RU2155965C1

RU2155965C1 - Compensation accelerometer

Info

Publication number: RU2155965C1
Application number: RU99115633A
Authority: RU
Inventors: В.И. Баженов; В.М. Бражник; В.В. Краснов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2000-09-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: given accelerometer is intended for use in measurement equipment that measures linear accelerations. Compensation accelerometer has sensitive element, position transducer, magnetoelectric power converter with compensation coil, amplifier, two scale resistors, ballast resistor, two comparators, logic OR device, relay, one make contact of which is linked to connection point of compensation coil and second make contact of which is linked to connection point of ballast resistor with first scale resistor. EFFECT: provision for automatic selection of resolving power of compensation accelerometer depending on measured acceleration, enhanced stability of conversion factor. 2 dwg

Description

Данное изобретение относится к измерительной технике, а именно к прецизионным акселерометрам с компенсационным преобразованием для измерения линейных ускорений. This invention relates to measuring technique, namely to precision accelerometers with compensating conversion for measuring linear accelerations.

Известен компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, подключенный к входу усилителя следящей системы, к выходу которого подключены компенсационная катушка магнитоэлектрического силового преобразователя и соединенный с ней масштабный резистор [1]. Known compensation accelerometer containing a sensing element, a position sensor connected to the input of the amplifier of the tracking system, the output of which is connected to the compensation coil of the magnetoelectric power converter and a large-scale resistor connected to it [1].

Недостатком такого акселерометра является постоянство разрешающей способности во всем диапазоне измеряемых ускорений, что ограничивает точность измерений на нижнем пределе измеряемых ускорений. The disadvantage of this accelerometer is the constancy of resolution in the entire range of measured accelerations, which limits the accuracy of measurements at the lower limit of the measured accelerations.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к входу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первый и второй масштабные резисторы [2]. The closest in technical essence is a compensation accelerometer containing a sensing element, a position sensor, a magnetoelectric power converter with a permanent magnet and a compensation coil, the first output of which is connected to the input of the amplifier, the first and second large-scale resistors connected in series with their first conclusions [2].

Недостатком такого компенсационного акселерометра является отсутствие средств для автоматического выбора разрешающей способности компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения. The disadvantage of such a compensation accelerometer is the lack of means for automatically selecting the resolution of the compensation accelerometer depending on the measured acceleration.

Техническим результатом изобретения является обеспечение режима автоматического выбора разрешающей способности компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения и повышение стабильности коэффициента преобразования. The technical result of the invention is the provision of automatic selection of the resolution of the compensation accelerometer depending on the measured acceleration and increasing the stability of the conversion coefficient.

Данный технический результат достигается тем, что в компенсационном акселерометре, содержащем чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к выходу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первый и второй масштабные резисторы, введены балластный резистор, первый и второй компараторы, логическое устройство "ИЛИ", реле, первый вывод балластного резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки, к второму выводу балластного резистора подключен второй вывод первого масштабного резистора, точка соединения балластного и первого масштабного резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства "ИЛИ", выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства "ИЛИ", к выходу логического устройства "ИЛИ" подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с балластным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов. This technical result is achieved by the fact that in a compensation accelerometer containing a sensing element, a position sensor, a magnetoelectric power transducer with a permanent magnet and a compensation coil, the first output of which is connected to the output of the amplifier, the first and second scale resistors connected in series with their first terminals, a ballast resistor is introduced , first and second comparators, OR logic device, relay, the first output of the ballast resistor is connected to the second output of the compensation cation coil, the second terminal of the first scale resistor is connected to the second terminal of the ballast resistor, the connection point of the ballast and the first scale resistor is connected to the opposite inputs of the first and second comparators, the output of the first comparator is connected to one input of the OR logic device, the output of the second comparator is connected to the other input of the OR logic device, to the output of the OR logic device, a relay is connected, the first make contact of which is connected between the connection point ompensatsionnoy coil ballast resistor and the junction point between the first and second scaling resistor and a second make contact is connected between the connection point of a ballast resistor to the first scale and the point of connection of the first and second scaling resistors.

