RU1259815C

RU1259815C - Three-component accelerometer

Info

Publication number: RU1259815C
Authority: RU
Inventors: А.Т. Кизимов; А.Н. Лебедев; Г.Б. Брусницын; Н.Н. Беляков
Original assignee: Рыбинский Авиационный Технологический Институт
Priority date: 1984-10-03
Filing date: 1984-10-03
Publication date: 1994-09-30

Description

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение в приборах инерциальной навигации. The invention relates to instrumentation and may find application in inertial navigation devices.

Целью изобретения является повышение добротности за счет согласования в широком динамическом диапазоне прибора частот измеряемого ускорения, частотно-импульсного модулятора и источника переменного напряжения. The aim of the invention is to improve the quality factor due to the coordination in the wide dynamic range of the device of the frequencies of the measured acceleration, pulse-frequency modulator and AC voltage source.

На фиг.1 изображена конструктивная схема трехкомпонентного акселерометра; на фиг.2 - функциональная схема одного канала трехкомпонентного акселерометра. Figure 1 shows a structural diagram of a three-component accelerometer; figure 2 is a functional diagram of one channel of a three-component accelerometer.

Трехкомпонентный акселерометр содержит инерционную массу 1, левый и правый электромагниты 2 и датчики перемещения 3, расположенные вокруг инерционной массы попарно по трем перпендикулярным осям, три схемы управления, каждая из которых включает левый и правый регуляторы индукции 4, первый фильтр-усилитель 5, фазочувствительный демодулятор 6, блок 7 динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор 8, формирователь 9 строба постоянной длительности, логический блок 10, первый электронный ключ 11, источник 12 переменного напряжения, счетчик 13 импульсов, блок индикации 14, второй электронный ключ 15, второй фильтр-усилитель 16, блок суммирования 17, процессор 18, цифроаналоговый преобразователь 19 и следящий блок 20. Причем регуляторы индукции 4, нагруженные электромагнитами 2, подключены к источнику 12 переменного напряжения через следящий блок 20 и первый электронный ключ 11, фазочувствительный демодулятор 6 подключен первым входом к датчику перемещения 3 через первый фильтр-усилитель 5, а вторым входом - к источнику 12 переменного напряжения, вход частотно-импульсного модулятора 8 подключен к выходу блока 7 динамической коррекции, а выход - к входу формирователя 9 строба постоянной длительности и входу счетчика 13 импульсов, выход логического блока 10 подключен к выходу блока 7 динамической коррекции, а выход - к первым управляющим входам первого электронного ключа 11, управляющим входам второго электронного ключа 15 и входам знака блока индикации 14, второй управляющий вход первого электронного ключа 11 и вход второго электронного ключа 15 подключены к выходу формирователя 9 строба постоянной длительности, выход второго электронного ключа подключен к неинвертирующему и инвертирующему входам второго фильтр-усилителя 16, выход которого подключен к второму входу блока суммирования 17, первый вход которого подключен к выходу фазочувствительного демодулятора 6, а выход - к входу блока 7 динамической коррекции, вход процессора 18 подключен к выходу счетчика 13 импульсов, первый выход процессора 18 - к входу блока индикации 14, второй выход - к входу цифроаналогового преобразователя 19, выход которого подключен к второму входу следящего блока 20. The three-component accelerometer contains an inertial mass 1, left and right electromagnets 2 and displacement sensors 3 located around the inertial mass in pairs along three perpendicular axes, three control circuits, each of which includes left and right induction controls 4, the first filter amplifier 5, and a phase-sensitive demodulator 6, dynamic correction unit 7, pulse-frequency modulator 8, constant-duration gate driver 9, logic unit 10, first electronic key 11, AC voltage source 12, counter 13 pulses, an indication unit 14, a second electronic switch 15, a second filter amplifier 16, a summing unit 17, a processor 18, a digital-to-analog converter 19, and a servo unit 20. Moreover, the induction controllers 4 loaded with electromagnets 2 are connected to an alternating voltage source 12 through a servo unit 20 and the first electronic switch 11, the phase-sensitive demodulator 6 is connected by the first input to the displacement sensor 3 through the first filter amplifier 5, and by the second input to the AC source 12, the input of the pulse-frequency modulator 8 is connected is connected to the output of the dynamic correction unit 7, and the output is to the input of the constant-duration strobe generator 9 and the pulse counter 13 input, the output of the logical unit 10 is connected to the output of the dynamic correction unit 7, and the output to the first control inputs of the first electronic key 11, control inputs the second electronic key 15 and the inputs of the sign of the display unit 14, the second control input of the first electronic key 11 and the input of the second electronic key 15 are connected to the output of the shaper 9 of the strobe of constant duration, the output of the second electron of the second key is connected to the non-inverting and inverting inputs of the second filter amplifier 16, the output of which is connected to the second input of the summing unit 17, the first input of which is connected to the output of the phase-sensitive demodulator 6, and the output to the input of the dynamic correction unit 7, the input of the processor 18 is connected to the output pulse counter 13, the first output of the processor 18 to the input of the display unit 14, the second output to the input of the digital-to-analog converter 19, the output of which is connected to the second input of the tracking unit 20.

