RU2163380C1 - Device measuring acceleration - Google Patents

Device measuring acceleration Download PDF

Info

Publication number
RU2163380C1
RU2163380C1 RU99127056A RU99127056A RU2163380C1 RU 2163380 C1 RU2163380 C1 RU 2163380C1 RU 99127056 A RU99127056 A RU 99127056A RU 99127056 A RU99127056 A RU 99127056A RU 2163380 C1 RU2163380 C1 RU 2163380C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
sampler
circuit
information
Prior art date
Application number
RU99127056A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.Н. Кутуров
В.В. Кулешов
Original Assignee
Тульский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Тульский государственный университет filed Critical Тульский государственный университет
Priority to RU99127056A priority Critical patent/RU2163380C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2163380C1 publication Critical patent/RU2163380C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: device measuring acceleration can be used in stabilization systems, in navigation and stabilization systems, in navigation and guidance systems in the capacity of sensitive element. It has analog and digital channels. Digital channel incorporates synchronization circuit and first digitizer, adder, second digitizer, comparator, asynchronous D flip-flop, coincidence circuit, reversible counter and cumulative register connected in series. Analog channel has integrator, stabilization filter and voltage-to-current converter placed in series. Availability of digitizers leads to information storage in process of conversion which excludes aperture error related to change of input information which in its turn increases measurement precision of taken values. Device includes storage circuit of digital information which decreases measurement error related to distortion of input information on frequencies of input signal close to time of information conversion. Averaging of input information takes place in process of its storage. EFFECT: increased measurement precision. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение предназначено для применения в качестве элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. The invention is intended for use as an element in stabilization, guidance and navigation systems. The invention may find application in measuring instruments for mechanical quantities of a compensation type.

Известно устройство для измерения ускорении, (патент РФ N 2098833, кл. 6 T 01 P 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 усилителей отрицательной обратной связью, осуществить компенсацию электрических помех. A device for measuring acceleration is known (RF patent N 2098833, class 6 T 01 P 15/13, publ. 10.12.97) containing a sensor element including two fixed electrodes and a movable plate, three amplifiers, two resistors, the output of the first amplifier is connected to the first resistor, and the input of the second amplifier is connected to the second resistor and is the output of the device. To increase the noise immunity under the influence of electrical noise, a reference voltage source, an electric signal generator, two transistor pairs, three resistors, two capacitors are introduced into it, which make it possible to compensate for electrical noise due to the coverage of amplifiers with negative feedback.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы. Кроме того, устройство содержит аналоговый канал обработки информации, что приводит к низкой точности измерения, так как не производится запоминание информации за время ее преобразования и ее осреднение в процессе накопления. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, since the choice of gain in hard negative feedback is limited by the condition of stability of the system. In addition, the device contains an analog channel for processing information, which leads to low measurement accuracy, since information is not stored during its conversion and its averaging during accumulation.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (авт.св. N 742801, опубл. в бюл. изобретений N 23, 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, дополнительный интегрирующий усилитель подключены к управляющему входу электронного ключа. The closest in technical solution is the device (ed. St. N 742801, published in the bulletin of inventions N 23, 1980) containing a sensor, an angle sensor, an integrated feedback amplifier, a torque sensor, an additional integrated amplifier, an electronic key, a threshold element, and the first output of the angle sensor is connected through an integrating feedback amplifier to the moment sensor, and the second output of the angle sensor through a threshold element, an additional integrating amplifier is connected to the control input of the electronic key .

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. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the accuracy of the integrating analog amplifiers and a threshold element. In addition, the accuracy of the measurement depends on the parameters of the electronic key circuit that selects the information. The main error of the device is related to the finiteness of the charge time of the capacitor of the integrating amplifier. This error leads to an aperture error characteristic of a similar sampling and information processing scheme.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения ускорения. The present invention solves the problem of increasing the accuracy of measuring acceleration.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла и усилитель, датчик момента, введен цифровой канал, содержащий схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный счетчик и итоговый регистр, а в аналоговый канал дополнительно введены последовательно соединенные интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение - ток, причем выход преобразователя напряжение - ток соединен со входом датчика момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, второй выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора, итогового регистра, реверсивного счетчика, схемы совпадения соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, второй выход асинхронного D-триггера соединен со вторым входом схемы синхронизации, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода. This is achieved by the fact that in the device for measuring acceleration containing an analog channel, including a series-connected sensor element, an angle sensor and an amplifier, a torque sensor, a digital channel is introduced containing a synchronization circuit and a first sampler, adder, second sampler connected in series with the information inputs, a comparator, an asynchronous D-flip-flop, a coincidence circuit, a reversible counter and a final register, and an integrator additionally introduced in series into the analog channel, a stabilizing filter and a voltage-current converter, and the voltage-current converter output connected to the input of the torque sensor, an amplifier output connected to an integrator input, the second output of which is an analog output connected to the first input of the first sampler, the second inputs of the first sampler, adder, second discretizer, comparator, final register, reverse counter, matching circuit are connected respectively to the first, second, third, fourth, fourth, fifth, sixth and seventh outputs of the sync circuit onization, the second output of the first sampler is connected to the first input of the synchronization circuit, the second output of the asynchronous D-trigger is connected to the second input of the synchronization circuit, and the output of the final register is the output of a digital code.