Путем введения первого и второго компараторов, логического устройства "ИЛИ", реле, соединения точки соединения балластного и первого масштабного резисторов с двумя противоположными входами первого и второго компараторов, подключения выходов первого и второго компараторов к входам логического устройства "ИЛИ", подключения реле к выходу логического устройства "ИЛИ", включения первого замыкающего контакта реле между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов обеспечивается слежение за уровнем выходного сигнала компенсационного акселерометра и переключение масштабных резисторов, в результате чего автоматически изменяется разрешающая способность компенсационного акселерометра в зависимости от измеряемого ускорения. By introducing the first and second comparators, the OR logic device, a relay, connecting the point of connection of the ballast and the first large-scale resistors with two opposite inputs of the first and second comparators, connecting the outputs of the first and second comparators to the inputs of the OR logic device, connecting the relay to the output logical device "OR", the inclusion of the first make contact relay between the connection point of the ballast resistor with the first scale resistor and the connection point of the first and second large-scale p ican provided for tracking the output level and compensating accelerometer scale switching resistor, whereby automatically changes the resolution of the compensating accelerometer based on the measured acceleration.

Путем введения балластного резистора и подключения второго замыкающего контакта реле между точкой соединения балластного резистора с компенсационной катушкой и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов при замыкании первого и второго замыкающих контактов для падения напряжения от тока компенсационной катушки на переходном сопротивлении первого замыкающего контакта создается делитель напряжения с отношением сопротивления балластного резистора к переходному сопротивлению второго замыкающего контакта. В результате на выход акселерометра поступает значительно уменьшенная величина падения напряжения на переходном сопротивлении первого замыкающего контакта, и тем самым повышается стабильность коэффициента передачи компенсационного акселерометра при работе в режиме с включенным вторым масштабным резистором. By introducing a ballast resistor and connecting a second make contact of the relay between the point of connection of the ballast resistor with the compensation coil and the connection point of the first and second scale resistors when the first and second make contacts are closed, to create a voltage drop from the current of the compensation coil, a voltage divider is created at the transition resistance of the first make contact the ratio of the resistance of the ballast resistor to the transition resistance of the second make contact. As a result, the output of the accelerometer receives a significantly reduced voltage drop across the transition resistance of the first make contact, and thereby increases the stability of the transmission coefficient of the compensation accelerometer when operating in the mode with the second large-scale resistor turned on.

На фиг. 1 представлен общий вид компенсационного акселерометра. In FIG. 1 shows a general view of a compensation accelerometer.

На фиг. 2 приведена электрическая схема компенсационного акселерометра. In FIG. 2 shows an electrical diagram of a compensation accelerometer.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором установлен чувствительный элемент 2 с подвижной частью 3 и неподвижной частью 4, которые соединены между собой посредством упругого шарнира 5. На подвижной части 3 чувствительного элемента 2 установлен груз 6. Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит установленный в корпус 1 постоянный магнит 7 с диаметральным направлением намагничивания и компенсационную катушку 8 на подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Неподвижные электроды 9, 9' емкостного датчика положения расположены на постоянном магните 7, а подвижный электрод выполнен в виде электропроводной поверхности подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Чувствительный элемент 2 может быть изготовлен, например, из монокристаллического кремния методом анизотропного травления. The compensation accelerometer (Fig. 1) comprises a housing 1 in which a sensing element 2 is mounted with a movable part 3 and a fixed part 4, which are interconnected by means of an elastic hinge 5. A load 6 is installed on the movable part 3 of the sensing element 2. The magnetoelectric power converter contains a permanent magnet 7 mounted in the housing 1 with a diametrical direction of magnetization and a compensation coil 8 on the movable part 3 of the sensing element 2. Fixed electrodes 9, 9 'of the capacitive polo sensor eniya arranged on the permanent magnet 7 and the movable electrode is formed as a conductive surface of the movable part 3 of the sensor 2. The sensor element 2 can be made for example of monocrystalline silicon by anisotropic etching.