Инерционная масса 1 выполнена в виде шара из магнитомягкого материала. The inertial mass 1 is made in the form of a ball of soft magnetic material.

Электромагниты 2 и конструктивно связанные с ними датчики перемещения 3 выполнены на основе магнитопроводов броневого или стержневого типа с обмотками электромагнитов и датчиков перемещения. Electromagnets 2 and structurally associated displacement sensors 3 are made on the basis of armored or rod-type magnetic cores with windings of electromagnets and displacement sensors.

Регуляторы индукции 4 выполнены как замкнутые автоматические системы стабилизации индукции, каждая из которых содержит последовательно включенные датчик электродвижущей силы индукции в виде секций обмотки, установленной на полюсных наконечниках электромагнита, дифференциального усилителя на микросхеме К544УД2А, предварительного усилителя на микросхеме К123Н1 и усилителя мощности на микросхеме К224УН17, нагруженного обмоткой электромагнита. Первый фильтр-усилитель 5 выполнен на микросхеме К123УН1 с активно-емкостным фильтром на входе, фазочувствительный демодулятор 6 - на микросхеме К140ХА1. Блок 7 динамической коррекции выполнен как дифференцирующий операционный усилитель на микросхемах серии 140. Частотно-импульсный модулятор 8 выполнен в виде управляемого генератора, на основе управляемого моста Вина. Формирователь 9 строба постоянной длительности выполнен как счетчик импульсов стабилизированной частоты на микросхемах К155ТМ, К155ТЛ1, К155ЛА3 и К155ИЕ4 с запуском от частотно-импульсного модулятора. Логический блок 10 выполнен на микросхемах К1402Д6Б, формирующих типовую Z-образную характеристику. Первый 11 и второй 15 электронные ключи выполнены на микросхемах К168КТ2А. Induction controllers 4 are made as closed automatic systems for stabilizing induction, each of which contains a series-connected sensor of electromotive force of induction in the form of winding sections mounted on the pole terminals of an electromagnet, a differential amplifier on a K544UD2A chip, a preliminary amplifier on a K123N1 chip, and a power amplifier on a K224U17 chip, loaded winding electromagnet. The first filter amplifier 5 is made on a K123UN1 chip with an active-capacitive filter at the input, and a phase-sensitive demodulator 6 is made on a K140XA1 chip. The dynamic correction unit 7 is designed as a differentiating operational amplifier based on the 140 series microcircuits. The pulse-frequency modulator 8 is made in the form of a controlled generator based on a controlled Vin bridge. Shaper 9 strobes of constant duration is made as a counter of pulses of a stabilized frequency on the K155TM, K155TL1, K155LA3 and K155IE4 microcircuits with the start from the frequency-pulse modulator. Logical block 10 is made on K1402D6B microcircuits forming a typical Z-shaped characteristic. The first 11 and second 15 electronic keys are made on K168KT2A microcircuits.

