АВТОГЕНЕРАТОР МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВИБРАЦИОННОГО ГИРОСКОПА И СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ АВТОГЕНЕРАТОРА
SELF-CONTAINED GENERATOR OF VIBRATION GYROSCOPE ELECTROMAGNETIC TRANSDUCER AND METHOD FOR BALANCING OF SELF-CONTAINED GENERATOR

Предлагаемые изобретения относятся к измерительной технике, в частности к генераторам электрических и механических колебаний в вибрационных гироскопах с магнитоэлектрическим преобразователем.
Требования к обеспечению стабильности и надежности работы различных преобразователей в условиях воздействия внешних факторов являются актуальными для всех типов преобразователей. В общей проблеме учета и устранения их влияния на функционирование преобразователей наибольшее распространение получили способы компенсации температурной погрешности, в частности, заключающиеся во введении в конструкцию датчика термозависимого элемента (например, терморезистора), с которого снимается информация о температуре, с последующей ее обработкой и корректировкой информационного сигнала (например, патент США №4724707, опубл. 1986 г.). Однако использование данного способа компенсации имеет ряд недостатков.
1. Вводится дополнительный канал измерения температуры.
2. Требуется математическая обработка сигнала с дополнительного канала и корректировка информационного сигнала с учетом дополнительного сигнала.
3. Не обеспечивается заданная точность измерения температуры для компенсации температурной погрешности.
Известен способ компенсации аддитивной температурной погрешности преобразователя с вибрирующим элементом, генератором синусоидальных колебаний, который предназначен для возбуждения колебаний вибрирующего элемента, и выходным сигналом по амплитуде, заключающийся во введении в конструкцию преобразователя термозависимого элемента, непосредственно в зоне установки вибрирующего элемента, с последующим учетом температурной зависимости датчика в выходном сигнале, в котором термозависимый элемент включают в обратную частотно-зависимую связь генератора синусоидальных колебаний, определяют функциональную связь изменения величины термозависимого элемента от температуры с изменением собственной частоты колебаний вибрирующего элемента и генератора синусоидальных колебаний, на основании которой выбирают знак температурного коэффициента изменения номинала термозависимого элемента при изменении температуры из условия обеспечения изменения в одном направлении частоты генератора синусоидальных колебаний и частоты собственных колебаний вибрирующего элемента, определяют номинал и температурный коэффициент изменения номинала термозависимого элемента с целью поддержания явления резонанса при изменении температуры (Патент РФ №2282162, опубл. 2006). В конструкцию преобразователя могут вводить два равных по номиналу и температурному коэффициенту изменения номинала термозависимых элемента, включенных в обратную частотно-зависимую связь генератора синусоидальных колебаний.
По существу, в этом техническом решении в частотно-зависимую обратную связь генератора синусоидальных колебаний вводится термочувствительный элемент, который изменяет частоту генератора таким образом, что при отсутствии измеряемого параметра (например, ускорения) вибрирующий элемент колеблется в резонансе при любом изменении температуры преобразователя, а выходной сигнал является зависимостью амплитуды колебаний от измеряемого параметра. Таким образом, частота генератора поддерживается постоянной и зависит только от температуры частотного преобразователя (вибрирующего элемента), а частота собственных колебаний вибрирующего элемента зависит от измеряемого параметра (например, ускорения) и его собственной температуры.
Величина изменения значения термочувствительного элемента от температуры функционально связана с величиной изменения частоты собственных колебаний вибрирующего элемента от температуры. Тогда при соответствующем подборе номинала и температурного коэффициента изменения номинала термозависимого элемента при изменении температуры и отсутствии измеряемого параметра частота генератора синусоидальных колебаний будет совпадать с частотой собственных колебаний вибрирующего элемента, обеспечивая колебания последнего в резонансе.