Акселерометр закрыт крышкой 10. The accelerometer is closed by a cover 10.

Датчик положения (фиг. 2) в компенсационном акселерометре выполнен по мостовой схеме и содержит конденсаторы C1, C2 и резисторы R1, R2. Конденсатор C1 образован неподвижным электродом 9 и электропроводной поверхностью подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Конденсатор C2 образован неподвижным электродом 9' и электропроводной поверхностью подвижной части 3 чувствительного элемента 2. К одной диагонали мостовой схемы датчика положения подведено напряжение питания U_п от источника переменной ЭДС. Выход датчика положения соединен с входом усилителя 11 акселерометра, выход которого соединен с первым выводом компенсационной катушки 8 силового преобразователя. Первый R_м1 и второй R_м2 масштабные резисторы соединены последовательно своими первыми выводами. Второй вывод компенсационной катушки 8 подсоединен к первому выводу балластного резистора R_б, второй вывод которого подключен к второму выводу первого масштабного резистора R_м1.The position sensor (Fig. 2) in the compensation accelerometer is made according to the bridge circuit and contains capacitors C1, C2 and resistors R1, R2. The capacitor C1 is formed by the fixed electrode 9 and the electrically conductive surface of the movable part 3 of the sensing element 2. The capacitor C2 is formed by the immovable electrode 9 'and the electrically conductive surface of the movable part 3 of the sensing element 2. The supply voltage U _p from the variable emf source is connected to one diagonal of the bridge circuit of the position sensor. The output of the position sensor is connected to the input of the amplifier 11 of the accelerometer, the output of which is connected to the first output of the compensation coil 8 of the power converter. The first R _m1 and second R _m2 scale resistors are connected in series with their first terminals. The second terminal of the compensation coil 8 is connected to the first terminal of the ballast resistor R _b , the second terminal of which is connected to the second terminal of the first scale resistor R _m1 .

Точка соединения балластного резистора R_б с первым масштабным резистором R_м1 подсоединена к плюсовому входу первого компаратора 12' и к минусовому входу второго компаратора 12''.The connection point of the ballast resistor R _b with the first large-scale resistor R _{m1 is} connected to the positive input of the first comparator 12 'and to the negative input of the second comparator 12''.

К минусовому входу первого компаратора 12' и к плюсовому входу второго компаратора 12'' подводится напряжение U_пор источника порогового напряжения.To the negative input of the first comparator 12 'and to the positive input of the second comparator 12 "is the voltage U _{then the} threshold voltage source.

К выходам первого 12' и второго 12'' компараторов подключены входы логического устройства "ИЛИ", к выходу которого подключено реле 14, первый замыкающий контакт K1 которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки 8 с балластным резистором R_б и точкой соединения первого R_м1 и второго R_м2 масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт K2 подключен между точкой соединения балластного резистора R_б с первым масштабным резистором R_м1 и точкой соединения первого R_м1 и второго R_м2 масштабных резисторов. Измерительное устройство 15 потребителя подключено к входу компараторов 12', 12''.The outputs of the OR device are connected to the outputs of the first 12 'and second 12''comparators, to the output of which a relay 14 is connected, the first making contact K1 of which is connected between the connection point of the compensation coil 8 with the ballast resistor R _b and the connection point of the first R _m1 and the second R _{m2 of} scale resistors, and the second make contact K2 is connected between the connection point of the ballast resistor R _b with the first scale resistor R _m1 and the connection point of the first R _m1 and the second R _{m2 of} scale resistors. The consumer measuring device 15 is connected to the input of the comparators 12 ', 12''.