Введение в отрицательную обратную связь интегратора со стабилизирующим фильтром обеспечивает устойчивость устройства для измерения ускорений. Повышение точности осуществляется за счет астатизма первого порядка (интегратор в обратной цепи), а также за счет формирования в устройстве аналогового и цифрового выходов. Introduction to the negative feedback of the integrator with a stabilizing filter ensures the stability of the device for measuring accelerations. The accuracy is improved due to first-order astatism (an integrator in the reverse circuit), as well as due to the formation of analog and digital outputs in the device.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of a device; in FIG. 2 is a block diagram of a device.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с входом усилителя 3, выход которого соединен с входом интегратора 4, первый выход интегратора 4 соединен с входом стабилизирующего фильтра 5, выход которого связан с входом преобразователя напряжение - ток 6, а выход преобразователя напряжение - ток 6 соединен с входом датчика момента 7, второй выход интегратора 4 соединен с первым входом первого дискретизатора 8, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 9, выход сумматора 9 соединен с первым входом второго дискретизатора 10, выход второго дискретизатора 10 соединен с первым входом компаратора 11, выход компаратора 11 соединен с входом асинхронного D-триггера 12, второй и третий выходы D-триггера 12 соединены с первым и вторым входами схемы совпадения 13, первый и второй выходы схемы совпадения 13 соединены соответственно с первым и вторым входами реверсивного счетчика 14, выход реверсивного счетчика 14 является первым входом итогового регистра 15, второй вход которого соединен с пятым выходом схемы синхронизации 16, второй вход первого дискретизатора 8 соединен с первым выходом схемы синхронизации 16, второй выход первого дискретизатора 8 является первым входом схемы синхронизации 16, второй вход сумматора 9 соединен со вторым выходом схемы синхронизации 16, второй вход второго дискретизатора 10 соединен с третьим выходом схемы синхронизации 16, второй вход компаратора 11 соединен с четвертым выходом схемы синхронизации 16, первый выход асинхронного D-триггера 12 соединен со вторым входом схемы синхронизации 16, третий вход схемы совпадения 13 соединен с седьмым выходом схемы синхронизации 16, третий вход реверсивного счетчика 14 соединен с шестым выходом схемы синхронизации 16, второй вход итогового регистра 15 соединен с пятым выходом схемы синхронизации 16. The proposed device contains a sensing element 1, made in the form of a pendulum, an angle sensor 2, the output of the angle sensor 2 is connected to the input of the amplifier 3, the output of which is connected to the input of the integrator 4, the first output of the integrator 4 is connected to the input of the stabilizing filter 5, the output of which is connected to the input the voltage-current converter 6, and the voltage-current converter output 6 is connected to the input of the torque sensor 7, the second output of the integrator 4 is connected to the first input of the first sampler 8, the first output of which is connected to the first input of the sum ator 9, the output of adder 9 is connected to the first input of the second sampler 10, the output of the second sampler 10 is connected to the first input of the comparator 11, the output of the comparator 11 is connected to the input of the asynchronous D-trigger 12, the second and third outputs of the D-trigger 12 are connected to the first and second the inputs of the matching circuit 13, the first and second outputs of the matching circuit 13 are connected respectively to the first and second inputs of the reverse counter 14, the output of the reverse counter 14 is the first input of the final register 15, the second input of which is connected to the fifth output with synchronization circuits 16, the second input of the first sampler 8 is connected to the first output of the synchronization circuit 16, the second output of the first sampler 8 is the first input of the synchronization circuit 16, the second input of the adder 9 is connected to the second output of the synchronization circuit 16, the second input of the second sampler 10 is connected to the third output synchronization circuit 16, the second input of the comparator 11 is connected to the fourth output of the synchronization circuit 16, the first output of the asynchronous D-trigger 12 is connected to the second input of the synchronization circuit 16, the third input of the circuit matches Nia 13 is connected to the seventh output of the synchronization circuit 16, the third input of down counter 14 is connected to a sixth output of the synchronization circuit 16, the second input of the final register 15 is connected to a fifth output of the synchronization circuit 16.

Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорения, описаны в книге Майоров, С.А. Новиков Г.И Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974. 432 с. Схема синхронизации - 64 с., асинхронный D-триггер - 64-67 с., регистры - 113., сумматоры - 152 с., компараторы -151 с, функциональная схема дискретизатора описана в книге Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров М: Высшая школа, 1982, с. 18-29. Кроме того, блоки описаны в книге П. Хоровиц. У.Хилл: Искусство схемотехники, М: Мир., т. 1-3, 1993 г. The internal content of the blocks that implement the device for measuring acceleration are described in the book by Mayorov, S.A. Novikov G.I. Principles of organization of digital machines. L .: Engineering, 1974.432 s. The synchronization circuit is 64 s., The asynchronous D-trigger is 64-67 s., The registers are 113., the adders are 152 s., The comparators are 151 s. The functional circuit of the sampler is described in the book by V. G. Kartashev. Fundamentals of the theory of discrete signals and digital filters M: Higher school, 1982, p. 18-29. In addition, the blocks are described in the book of P. Horowitz. W. Hill: The Art of Circuit Engineering, M: Mir., Vols. 1-3, 1993

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. A device for measuring acceleration works as follows.

При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действуют инерционный момент, равный mlW (l, m - длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1 на угол α. Величина этого угла фиксируется датчиком угла 2, сигнал с которого в виде напряжения поступает на вход усилителя 3, а затем на вход интегратора 4. Сигнал с интегратора 4, в виде напряжения, поступает на вход стабилизирующего фильтра 5, используемый не только дли обеспечения устойчивости устройства для измерения ускорения (схемы реализации фильтра приведены в книге Г. Лэм Аналоговые и цифровые фильтры. Расчет и проектирование. М: Мир, 1982, с. 127-195), но и для расширения полосы пропускания. Under the action of the acceleration W on the sensing element 1, made in the form of a pendulum, the inertial moment equal to mlW acts (l, m is the length and mass of the pendulum). Under the influence of this moment, the sensing element 1 is deflected by an angle α. The value of this angle is fixed by the angle sensor 2, the signal from which is supplied in the form of voltage to the input of the amplifier 3, and then to the input of the integrator 4. The signal from the integrator 4, in the form of voltage, is fed to the input of the stabilizing filter 5, used not only to ensure the stability of the device for measuring acceleration (filter implementation schemes are given in the book by G. Lam. Analog and digital filters. Calculation and design. M: Mir, 1982, pp. 127-195), but also for expanding the bandwidth.

Сигнал с выхода стабилизирующего фильтра 5 поступает на вход преобразователя напряжение - ток 6, сигнал с выхода которого в виде тока поступает на вход датчика момента 7. Датчик момента 7 развивает момент, который компенсирует действие инерционного момента, вызванного действием ускорения. Чувствительный элемент 1 под действием момента, развиваемого датчиком момента 7, возвращается в исходное положение (сигнал на выходе датчика угла Uду2 = 0 Выходной сигнал с интегратора 4 служит оценкой величины действующего ускорения W в аналоговой форме Uинт=kW, где k - коэффициент пропорциональности. Сигнал с второго выхода интегратора 4 в виде напряжения поступает на первый вход первого дискретизатора 8, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 16. Первый дискретизатор 8 фиксирует величину аналогового сигнала с интегратора 4 на время преобразования.The signal from the output of the stabilizing filter 5 is fed to the input of the voltage-current 6 converter, the signal from the output of which is supplied to the input of the torque sensor 7 as a current sensor. The torque sensor 7 develops a torque that compensates for the inertial moment caused by the acceleration. The sensitive element 1 under the action of the moment developed by the moment sensor 7 returns to its original position (the signal at the output of the angle sensor U DN2 = 0 The output signal from the integrator 4 serves as an estimate of the value of the effective acceleration W in the analogous form U int = kW, where k is the proportionality coefficient The signal from the second output of the integrator 4 in the form of voltage is supplied to the first input of the first sampler 8, the second input of which receives a control signal in the form of pulses from the first output of the synchronization circuit 16. The first sampler 8 fix It takes the value of the analog signal from integrator 4 for the conversion time.

