Устройство для измерения ускорений
DEVICE FOR MEASURING ACCELERATIONS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах с дискретным выходом - системах стабилизации, навигации, наведения и в медицине.
7
Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801 МПК G01P 15/00, опубл. 25.06.1980), 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 устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации.
7
Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (патент на изобретение РФ №2190858, МПК G01P 15/13, опубл. 10.10.2002), содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные датчик угла, усилитель и датчик момента, цифровой канал, содержащий схему синхронизации, управляющий автомат и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр. Аналоговый канал содержит последовательно соединенные интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение-ток, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен с входом датчика момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатор. Вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации. Первые входы схемы совпадения, реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра соединены соответственно с третьим, вторым и первым выходами управляющего автомата, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации. Второй вход схемы синхронизации соединен со вторым выходом асинхронного D-триггера, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода.
Недостатком данного устройства для измерения ускорений является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегратора, связанная с конечностью времени заряда конденсатора. Эта погрешность приводит к аппретурной ошибке, соответственной подобной схеме выборки и обработки информации.
Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности работы устройства для измерения ускорений.
Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, соединенный с датчиком угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход соединен с усилителем, интегратор, обратную связь, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, один из входов которого соединен с выходом генератора тока, схему синхронизации, управляющий автомат и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, третьи входы схемы совпадения, реверсивного двоичного счетчика, итогового регистра соединены соответственно с третьим, вторым и первым выходами управляющего автомата, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации, а второй вход с первым выходом асинхронного D-триггера, при этом в него введены аналоговый и цифровой каналы, причем аналоговый канал реализован с выхода датчика угла на один из входов датчика момента, через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, пороговый элемент с зоной неоднозначности, интегратор, фильтр, триггер, в обратную связь которого включен фильтр третьего порядка, а цифровой канал реализован с выхода интегратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный двоичный счетчик и итоговый регистр, выход которого соединен с входом датчика момента через электронный ключ и выход итогового регистра является выходом цифрового кода.
Реализация аналогового и цифрового каналов увеличивает быстродействие и полосу пропускания устройства для измерения ускорений, обеспечивает режим устойчивых автоколебаний, что также позволяет расширить полосу пропускания и повышает точность измерения ускорений.
На чертеже изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений.
Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, соединенный с одним из входов датчика угла 2, другой вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с входом усилителя 4, выход которого соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 5. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 5 соединен с входом интегратора 6, выход которого соединен с входом фильтра 7. Выход фильтра 7 соединен с первым входом триггера 8. Выход триггера 8 через фильтр третьего порядка 9, соединен со вторым входом триггера 8. Выход триггера 8 соединен с первым входом датчика момента 10. Выход интегратора 6 соединен с первым входом первого дискретизатора 11. Выход первого дискретизатора 11, через сумматор 12, соединен с первым входом второго дискретизатора 13. Выход второго дискретизатора 13 соединен с первым входом компаратора 14, выход которого соединен с входом асинхронного D-триггера 15. Второй и третий выходы асинхронного D-триггера 15 соединены с первым и вторым входами схемы совпадения 16. Первый и второй выходы схемы совпадения 16 соединены соответственно с первым и вторым входами реверсивного двоичного счетчика 17. Первый и второй выходы реверсивного двоичного счетчика 17 соединены с первым и вторым входами итогового регистра 18. Вторые входы первого дискретизатора 11, сумматора 12, второго дискретизатора 13 и компаратора 14 соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации 19, вход которой соединен с выходом первого дискретизатора 11, пятый выход схемы синхронизации 19 соединен с первым входом управляющего автомата 20, второй вход управляющего автомата 20 соединен с первым выходом асинхронного D-триггера 15, третьи входы схемы совпадения 16, реверсивного двоичного счетчика 17 соединены соответственно с третьим и вторым выходами управляющего автомата 20, первый выход управляющего автомата 20 соединен с третьим входом итогового регистра 18, выход итогового регистра 18 соединен с входом электронного ключа 21, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 22. Выход электронного ключа 21 соединен со вторым входом датчика момента 10.
Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, описаны в книгах: Майоров С.А., Новиков Г.И., Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432 с., П. Хоровиц, У. Хилл, Искусство схемотехники. М.: Мир, т 1-3, 1999.