Источник 12 переменного напряжения представляет кварцевый генератор стабилизированной частоты и амплитуды с использованием в целях возбуждения колебаний и регулирования напряжения микросхем К155ЛА3, К140УД1А и транзисторов КП103Е, КТ315Д. The source of alternating voltage 12 is a quartz oscillator with a stabilized frequency and amplitude, using K155LA3, K140UD1A microcircuits and KP103E, KT315D transistors to excite oscillations and regulate the voltage.

Счетчик импульсов 13 выполнен на микросхемах К155ИЕ7, блок индикации 14 - на светодиодных индикаторах АЛС324Б с дешифраторами 514ИД2. Второй фильтр-усилитель 16 выполнен как операционный усилитель с дифференциальным входом на микросхеме К140УД8 с активно-емкостным сопротивлением в цепи отрицательной обратной связи. Блок суммирования 17 выполнен на микросхеме К140УД13. The pulse counter 13 is made on K155IE7 microcircuits, the indication unit 14 is on ALS324B LED indicators with 514ID2 decoders. The second filter amplifier 16 is designed as an operational amplifier with a differential input on the K140UD8 chip with active-capacitive resistance in the negative feedback circuit. The summing unit 17 is made on a chip K140UD13.

Процессор 18 выполнен на основе микропроцессорного комплекта К588. Цифроаналоговый преобразователь 19 - на основе микросхем 572ПА2А и К140УД6А. The processor 18 is based on a microprocessor kit K588. The digital-to-analog converter 19 is based on 572PA2A and K140UD6A microcircuits.

Следящий блок 20 выполнен в виде системы с автоматической регулировкой усиления на полевом транзисторе КП103Е и операционных усилителях К140УД13 и К140УД6А. The tracking unit 20 is made in the form of a system with automatic gain control on a field-effect transistor KP103E and operational amplifiers K140UD13 and K140UD6A.

Трехкомпонентный акселерометр работает следующим образом. При отсутствии ускорения инерционная масса 1 находится в среднем положении относительно электромагнитов 2. Сигналы с датчиков перемещения 3 равны нулю, электромагниты 2 и конструктивно связанные с ними датчики перемещения 3 запитаны небольшим переменным напряжением с регуляторов индукции 4. Небольшие и равные величины индукций в зазорах между электромагнитами 2 инерционной массой 1 стабилизируются регуляторами индукции 4 так, что суммарная электромагнитная сила, действующая на инерционную массу 1, равна нулю. В каждой схеме управления нулевой сигнал не запускает частотно-импульсный модулятор 8, а формирователь строба постоянной длительности 9 и логический блок 10 имеют на выходах напряжения, соответствующие логическому нулю. С выходов счетчика 13 импульсов, процессора 18 и цифроаналогового преобразователя 19 снимаются нулевые сигналы. В этом случае следящий блок 20 и первый электронный ключ 11 пропускают на регуляторы индукции 4 низкие и равные уровни напряжения с источника 12 переменного напряжения. С второго электронного ключа 15 на второй фильтр-усилитель 16 подаются нулевые сигналы, следовательно на второй вход блока суммирования 17 также поступает нулевой сигнал. Блок индикации дешифрирует и индицирует нулевой сигнал с левого выхода процессора 18, соответствующий нулевому ускорению. The three-component accelerometer works as follows. In the absence of acceleration, the inertial mass 1 is in the middle position relative to the electromagnets 2. The signals from the displacement sensors 3 are equal to zero, the electromagnets 2 and the structurally related displacement sensors 3 are powered by a small alternating voltage from the induction controllers 4. Small and equal values of the inductions in the gaps between the electromagnets 2 by inertial mass 1 are stabilized by induction regulators 4 so that the total electromagnetic force acting on inertial mass 1 is zero. In each control circuit, the zero signal does not start the pulse-frequency modulator 8, and the gate driver of constant duration 9 and the logic unit 10 have voltage outputs corresponding to logic zero. From the outputs of the counter 13 pulses, the processor 18 and the digital-to-analog Converter 19 are removed zero signals. In this case, the tracking unit 20 and the first electronic switch 11 pass low and equal voltage levels from the source 12 of the alternating voltage to the induction controllers 4. From the second electronic key 15, zero signals are supplied to the second filter amplifier 16, therefore, a zero signal is also supplied to the second input of the summing unit 17. The display unit decrypts and indicates a zero signal from the left output of the processor 18, corresponding to zero acceleration.