Термочувствительным элементом в генераторе синусоидальных колебаний, например в схеме с мостом Вина, может выступать как сопротивление, так и емкость. Но в случае изменения только одного сопротивления или одной емкости возможно искажение синусоидального сигнала, выдаваемого генератором синусоидальных колебаний, и появление высших гармоник, что может уменьшить точность компенсации. Таким образом, с целью уменьшения искажений синусоидального сигнала рекомендуется введение двух термочувствительных элементов. Кроме того, с целью уменьшения динамической температурной погрешности указанные термочувствительные элементы должны располагаться вблизи вибрирующего элемента. Указанные выше недостатки обуславливают сложность конструкции устройства и высокие требования к точности его изготовления, а также уменьшение надежности его функционирования, тем более в условиях воздействия нестационарных температурных режимов.
Использование генераторов автоколебаний в вибрационных гироскопических приборах предъявляет к их конструкции и характеристикам специфические требования, заключающиеся в совмещении обеспечения стабильности несущей частоты питания с одновременной способностью к быстрой адаптации устройства при его использовании в условиях широкого диапазона изменений внешних факторов и параметров объектов, на которых они установлены.
Известен автогенератор, содержащий механический резонатор с магнитоэлектрическим преобразователем, который включен в качестве одного плеча резистивного моста, линейный дифференциальный усилитель и усилитель-ограничитель. Сигнал с одной диагонали моста поступает на вход линейного усилителя, а с его выхода через усилитель-ограничитель - на другую диагональ моста. Механическим резонатором с магнитоэлектрическим преобразователем является струна, помещенная в магнитном поле постоянных магнитов [Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л., «Энергия», 1970, с.154]. В качестве механического резонатора может быть любая механическая колебательная система с закрепленной на подвижной массе катушкой, витки которой размещаются в поле постоянных магнитов. Для компенсации влияния окружающей температуры на параметры струны (механического резонатора) рядом с ней может быть установлен термодатчик.
Для возбуждения автоколебаний на частоте, практически совпадающей с собственной частотой механического резонатора, требуется соблюдение условий баланса амплитуд и фаз, т.е. усилители должны иметь определенный коэффициент усиления и правильную фазировку включения. Кроме этого для нормального функционирования автогенератора необходимо, чтобы резистивный мост был сбалансирован, т.е. должно выполняться известное соотношение для номиналов сопротивлений резисторов.
В этом автогенераторе реализован способ балансировки моста, заключающийся в том, что на одну диагональ моста вместо выходного сигнала усилителя подается от внешнего источника постоянное напряжение, изменяя величину сопротивления балансировочного резистора в одном из плеч моста, добиваются на выходе усилителя минимального выходного сигнала, при этом фиксируется величина сопротивления балансировочного резистора, затем отсоединяется источник постоянного напряжения и замыкается обратная связь автогенератора.
Указанный автогенератор и способ его балансировки наиболее близки к предлагаемому изобретению и поэтому приняты за прототип.
Помимо указанных ранее необходимо отметить дополнительно следующие недостатки прототипа:
1. При балансировке моста автогенератор не функционирует.
2. Балансировка моста с течением времени, в первую очередь из-за изменения окружающей температуры, а также других дестабилизирующих факторов, например, обуславливающих изменение характеристик вследствие старения, нарушается, что может привести к погрешностям работы автогенератора вплоть до пропадания автоколебаний, т.е уменьшению надежности. Для исключения этого явления температурный коэффициент сопротивления балансировочного резистора стараются подобрать близким температурному коэффициенту сопротивления катушки магнитоэлектрического преобразователя, что усложняет устройство. Однако это не всегда помогает при функционировании автогенератора в широком диапазоне окружающих температур.