Напряжение на выходе первого дискретизатора 8 фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 16. Со второго выхода первого дискретизатора 8 сигнал поступает на первый вход схемы синхронизации 16 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Сумматор 9, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 8, а на второй вход сумматора 9 поступает с второго выхода схемы синхронизации 16 параметрический треугольный сигнал Uτ, складывает сигнал с выходов схемы первого дискретизатора 8 и треугольной пилы, смещаемой в зависимости от знака, вверх или вниз. Сигнал с первого выхода сумматора 9 поступает на первый вход второго дискретизатора 10, на второй вход которого поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 16. Второй дискретизатор 10 запоминает информацию с выхода сумматора 9 на время преобразования. Сигнал с первого выхода второго дискретизатора 10 поступает на первый вход компаратора 11. В компараторе 11 происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 10 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 16.The voltage at the output of the first sampler 8 is fixed with the arrival of each pulse from the synchronization circuit 16. From the second output of the first sampler 8, the signal is fed to the first input of the synchronization circuit 16 and is used to form the sign of the incoming information, which biases the parametric compensation signal in the positive or negative region. The adder 9, the first input of which receives a signal in the form of a step voltage from the first output of the first sampler 8, and the second input of the adder 9 receives from the second output of the synchronization circuit 16 a parametric triangular signal U τ , adds the signal from the outputs of the circuit of the first sampler 8 and a triangular saw , shifted depending on the sign, up or down. The signal from the first output of the adder 9 is fed to the first input of the second sampler 10, the second input of which receives a control signal from the third output of the synchronization circuit 16. The second sampler 10 stores information from the output of the adder 9 for the duration of the conversion. The signal from the first output of the second sampler 10 is fed to the first input of the comparator 11. In the comparator 11, the signal from the output of the second sampler 10 is compared in analog form with a triangular signal extracted from a square-wave signal with a stable frequency and amplitude from the fourth output of synchronization circuit 16.