Допустим, что при действии ускорения, например, по оси Y инерционная масса 1 в переходном режиме смещается вправо от среднего положения (см. фиг.2). Зазор между левым электромагнитом 2 и инерционной массой 1 увеличивается, а между правым электромагнитом и инерционной массой уменьшается. С датчика перемещения снимается сигнал, не равный нулю, который усиливается фильтром-усилителем 5 и преобразуется фазочувствительным демодулятором 6 в постоянное напряжение, например, положительной полярности и подается на первый вход блока суммирования 17. На второй вход этого блока в первый момент после начала действия ускорения подается нулевое напряжение. Блок 7 динамической коррекции вводит производную от изменения величины напряжения с выхода блока 17 суммирования и тем самым формирует необходимые динамические характеристики трехкомпонентного акселерометра. Частотно-импульсный модулятор 8 независимо от полярности напряжения на входе вырабатывает импульсы частотой, пропорциональной величине входного сигнала. Счетчик 13 импульсов подсчитывает число импульсов n, вырабатываемых частотно-импульсным модулятором за некоторый промежуток времени, и передает эту информацию в виде числа на процессор 18, который вычисляет значение функций f₁(n) и F₂(n) для первого и второго выходов процессора соответственно.Suppose that under the action of acceleration, for example, along the Y axis, the inertial mass 1 in the transition mode shifts to the right from the middle position (see figure 2). The gap between the left electromagnet 2 and the inertial mass 1 increases, and between the right electromagnet and the inertial mass decreases. A non-zero signal is taken from the displacement sensor, which is amplified by the filter amplifier 5 and converted by the phase-sensitive demodulator 6 into a constant voltage, for example, of positive polarity and fed to the first input of the summing unit 17. At the second input of this block at the first moment after the acceleration starts zero voltage is applied. The dynamic correction unit 7 introduces the derivative of the change in the voltage value from the output of the summing unit 17 and thereby forms the necessary dynamic characteristics of the three-component accelerometer. Frequency-pulse modulator 8, regardless of the polarity of the voltage at the input, generates pulses with a frequency proportional to the value of the input signal. The counter 13 pulses counts the number of pulses n generated by the frequency-pulse modulator for a certain period of time, and transmits this information as a number to the processor 18, which calculates the value of the functions f ₁ (n) and F ₂ (n) for the first and second outputs of the processor respectively.