Техническим результатом настоящих изобретений является повышение надежности и точности функционирования автогенератора при изменении окружающей температуры и других факторов внешнего воздействия в широком диапазоне, а также расширение функциональных возможностей, в том числе возможность измерения температуры катушки магнитоэлектрического преобразователя, т.е. использование ее в качестве термодатчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в автогенератор магнитоэлектрического преобразователя вибрационного гироскопа, содержащий мостовую схему с первым и вторым постоянными резисторами - в первом и втором ее плечах, катушкой магнитоэлектрического преобразователя в третьем плече, балансировочным резистором - в четвертом, линейный дифференциальный усилитель и усилитель-ограничитель, введены источник постоянного напряжения, суммирующий усилитель, цифровой потенциометр, фильтр низких частот, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, АЦП и процессор, выход усилителя-ограничителя через третий постоянный резистор соединен с тем из входов суммирующего усилителя, к которому через четвертый постоянный резистор подключен источник постоянного напряжения, другой вход суммирующего усилителя и диагональ моста своей точкой между третьим и четвертым плечами мостовой схемы сообщены с общей шиной, выход суммирующего усилителя соединен с диагональю моста между указанными первым и вторым плечами мостовой схемы, первый вход суммирующего усилителя связан с его выходом через пятый постоянный резистор, балансировочный резистор образован последовательно соединенными шестым и седьмым постоянными резисторами, параллельно одному из которых подключен двумя крайними концами цифровой потенциометр, средний конец которого соединен с одним входом линейного дифференциального усилителя, другой вход которого соединен с катушкой магнитоэлектрического преобразователя в точке моста между первым и третьим плечами мостовой схемы, а выход линейного дифференциального усилителя через фильтр низких частот, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор и АЦП связан с входом процессора, один из выходов которого связан с управляющим входом цифрового потенциометра, а второй - выполнен с клеммой для связи с индикатором значения фактора внешнего воздействия.
В способе балансировки автогенератора магнитоэлектрического преобразователя вибрационного гироскопа, включающем подачу постоянного напряжения в первую диагональ мостовой схемы автогенератора и регулировку сопротивления балансировочного резистора этой схемы с контролем выходного сигнала усилителя, подключенного к другой диагонали мостовой схемы автогенератора, указанный технический результат достигается тем, что в качестве балансировочного резистора используют регулируемый по напряжению потенциометр, постоянное напряжение подают в диагональ моста непрерывно в процессе работы автогенератора, с выхода усилителя автогенератора с помощью фильтра низких частот выделяют постоянную составляющую сигнала и подают в качестве сигнала управления на регулируемый по напряжению потенциометр, при этом коэффициент управления по напряжению устанавливают пропорциональным заданному фактору внешнего воздействия на катушку магнитоэлектрического преобразователя вибрационного гироскопа.
Кроме того, в каждый момент времени фиксируют значение сигнала управления по которому судят о величине внешнего воздействия.
Кроме того, в качестве заданного фактора внешнего воздействия выбирают температуру магнитоэлектрического преобразователя вибрационного гироскопа.
На чертеже показана схема автогенератора.
Автогенератор магнитоэлектрического преобразователя вибрационного гироскопа содержит мостовую схему с первым 1 и вторым 2 постоянными резисторами - в первом и втором ее плечах, катушкой 3 магнитоэлектрического преобразователя в третьем плече, балансировочным резистором 4 - в четвертом, линейный дифференциальный усилитель 5 и усилитель-ограничитель 6. В соответствии с изобретением в него введены источник постоянного напряжения 7, суммирующий усилитель 8, цифровой потенциометр 9, фильтр низких частот 10, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 11, АЦП 12 и процессор 13, выход усилителя-ограничителя через третий постоянный резистор 14 соединен с тем из входов суммирующего усилителя, к которому через четвертый постоянный резистор 15 подключен источник постоянного напряжения 7, другой вход суммирующего усилителя 8 и диагональ моста своей точкой между третьим и четвертым плечами мостовой схемы сообщены с общей шиной, выход суммирующего усилителя соединен с диагональю моста между указанными первым и вторым плечами мостовой схемы, первый вход суммирующего усилителя связан с его выходом через пятый постоянный резистор 16, балансировочный резистор 4 образован последовательно соединенными шестым 17 и седьмым 18 постоянными резисторами, параллельно одному из которых подключен двумя крайними концами цифровой потенциометр 9, средний конец которого соединен с одним входом линейного дифференциального усилителя 5, другой вход которого соединен с катушкой 3 магнитоэлектрического преобразователя в точке моста между первым и третьим плечами мостовой схемы, а выход линейного дифференциального усилителя 5 через фильтр низких частот 10, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 11 и АЦП 12 связан с входом процессора 13, один из выходов которого связан с управляющим входом цифрового потенциометра 9, а второй - выполнен с клеммой 19 для связи с индикатором значения фактора внешнего воздействия.
Автогенератор работает следующим образом.