Если сигнал с первого выхода второго дискретизатора 10 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 16, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 11 - низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 11 в виде уровня поступает на вход асинхронного D-триггера 12, сигналы со второго и третьего выхода которого (прямой и инверсный) поступают на первый и второй входы схемы совпадения 13. Первый выход асинхронного триггера 12 поступает на второй (прямой) вход схемы синхронизации 16, которая используется для формирования управляющих сигналов записи информации в итоговый регистр 15 и установки реверсивного счетчика 14 в исходное состояние, если число переходов выхода D-триггера 12 с низкого уровня на высокий равно заданному количеству. В зависимости от уровня сигнала с асинхронного D-триггера 12, сигналы поступают либо на прямой, либо на инверсные входы схемы совпадения. На третий вход схемы совпадения 13 поступают импульсы счета с седьмого выхода схемы синхронизации 16. Выходные сигналы схемы совпадения 13 поступают соответственно на первый и второй входы реверсивного счетчика 14. В зависимости от уровня сигнала со схемы совпадения 13 сигнал поступает либо на первый суммирующий вход реверсивного счетчика 14, либо на вычитающий со второго выхода схемы совпадения 13. Сигнал в виде цифрового кода с выхода реверсивного счетчика 14 поступает на информационные входы итогового регистра 15, на второй вход которого поступает импульс записи информации с пятого выхода схемы синхронизации 16. По импульсу с шестого выхода схемы синхронизации 16 осуществляется установка счетчика 14 в начальное состояние. Выход итогового регистра 15 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений. If the signal from the first output of the second sampler 10 is greater than the triangular voltage from the output of the synchronization circuit 16, then the output of the comparator 11 will have a high logic level, if less, then the output of the comparator 11 will have a low logic level. The signal from the output of the comparator 11 in the form of a level is fed to the input of the asynchronous D-trigger 12, the signals from the second and third outputs of which (direct and inverse) are supplied to the first and second inputs of the matching circuit 13. The first output of the asynchronous trigger 12 is sent to the second (direct) the input of the synchronization circuit 16, which is used to generate control signals for recording information in the final register 15 and set the reverse counter 14 to its initial state if the number of transitions of the output of the D-flip-flop 12 from low to high is equal to the specified quantity. Depending on the signal level from the asynchronous D-flip-flop 12, the signals are supplied either directly or to the inverse inputs of the matching circuit. The third input of the matching circuit 13 receives the count pulses from the seventh output of the synchronization circuit 16. The output signals of the matching circuit 13 are received respectively at the first and second inputs of the reversing counter 14. Depending on the signal level, the matching circuit 13 receives a signal either at the first summing input of the reversing counter 14, or subtracting from the second output of the matching circuit 13. The signal in the form of a digital code from the output of the reverse counter 14 is fed to the information inputs of the final register 15, the second input of which is the pulse of recording information from the fifth output of the synchronization circuit 16. drops. The pulse from the sixth output of the synchronization circuit 16 sets the counter 14 to its initial state. The output of the final register 15 is the output of the digital code of the device for measuring accelerations.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить с помощью передаточных функций по структурной схеме, изображенной на фиг. 2. В структурной схеме использованы следующие обозначения:
T1, T2 - постоянные времени чувствительного элемента;
Kα - коэффициент передачи датчика угла;
К3 - коэффициент передачи усилителя;
Т3 - постоянная времени усилителя;
Тс - постоянная времени сглаживающего фильтра;
Ти, Т'г, Тф - постоянные времени интегратора (Т'г = Тг);
Кос - коэффициент передачи обратной связи;
p=d/dt - символ преобразования Лапласа,
τ, tд, ft - длительность импульса, время дискретизации, тактовая частота;
N, NS - цифровой код, накопленный цифровой код;
Uα, Uу, Uс, U, Uд - напряжения с выхода датчика угла, усилителя, сглаживающего фильтра, интегратора, дискредизатора; (Uд = tдK, где K=0,1,2...);
ωср - частота среза аналоговой части предлагаемого устройства;
δ - относительная ошибка;
n - разрядность однократного преобразователя (разность счетчика);
KS - число суммирований;
А - амплитуда пилы;
INT(Uд, tд KS ft/A) - целая часть от произведения напряжения дискретизации за время дискретизации на число суммирования и тактовую частоту, деленное на амплитуду пилы;
B1 = Σ kg- i=0 1ΔUcsignUд - величина параметрического сканирования;
Δ Uс=А/(2nKS)
Ci=Uд+B1
τ = Citд/A - преобразование сигнала в длительность;
NS = Σ ks i= 0N - накопление целого цифрового кода;
N=INT( τ tT)
На вход устройства поступает относительное ускорение W/g (g - ускорение силы тяжести). Величина этого ускорения действует на чувствительный элемент, динамика работы которого определяется двумя постоянными времени T1 и T2. Отклонение чувствительного элемента фиксируется датчиком угла с коэффициентом передачи Kα (чувствительный элемент имеет ограничение по углу отклонения ± 1/30 рад). Выходной сигнал Uα с датчика угла поступает на вход полосового усилителя Uу, который усиливает сигнал на несущей частоте и передаточная функция которого имеет вид:
Kуp/(Tуp2 +2ζуTуp+1),
где Kу - коэффициент усиления, Tу, ζу - постоянная времени усилителя, относительный коэффициент демпфирования.
The technical efficiency of the proposed device can be estimated using the transfer functions according to the structural diagram depicted in FIG. 2. The following notation is used in the structural diagram:
T 1 , T 2 - time constants of the sensing element;
K α is the transmission coefficient of the angle sensor;
K 3 - gain of the amplifier;
T 3 - time constant of the amplifier;
T with - time constant of the smoothing filter;
T and , T ' g , T f - time constants of the integrator (T' g = T g );
To OS - feedback transfer coefficient;
p = d / dt - symbol of the Laplace transform,
τ, t d , f t - pulse duration, sampling time, clock frequency;
N, NS - digital code, accumulated digital code;
U α , U у , U с , U, U д - voltage from the output of the angle sensor, amplifier, smoothing filter, integrator, discreditor; (U d = t d K, where K = 0,1,2 ...);
ω cf - cutoff frequency of the analog part of the proposed device;
δ is the relative error;
n is the bit capacity of a single converter (counter difference);
KS is the number of summations;
A is the amplitude of the saw;
INT (U d , t d KS f t / A) is the integer part of the product of the sampling voltage during the sampling time by the summing number and the clock frequency divided by the amplitude of the saw;
B 1 = Σ kg- i = 0 1 ΔU c signU d - the value of the parametric scan;
Δ U s = A / (2 n KS)
C i = U d + B 1
τ = C i t d / A - signal to duration conversion;
NS = Σ ks i = 0 N - accumulation of the whole digital code;
N = INT (τ t T )
The relative acceleration W / g (g is the acceleration of gravity) is input to the device. The magnitude of this acceleration acts on the sensitive element, the dynamics of which is determined by two time constants T 1 and T 2 . The deviation of the sensor is detected by an angle sensor with a transmission coefficient K α (the sensor has a limit on the deviation angle of ± 1/30 rad). The output signal U α from the angle sensor is fed to the input of a strip amplifier U у , which amplifies the signal at the carrier frequency and whose transfer function has the form:
K at p / (T at p 2 + 2ζ at T at p + 1),
where K y is the gain, T y , ζ y is the time constant of the amplifier, the relative damping coefficient.