Численное значение функции f₂(n) преобразуется цифроаналоговым преобразователем 19 в постоянное напряжение, которое является управляющим для следящего блока 20 и определяет амплитуду переменного напряжения на его выходе. Формирователь 9 строба постоянной длительности формирует строб на каждый импульс или через определенное число импульсов, поданных с частотно-импульсного модулятора 8. Логический блок 10 определяет знак выходного напряжения с блока 7 динамической коррекции и в рассмотренном случае работы прибора подает на соответствующие управляющие входы первого 11 и второго 15 электронного ключей напряжения, соответствующие логической единице. В случае прихода на электронные ключи 11 и 15 с формирователя 9 строба постоянной длительности одновременно с логической единицей с логического блока 10 первый электронный ключ 11 пропускает высокий уровень напряжения, заданный следящим блоком 20, на левый регулятор индукции 4, который стабилизирует заданный уровень индукции в зазоре между левым электромагнитом 2 и инерционной массой 1 и тем самым формирует импульс силы заданной амплитуды и постоянной длительности, а второй электронный ключ 15 пропускает строб постоянной длительности на неинвертирующий вход второго фильтра-усилителя 16, который подает на второй вход блока 1 суммирования 17 напряжение, функционально однозначно связанное с силой, сформированной левым электромагнитом 2. Суммарный сигнал с блока 17 увеличивает частоту импульсов на выходе частотно-импульсного модулятора 8, увеличивается частота стробов на входе формирователя 9 и частота импульсов силы, сформированных левым электромагнитом 2. Под действием дополнительной силы инерционная масса 1 перемещается в среднее положение, а в этом случае напряжение на первом входе блока суммирования 17 снижается до нуля, а на втором входе сохраняется напряжение, функционально однозначно связанное с электромагнитной силой, сформированной левым электромагнитом 2, равной инерционной силе, действующей на инерционную массу 1. Именно величиной этого напряжения на выходе блока суммирования 17 определяется в установившемся режиме частота на выходе частотно-импульсного модулятора 8, которая функционально однозначно связана со средней силой в зазоре между левым электромагнитом 2 и инерционной массой 1. При постоянно действующем ускорении инерционная масса 1 находится в среднем положении относительно электромагнитов 2 и структура поля в зазорах электромагнитов не изменяется, что обеспечивает высокую точность преобразования измеренной и поддерживаемой на заданном уровне индукции в электромагнитную силу, причем электромагнитная сила пропорциональна квадрату амплитуды индукции в зазоре электромагнита и числу импульсов n, в то же время амплитуда индукции в зазоре электромагнита связана с числом импульсов n, вырабатываемых частотно-импульсным модулятором 8 за некоторый промежуток времени, функцией f₂(n). Следовательно, электромагнитная сила пропорциональна knf₂ ²(n), где k - коэффициент пропорциональности. Численное значение функции f₁(n) дешифрируется и индицируется блоком индикации 14, причем знак ускорения определяется дешифрируемым сигналом с логического блока 10. Индицируемое блоком индикации 14 число пропорционально измеряемому ускорению, если вычисляемые процессором функции f₁(n) и nf₂ ²(n) линейно зависимы, а добротность акселерометра во столько раз больше отношения верхней частоты частотно-импульсного модулятора 8 к нижней, во сколько раз отношение наибольшего к наименьшему значению функции f₁(n) больше отношения наибольшего к наименьшему значению n. Даже при небольшой величине отношения

=

= 100 ,, где n_в, n_н - наибольшее и наименьшее число импульсов, выработанных частотно-импульсным модулятором за один и тот же промежуток времени, и при вычислении процессором функций
f₂(n) = c

,, f₁(n) = nf₂ ²(n) = C²n⁴, где С - постоянный коэффициент, добротность трехкомпонентного акселерометра составит

=

= 10⁸,,
Согласование указанных частот может быть достигнуто и при более низком отношении

=

= 10 .. В этом случае высокая добротность (10⁸) акселерометра сохранится при вычислении процессором функций
f₂(n) = d

и f₁(n) = nf₂ ²(n) = dn⁸.The numerical value of the function f ₂ (n) is converted by a digital-to-analog converter 19 into a constant voltage, which is the control for the tracking unit 20 and determines the amplitude of the alternating voltage at its output. The constant-duration strobe generator 9 generates a strobe for each pulse or after a certain number of pulses supplied from the pulse-frequency modulator 8. The logic block 10 determines the sign of the output voltage from the dynamic correction block 7 and, in the considered case of the device operation, feeds the first 11 and second 15 electronic voltage keys corresponding to a logical unit. In the case of arrival at