Устройство для измерения ускорений работает следующим образом.
При действии ускорения W/g происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с выходом генератора опорного напряжения 3. Сигнал с датчика угла 2, в виде напряжения, поступает на вход усилителя 4, а затем на вход порогового элемента с зоной неоднозначности 5. Сигнал с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 5, в виде уровня, поступает на вход интегратора 6 и, после интегрирования, на вход фильтра 7. С одним из входов датчика момента 10 соединен последовательно через триггер 8 выход фильтра 7. Фильтр третьего порядка 9 введен в обратную отрицательную связь триггера 8. Введение в устройство для измерения ускорений фильтра 7 и фильтра третьего порядка 9 позволяет исключить пульсацию сигнала, поступающего на один из входов датчика момента 10. Напряжение с выхода интегратора 6 поступает на первый вход первого дискретизатора 11, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 19. Первый дискретизатор 11 фиксирует величину аналогового сигнала с сумматора 12 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 11 фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 19. Напряжение с выхода первого дискретизатора 11 поступает на вход схемы синхронизации 19 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Сумматор 12, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 11, а на второй вход поступает параметрический сигнал треугольной формы со второго выхода схемы синхронизации 19, складывает данные сигналы, смещаемые в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 12 поступает на первый вход второго дискретизатора 13, на второй вход которого поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 19. Второй дискретизатор 13 запоминает информацию с выхода сумматора 12 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 13 поступает на первый вход компаратора 14, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 13, в аналоговой форме, с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 19. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 13 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 19, то на выходе компаратора 14 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 14 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 14, в виде уровня, поступает на вход асинхронного D-триггера 15, сигналы со второго и третьего выходов которого (прямой и инверсный) поступают на соответствующие входы схемы совпадения 16. Первый выход асинхронного D-триггера 15 соединен со вторым входом управляющего автомата 20, первый вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации 19. Сигнал с первого выхода асинхронного D-триггера 15 поступает на второй вход управляющего автомата 20 и используется для формирования сигналов записи информации в итоговый регистр 18 и установки реверсивного двоичного счетчика 17 в исходное состояние. В зависимости от уровня сигнала с асинхронного D-триггера 15 сигналы поступают либо на прямой, либо на инверсные входы схемы совпадения 16. На третий вход схемы совпадения 16 поступают импульсы счета с третьего выхода управляющего автомата 20. Выходные сигналы схемы совпадения 16 поступают соответственно на первый и второй входы реверсивного двоичного счетчика 17. В зависимости от уровня сигнала со схемы совпадения 16 сигнал поступает либо на первый суммирующий вход реверсивного двоичного счетчика 17, либо на вычитающий вход реверсивного двоичного счетчика 17. Сигнал в виде цифрового кода с выхода реверсивного двоичного счетчика 17 поступает на информационные входы итогового регистра 18, на третий вход которого поступает импульс записи информации с первого выхода управляющего автомата 20. По импульсу со второго выхода управляющего автомата 20 осуществляется установка реверсивного двоичного счетчика 17 в начальное состояние. Выход итогового регистра 18 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений. Сигнал с итогового регистра 18 поступает на один из входов электронного ключа 21. Другой вход электронного ключа 21 соединен с выходом генератора тока 22. Генератор тока 22 обеспечивает стабилизацию параметров электронного ключа 21. Сигнал с выхода электронного ключа 21, в виде уровня, поступает на второй вход датчика момента 10, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения W/g.
За счет введения в цифровой канал управляющего автомата увеличивается быстродействие устройства для измерения ускорений.
Увеличение быстродействия устройства связано с тем, что начальная установка реверсивного двоичного счетчика 17 не "0" а "+1", т.к. единичный импульс используется в качестве импульса записи, второй импульс используется для установки счетчика 17 в начальное состояние (импульс установки счетчика в начальное состояние "+1").
Автоколебания и их устойчивость в устройстве для измерения ускорений обеспечивает аналоговый канал, содержащий триггер и фильтр третьего порядка.
Увеличение быстродействия устройства для измерения ускорений приводит к расширению полосы пропускания и повышению точности.