Если усилитель усиливает сигнал Uу по огибающей, то передаточная функция усилителя запишется как
K3/(Т3p+1),
где Kэ = Kу/2ζу, Tз = Tуу.
Полосовой усилитель имеет ограничения по выходному сигналу (± 10 B). После преобразования несущей частоты в сигнал по огибающей имеет место значительный уровень помех; для выделения постоянной составляющей помехи используют два сглаживающих фильтра с постоянной времени Tс. Сигнал Uс с фильтра поступает на вход интегратора, причем параметры интегратора связаны передаточной функцией как
(T'rp+1)(Tфp+1)/Tиp,
где - Ти > T'г; Tи > Tф.
If the amplifier amplifies the signal U y along the envelope, then the transfer function of the amplifier is written as
K 3 / (T 3 p + 1),
where K e = K y / 2ζ y , T s = T y / ζ y .
The strip amplifier has output limits (± 10 V). After converting the carrier frequency into an envelope signal, a significant level of interference occurs; To isolate the constant component of the interference, two smoothing filters with a time constant T s are used . The signal U s from the filter is fed to the input of the integrator, and the parameters of the integrator are connected by the transfer function as
(T ' r p + 1) (T f p + 1) / T and p,
where - T and > T 'r; T and > T f .

Параметры интегратора выбраны таким образом, чтобы обеспечить равенство Т2=T'2.The integrator parameters are selected in such a way as to ensure the equality of T 2 = T ' 2 .

Постоянная времени Тф обеспечивает необходимые запасы устойчивости аналогового канала устройства для измерения ускорений. Сигнал с выхода интегратора U через коэффициент обратной связи поступает в цепь компенсирующей обратной связи.The time constant T f provides the necessary stability margins of the analog channel of the device for measuring accelerations. The signal from the output of the integrator U through the feedback coefficient enters the compensating feedback circuit.

В фиксированные моменты времени сигнал с выхода интегратора запоминается в дискретизаторе на время преобразования (Uд).At fixed times, the signal from the output of the integrator is stored in the sampler for the conversion time (U d ).

Дискретизированный сигнал Uд складывается с сигналом со схемы синхронизации, преобразуется в длительность τ и с помощью счета временного интервала преобразуется в цифровой код N, а затем на выходе, путем накопления - в цифровой код NS.The sampled signal U d is added to the signal from the synchronization circuit, converted to a duration τ and, using the time interval count, converted to a digital code N, and then output, by accumulation, to a digital code NS.

Для оценки точности работы предлагаемого устройства предположим, что на вход устройства поступает относительное ускорение, изменяющееся по синусоидальному закону, и устройство работает в установившемся режиме. Пусть также Tз ≪ 1/ωср и Tс ≪ 1/ωср. С учетом принятых ограничений структурная схема (фиг. 2) преобразуется к виду:

Figure 00000002

В структурной схеме использованы следующие обозначения:
T2оТи/KоКос, 2 ζ T=Ти/KоKос,
T0 = T1/(1+KαKзKосTф/Tи),
K0 = KαKз/(1+KαKзKосTф/Tи).
Амплитуда частотной характеристики A(ω) аналоговой части определяется как:
Figure 00000003

Если выбрать параметры устройства так, чтобы выполнялось условие 2T2ω2 = 4ζ2T2ω2, то получим:
Figure 00000004

Потребуем, чтобы A(ω) аналоговой части устройства не отличалась от требуемой на величину относительной ошибки δ, которая определяется зависимостью:
δ =1/(2n-1)KS
С учетом значения относительной ошибки параметры эквивалентной структурной схемы определятся, как:
Figure 00000005

При параметрах n=12; KS=27-1 получим
δ = 1.92·10-6
T ω = 4.428·10-2
На частоте полезного сигнала ω = 5c-1 постоянная времени аналоговой части Т=8.856·10-3с.To assess the accuracy of the proposed device, suppose that the input of the device receives relative acceleration, which varies according to a sinusoidal law, and the device operates in a steady state. Let also T s ≪ 1 / ω sr and T s ≪ 1 / ω sr . Given the accepted limitations, the structural diagram (Fig. 2) is converted to:
Figure 00000002

The following notation is used in the structural diagram:
T 2 = T about T and / K about K OS , 2 ζ T = T and / K about K OS ,
T 0 = T 1 / (1 + K α K s K os T f / T u ),
K 0 = K α K s / (1 + K α K s K os T f / T u ).
The amplitude of the frequency response A (ω) of the analog part is defined as:
Figure 00000003

If we select the device parameters so that the condition 2T 2 ω 2 = 4ζ 2 T 2 ω 2 is satisfied, then we obtain:
Figure 00000004

We require that A (ω) of the analog part of the device does not differ from the required relative error δ, which is determined by the dependence:
δ = 1 / (2 n -1) KS
Given the value of the relative error, the parameters of the equivalent structural scheme are determined as:
Figure 00000005

With parameters n = 12; KS = 2 7 -1 we get
δ = 1.92 · 10 -6
T ω = 4.428 · 10 -2
At the frequency of the useful signal ω = 5c -1 the time constant of the analog part T = 8.856 · 10 -3 s.