electronic keys

11 and 15 from the generator 9 of the strobe of constant duration simultaneously with the logical unit from the logical unit 10, the first electronic key 11 passes the high voltage level set by the tracking unit 20 to the left induction controller 4, which stabilizes the specified level of induction in the gap between the left electromagnet 2 and the inertial mass 1 and thereby generates an impulse of a force of a given amplitude and constant duration, and the second electronic key 15 passes a strobe of constant duration to non-inv the dithering input of the second filter amplifier 16, which supplies a voltage functionally uniquely related to the force generated by the left electromagnet 2 to the second input of summing unit 1, 17. The total signal from block 17 increases the pulse frequency at the output of the pulse-frequency modulator 8, the strobe frequency increases the shaper input 9 and the frequency of the force pulses generated by the left electromagnet 2. Under the action of the additional force, the inertial mass 1 moves to the middle position, and in this case, the voltage at the first the course of the summing unit 17 decreases to zero, and the voltage is stored at the second input, which is functionally uniquely associated with the electromagnetic force generated by the left electromagnet 2, equal to the inertial force acting on the inertial mass 1. It is the value of this voltage at the output of the summing unit 17 that is determined in steady state the frequency at the output of the pulse-frequency modulator 8, which is functionally uniquely related to the average force in the gap between the left electromagnet 2 and the inertial mass 1. During acceleration, the inertial mass 1 is in the middle position relative to the electromagnets 2 and the field structure in the gaps of the electromagnets does not change, which ensures high accuracy of the measurement of the induction measured and maintained at a given level into electromagnetic force, the electromagnetic force being proportional to the square of the induction amplitude in the electromagnet gap and the number of pulses n, at the same time, the induction amplitude in the gap of the electromagnet is related to the number of pulses n generated by the pulse-frequency modulo 8 ohms over a period of time, a function f ₂ (n). Therefore, the electromagnetic force is proportional to knf ₂ ² (n), where k is the coefficient of proportionality. The numerical value of the function f ₁ (n) is decrypted and indicated by the display unit 14, and the acceleration sign is determined by the decrypted signal from the logical unit 10. The number indicated by the display unit 14 is proportional to the measured acceleration if the functions f ₁ (n) and nf ₂ ² (n ) are linearly dependent, and the quality factor of the accelerometer is so many times greater than the ratio of the upper frequency of the pulse-frequency modulator 8 to the lower, how many times the ratio of the largest to the smallest value of the function f ₁ (n) is greater than the ratio of the largest to the smallest value n. Even with a small ratio

=

= 100 ,, where n _in , n _n - the largest and smallest number of pulses generated by the frequency-pulse modulator for the same period of time, and when the processor calculates the functions
f ₂ (n) = c

,, f ₁ (n) = nf ₂ ² (n) = C ² n ⁴ , where C is a constant coefficient, the quality factor of a three-component accelerometer will be

=

= 10 ⁸ ,,
Coordination of the indicated frequencies can be achieved with a lower ratio.

=

= 10 .. In this case, the high quality factor (10 ⁸ ) of the accelerometer will be preserved when the processor calculates the functions
f ₂ (n) = d

and f ₁ (n) = nf ₂ ² (n) = dn ⁸ .

Таким образом, введение в каждую схему управления процессора, вычисляющего значения функций f₁(n) и f₂(n) для первого и второго выходов соответственно, цифроаналогового преобразователя и следящего блока увеличивает добротность трехкомпонентного акселерометра во столько раз, во сколько раз отношение наибольшего к наименьшему значению любой из линейно зависимых функций f₁(n) и nf₂ ²(n) больше отношения верхней частоты частотно-зависимого модулятора к нижней. Высокодобротный трехкомпонентный акселерометр реализует при использовании частотно-импульсного модулятора с узким частотным диапазоном за счет согласования в широком динамическом диапазоне прибора, определяемом динамическим диапазоном функции f₁(n) частот измеряемого ускорения, частотно-импульсного модулятора и источника переменного напряжения.Thus, the introduction into each control circuit of a processor that calculates the values of the functions f ₁ (n) and f ₂ (n) for the first and second outputs, respectively, of a digital-analog converter and a tracking unit increases the quality factor of a three-component accelerometer by so many times, by how many times the ratio of the largest to the smallest value of any of the linearly dependent functions f ₁ (n) and nf ₂ ² (n) is greater than the ratio of the upper frequency of the frequency-dependent modulator to the lower. A high-Q three-component accelerometer implements when using a frequency-pulse modulator with a narrow frequency range due to matching in a wide dynamic range of the device, determined by the dynamic range of the function f ₁ (n) of the frequencies of the measured acceleration, pulse-frequency modulator and AC voltage source.

Claims

THREE COMPONENT ACCELEROMETER by author. St. NN 1137397, characterized in that, in order to improve the quality factor, a processor, a digital-to-analog converter and a tracking unit are introduced into each control circuit, the processor input being connected to the output of the pulse counter, the first processor output connected to the input of the display unit, and the second to the input of the digital-to-analog converter whose output is connected to the second input of the tracking unit, the first input of the tracking unit is connected to an AC voltage source, and the output to the input of the first electronic key.