K
Частотозадающим элементом автогенератора является механический резонатор, на инерционной массе которого жестко закреплена катушка. Катушка, витки которой размещаются в магнитном поле постоянных магнитов, представляет собой магнитоэлектрический преобразователь. Для возбуждения колебаний механического резонатора через катушку пропускается ток, что приводит к возникновению силы Лоренца, приложенной к резонатору. При колебаниях катушки вместе с резонатором в ней наводится эдс. Для одновременного возбуждения колебаний резонатора и съема информации о скорости этих колебаний катушка 3 магнитоэлектрического преобразователя с омическим сопротивлением R включается в резистивный мост. В мостовой схеме резистор 1 ограничивает предельный ток через катушку, балансировочный резистор образован из двух последовательно соединенных резисторов 17 и 18, к первому из которых параллельно подсоединен крайними концами А1 и В1 цифровой потенциометр 9, резистор 2 выбирается таким, чтобы при номинальных величинах сопротивлений остальных резисторов мост был сбалансирован по постоянному току.
Сигнал с диагонали моста (средний конец W1 цифрового потенциометра 9 и конец катушки, соединенный с резистором 1) поступает на вход линейного дифференциального усилителя 5 и далее через инвертирующий усилитель-ограничитель 6 и сумматор на операционном усилителе 8 на другую диагональ моста. При этом замыкается обратная связь автогенератора, и для сбалансированного моста при соблюдении условий баланса амплитуд и фаз в нем возникают автоколебания на собственной частоте механического резонатора. Условие баланса амплитуд обеспечивается выбором коэффициентов усиления усилителей. Баланс фаз - за счет схемы включения усилителей, приведенной на чертеже.
K
0
Автогенератор нормально функционирует при сбалансированной мостовой схеме. При изменении сопротивления катушки 3 магнитоэлектрического преобразователя R под воздействием дестабилизирующих факторов нарушается балансировка моста, что приводит к искажениям выходного сигнала автогенератора вплоть до прекращения функционирования. Для исключения этого явления ко второму входу суммирующего усилителя 8 (через резистор 15) подключен источник постоянного напряжения U (не показан). Сигнал с выхода линейного дифференциального усилителя 5 поступает через фильтр низких частот 10 и пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 11 на вход АЦП 12. После преобразования аналогового сигнала в цифровой код он поступает в процессор 13, который формирует код управления величиной сопротивления потенциометра 9. Аналоговые фильтр низких частот 10 и пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор 11 могут быть реализованы как цифровые программно внутри процессора 13.
0
K
Таким образом, при подаче постоянного напряжения U через сумматор на одну диагональ мостовой схемы при ее разбалансировке на другой диагонали и, соответственно, на выходе линейного дифференциального усилителя 5 возникает постоянная составляющая сигнала, пропорциональная величине разбалансировки моста. После выделения эта составляющая сигнала используется в качестве сигнала управления через процессор 13 сопротивлением цифрового потенциометра. При этом сопротивление потенциометра 9 изменяется таким образом, что постоянная составляющая сигнала на выходе линейного дифференциального усилителя 5 снижается до статической ошибки системы регулирования. Температурные коэффициенты сопротивлений резисторов 1, 2, 17, 18 и потенциометра 9 выбраны на два порядка меньше, чем температурный коэффициент сопротивления катушки 3 магнитоэлектрического преобразователя R. Тогда отклонение управляющего кода потенциометра 9 (и соответственно его сопротивления) от номинального будет пропорционально изменению температуры катушки магнитоэлектрического преобразователя. Предлагаемое техническое решение позволяет автоматически парировать относительное изменение сопротивления катушки магнитоэлектрического преобразователя при воздействии различных дестабилизирующих факторов, в первую очередь при изменении окружающей температуры в диапазоне
где R3 и R4 - величины омического сопротивления соответственно резисторов 17 и 18.
Предлагаемые автогенератор и способ балансировки мостовой схемы автогенератора в соответствии с настоящим изобретением позволяют повысить надежность и точность функционирования автогенератора при изменении окружающей температуры и других факторов внешнего воздействия в широком диапазоне, а также расширение функциональных возможностей, в том числе возможность измерения температуры катушки магнитоэлектрического преобразователя, т.е. использование ее в качестве термодатчика.