Оценим относительную ошибку аналогового (δа), цифрового каналов (δц), суммарную относительную ошибку (δΣ) предлагаемого устройства
Величины ошибок рассчитываются при следующих отношениях.
We estimate the relative error of the analog (δа), digital channels (δц), the total relative error (δ Σ ) of the proposed device
Error values are calculated in the following respects.

Примем значения
αmax = Wmax/g = 0,1 - максимально возможный угол отклонения чувствительного элемента;
α = 0,09sinwt - закон изменения текущего угла отклонения чувствительного элемента;
Kос = 0,01; Uд = 0,09Aωsinωt/Kос;

Figure 00000006

A=10
Относительная ошибка δа устройства для измерения ускорений равна
δa = (α-UдKос)/0,1,
Относительная ошибка цифрового канала устройства δц может быть определена, как
δц= U/A=NS/(212-1)KS
Суммарная относительная ошибка цифрового канала устройства δц может быть оценена, как:
Figure 00000007

Результаты расчета ошибок устройства сведены в таблицу. Из таблицы следует, что δa и δц не принимают расчетного значения относительной ошибки
δ =1.92·10-6
Суммарная ошибка δΣ превышает расчетное и поэтому параметры устройства Тω следует выбирать меньше в 1.11 раза.Take the values
α max = W max / g = 0,1 - the maximum possible angle of deviation of the sensing element;
α = 0,09sinwt - the law of change of the current angle of deviation of the sensing element;
K OS = 0.01; U d = 0.09Aωsinωt / K wasps ;
Figure 00000006

A = 10
The relative error δa of the accelerometer is
δa = (α-U d K OS ) / 0.1,
The relative error of the digital channel of the device δ c can be determined as
δ c = U / A = NS / (2 12 -1) KS
The total relative error of the digital channel of the device δ c can be estimated as:
Figure 00000007

The results of calculating device errors are summarized in a table. From the table it follows that δa and δc do not accept the calculated value of the relative error
δ = 1.92 · 10 -6
The total error δ Σ exceeds the calculated one and, therefore, the device parameters Tω should be chosen 1.11 times less.

При тактовой частоте fт= 10·106 Гц время дискретизации сигнала будет равно
tд=KS(2n-1)/tT=(27-1)(212-1)/ 10·106=5.2·10-2с
При этом период синусоиды (входная информация) α = 0,09sinωt опрашивается при значении ω = 5 с-1.
Nопроса = (2π/ω)(1/tд) = 24 раза.
(6 значений опроса 1/4 синусоиды приведены в таблице). Время преобразования вторым дискретизатором цифрового канала предлагаемого устройства составило
tдв=tд/KS=5.2·10-2/127=4.094488188·10-4с
и будет в 127 раз меньше времени первой дискретизации.
When the clock frequency f t = 10 · 10 6 Hz, the sampling time of the signal will be equal
t d = KS (2 n -1) / t T = (2 7 -1) (2 12 -1) / 10 · 10 6 = 5.2 · 10 -2 s
In this case, the period of the sinusoid (input information) α = 0.09 sinot is interrogated at a value of ω = 5 s -1 .
N polling = (2π / ω) (1 / t d ) = 24 times.
(6 polling values of 1/4 sine wave are given in the table). The conversion time by the second digitizer of the digital channel of the proposed device was
t dw = t d /KS=5.2·10 -2 /127=4.094488188·10 -4 s
and will be 127 times less than the time of the first sampling.

Предлагаемое устройство для измерения ускорения с 12-ти разрядным преобразованием по точности будет эквивалентно устройству для измерения ускорений с 19-ти разрядным преобразователем. The proposed device for measuring acceleration with a 12-bit conversion in accuracy will be equivalent to a device for measuring acceleration with a 19-bit converter.

Таким образом, введение в устройство цифрового канала, содержащего первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, синхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный счетчик, итоговый регистр, схему синхронизации, а также введение аналогового канала, содержащего интегратор, стабилизирующий фильтр, позволило повысить точность измерения за счет сканирования аналогового сигнала в цифровой код. Thus, the introduction of a digital channel into the device containing the first sampler, adder, second sampler, comparator, synchronous D-flip-flop, coincidence circuit, reverse counter, final register, synchronization circuit, as well as the introduction of the analog channel containing the integrator, stabilizing filter, allowed improve measurement accuracy by scanning an analog signal into a digital code.

