которых определяется частотой переключения синхронного JK-триггера 14. В зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 на асинхронный RS-триггер 20 подается импульс либо с ждущего синхронного генератора 16 либо 17, т.е. асинхронный RS-триггер 20 переключается с частотой синхронного JK-триггера 14. Входной сигнал с асинхронного RS-триггера 20 не может быть непосредственно подан на вход датчика момента 22 ввиду своей нестабильности по амплитуде. Для повышения стабильности импульс с асинхронного RS-триггера 20 подается на пороговый элемент с зоной неоднозначности 21, осуществляющий стабилизацию сигнала по уровню. Выходной сигнал с порогового элемента с зоной неоднозначности 21 подается на один из входов датчика момента 22, который возвращает чувствительный элемент 1 в исходное положение. В положительную обратную связь датчика момента 22 включен сглаживающий фильтр третьего порядка 23, выделяющий постоянную составляющую входного сигнала с порогового элемента с зоной неоднозначности 21. Один из входов датчика момента 22 соединен с выходом дифференцирующего звена 7, которое обеспечивает устойчивость. На первые входы схем совпадения 24 и 25 (схем «И») подаются сигналы со второго выхода асинхронного RS-триггера 20, на другие - импульсы счета с устройства распределения синхроимпульсов 18. В зависимости от состояния асинхронного RS-триггера 20 эти импульсы будут проходить либо на суммирующий (первый), либо на вычитающий (второй) вход первого реверсивного двоичного счетчика 26. По окончании периода колебания, информация из счетчика (равная разности числа «положительных» и «отрицательных» импульсов) по сигналу с устройства распределения синхроимпульсов 18 (импульс на С-вход регистра) переписывается в итоговый регистр реверсивного двоичного счетчика 27. Следующим синхроимпульсом, поступающим с устройства распределения синхроимпульсов 18 на вход сброса Ro, первый реверсивный двоичный счетчик 26 обнуляется. При этом, положительная информация представляется в прямом коде, а отрицательная - в дополнительном. На выходе итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27 имеется информация TB1, равная разности временных интервалов t и t. Информация с итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27 поступает на вход преобразователя цифровой информации в прямой код 28, а затем на первый вход первого двоичного умножителя 29, на выходе которого число синхроимпульсов с устройства распределения синхроимпульсов 18 будет пропорционально цифровому коду. Синхроимпульсы с первого двоичного умножителя 29 поступают на суммирующий вход второго реверсивного двоичного счетчика 30. Информация с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 30 является относительным цифровым кодом, равным У=(ТВ1/ТВ)⋅2 (где n - размерность счетчика, ТВ - суммарная длительность временного интервала t и t) и эта информация подается на второй вход третьего двоичного умножителя 35. Число импульсов с выхода третьего двоичного умножителя 35, пропорциональное цифровому коду, подается на вычитающий (второй) вход второго реверсивного счетчика 30. Для получения суммарного временного интервала ТВ=t+t с выходов схем совпадения 24 и 25 на вход третьего двоичного умножителя 35 последовательно введены схема сложения 31, суммирующий двоичный счетчик 32, итоговый регистр суммирующего двоичного счетчика 33 и второй двоичный умножитель 34. С выхода первого двоичного умножителя 29 получим информацию, пропорциональную , а с выхода второго двоичного умножителя 34 - . Относительный цифровой код У, с выхода второго реверсивного двоичного счетчика 30 равен
или
1
2
В предлагаемом устройстве для измерения ускорений за счет введения с выхода схем совпадения 24 и 25 на вход второго реверсивного двоичного умножителя 34 последовательно схемы сложения 31 (схемы «ИЛИ»), суммирующего двоичного счетчика 32, итогового регистра суммирующего двоичного счетчика 33 и второго двоичного умножителя 34, первого реверсивного двоичного счетчика 26, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика 27, преобразователя цифровой информации в прямой код 28, первого двоичного умножителя 29 и второго реверсивного двоичного счетчика 30 осуществляется преобразование временных интервалов t, t, t в относительный цифровой код, пропорциональный входному воздействию
1
2
В предлагаемом устройстве для измерения ускорений, работающего в автоколебательном режиме, параметры t, t, t переменны и зависят от входного ускорения. Измерение ускорений в относительном цифровом коде, за счет введения схемы сложения, суммирующего двоичного счетчика, итогового регистра суммирующего двоичного счетчика, двоичных умножителей, схем совпадения, реверсивных счетчиков, итогового регистра реверсивного двоичного счетчика, преобразователя кода позволяет повысить точность измерения, т.к. относительная величина не зависит от динамических свойств устройства.
Предлагаемое устройство для измерения ускорений было промоделировано в среде Matlab (Simulink) (фиг. 2) и полученные результаты представлены на фиг. 3 и фиг. 4. Из анализа полученных результатов следует, что аналоговая модель предлагаемого устройства устойчива, имеет астатизм, а дискретная модель совершает устойчивые автоколебания с отслеживанием фазы входного ускорения.
Введение в устройство для измерения ускорения интегрирующего усилителя с насыщением, охваченного отрицательной обратной связью содержащей фильтр с передаточной функцией , дифференцирующего звена с передаточной функцией , порогового элемента с зоной неоднозначности и интегратора позволяет создать устройство, работающее в режиме автоколебаний, параметры которых зависят только от входного воздействия.