Наличие дискретизаторов приводит к запоминанию информации на время преобразования, что исключает апертурную ошибку, связанную с изменением входной информации, что в свою очередь увеличивает точность измеряемой величины (ускорения). Устройство содержит накопитель цифровой информации, что уменьшает ошибку измерения, связанную с искажением входной информации на частоте входного сигнала, близкой к времени преобразования информации. В предлагаемом устройстве происходит усреднение входной информации в процессе ее накопления, что также повышает точность. The presence of discretizers leads to the storage of information for the conversion time, which eliminates the aperture error associated with a change in the input information, which in turn increases the accuracy of the measured quantity (acceleration). The device contains a digital information storage device, which reduces the measurement error associated with distortion of the input information at the input signal frequency close to the information conversion time. In the proposed device, the averaging of input information occurs during its accumulation, which also increases accuracy.

Claims (1)

Устройство для измерения ускорений, содержащее аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла и усилитель, датчик момента, отличающийся тем, что в него введен цифровой канал, содержащий схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, асинхронный D-триггер, схему совпадения, реверсивный счетчик и итоговый регистр, а в аналоговый канал дополнительно введены последовательно соединенные интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение-ток, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен со входом датчика момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, второй выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора, компаратора, итогового регистра, реверсивного счетчика, схемы совпадения соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым и седьмым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с первым входом схемы синхронизации, второй выход асинхронного D-триггера соединен со вторым входом схемы синхронизации, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода. A device for measuring accelerations, comprising an analog channel, including a sensing element connected in series, an angle sensor and an amplifier, a torque sensor, characterized in that a digital channel is introduced into it, containing a synchronization circuit and a first sampler, adder, second sampler connected in series through the information inputs, a comparator, an asynchronous D-flip-flop, a matching circuit, a reverse counter and a final register, and an integrator is additionally introduced into the analog channel in series with a tabulating filter and a voltage-current converter, wherein the voltage-current converter output is connected to the input of the torque sensor, the amplifier output is connected to the integrator input, the second output of which, which is an analog output, is connected to the first input of the first sampler, the second inputs of the first sampler, adder, second discretizer, comparator, final register, reverse counter, matching circuit are connected respectively to the first, second, third, fourth, fourth, fifth, sixth and seventh outputs of the sync circuit onization, the second output of the first sampler is connected to the first input of the synchronization circuit, the second output of the asynchronous D-trigger is connected to the second input of the synchronization circuit, and the output of the final register is the output of a digital code.
RU99127056A 1999-12-27 1999-12-27 Device measuring acceleration RU2163380C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99127056A RU2163380C1 (en) 1999-12-27 1999-12-27 Device measuring acceleration

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99127056A RU2163380C1 (en) 1999-12-27 1999-12-27 Device measuring acceleration

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2163380C1 true RU2163380C1 (en) 2001-02-20

Family

ID=20228490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99127056A RU2163380C1 (en) 1999-12-27 1999-12-27 Device measuring acceleration

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2163380C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4642555A (en) Differential capacitance detector
RU2449293C1 (en) Compensation accelerometer
RU2363957C1 (en) Compensation accelerometer
RU2397498C1 (en) Compensation accelerometre
EP0322802B1 (en) Watthour meter or wattmeter comprising hall sensors
US4085375A (en) Combined angular displacement measuring system and multiplier
US4949364A (en) Count error detecting device for count type measuring instruments
RU2161773C2 (en) Angle determination device
RU2163380C1 (en) Device measuring acceleration
RU2165625C1 (en) Gear measuring accelerations
RU2539826C2 (en) Compensation-type accelerometer
JP2003157142A (en) Phase digitizer
RU2190226C1 (en) Gear measuring accelerations
RU2676217C1 (en) Compensation accelerometer
RU2190858C1 (en) Device measuring acceleration
RU2676177C1 (en) Compensation accelerometer
RU2308039C1 (en) Device for measuring accelerations
RU2740875C1 (en) Device for measuring accelerations
RU2189046C1 (en) Device measuring acceleration
RU2017161C1 (en) Capacitance measurement device
SU898342A1 (en) Conductometric pickup resistance meter
RU2360258C1 (en) Compensation accelerometre
SU1620947A1 (en) Digital meter of displacements
RU2171995C1 (en) Device for measurement of accelerations
RU2279094C1 (en) Arrangement for measuring accelerations