Компенсационный акселерометр (фиг. 1, 2) работает следующим образом. При наличии ускорения на груз 6 воздействует инерционная сила, которая вызывает угловое перемещение подвижной части 3 чувствительного элемента 2 относительно неподвижной части 4. Пусть направление ускорения таково, что нижняя часть подвижной части 3 чувствительного элемента 2 приближается к неподвижному электроду 9, а ее верхняя часть отдаляется от неподвижного электрода 9'. Тогда емкость конденсатора C1 увеличивается, емкость конденсатора C2 уменьшается, происходит разбаланс мостовой схемы датчика положения, и на усилитель акселерометра 11 поступает переменный сигнал рассогласования следящей системы акселерометра. После его преобразования в сигнал постоянного тока и усиления выходное напряжение постоянного тока на усилителе 11 преобразуется в постоянный ток посредством цепи, состоящей из последовательно включенных компенсационной катушки 8, балластного резистора R_б и масштабных резисторов R_м1, R_м2. Этот ток, проходя через компенсационную катушку магнитоэлектрического силового преобразователя, создает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 7.Compensation accelerometer (Fig. 1, 2) works as follows. In the presence of acceleration, an inertial force acts on the load 6, which causes the angular movement of the movable part 3 of the sensing element 2 relative to the fixed part 4. Let the direction of acceleration be such that the lower part of the movable part 3 of the sensing element 2 approaches the stationary electrode 9, and its upper part moves away from the fixed electrode 9 '. Then the capacitance of the capacitor C1 increases, the capacitance of the capacitor C2 decreases, the bridge circuit of the position sensor is unbalanced, and an alternating mismatch signal of the accelerometer tracking system is supplied to the accelerometer amplifier 11. After it is converted into a direct current signal and amplified, the DC output voltage on the amplifier 11 is converted to direct current by means of a circuit consisting of a compensation coil 8 connected in series, a ballast resistor R _b and scale resistors R _m1 , R _m2 . This current, passing through the compensation coil of the magnetoelectric power converter, creates a magnetic field that interacts with the magnetic field of the permanent magnet 7.

В результате в магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, воздействие которой на подвижную часть 3 чувствительного элемента 2 уравновешивает воздействие инерционной силы. При этом подвижная часть 3 чувствительного элемента 2 возвращается в исходное положение. As a result, a compensation force is created in the magnetoelectric power converter, the action of which on the movable part 3 of the sensing element 2 balances the inertial force. In this case, the movable part 3 of the sensing element 2 returns to its original position.

Ток компенсационной катушки 8, проходя через масштабные резисторы R_м1, R_м2, создает на них падение напряжения U_вых, которое пропорционально измеряемому ускорению и является выходным сигналом акселерометра, поступающим на вход измерительного устройства 15 потребителя.The current of the compensation coil 8, passing through the scale resistors R _m1 , R _m2 , creates a voltage drop U _o on them, which is proportional to the measured acceleration and is the output signal of the accelerometer fed to the input of the measuring device 15 of the consumer.

При измерениях в нижней части диапазона, когда измеряемое ускорение мало относительно его верхнего предела, включены балластный резистор R_б, первый R_м1 и второй R_м2 масштабные резисторы. При этом на выходе компенсационного акселерометра при измерениях в нижней части диапазона ускорений обеспечивается большее выходное напряжение, чем при включенном одном первом R_м1 или втором R_м2 масштабных резисторов. В результате достигается повышение разрешающей способности измерений в нижней части диапазона измеряемых ускорений.When measuring in the lower part of the range, when the measured acceleration is small relative to its upper limit, the ballast resistor R _b , the first R _m1 and the second R _m2 scale resistors are included. At the same time, a larger output voltage is provided at the output of the compensation accelerometer during measurements in the lower part of the acceleration range than when one of the first R _m1 or second R _m2 scaled resistors is turned on. The result is an increase in the resolution of measurements in the lower part of the range of measured accelerations.

Когда измеряемое ускорение достигает величины, при которой суммарное напряжение на первом R_м1 и втором R_м2 масштабных резисторах близко к максимальному выходному напряжению усилителя 11, поступающее на входы компараторов 12', 12'' напряжение U_вых в соответствии с заданным напряжением U_пор источника порогового напряжения приводит к срабатыванию одного из компараторов 12, 12'' в зависимости от полярности напряжения U_вых. При этом на выходе логического устройства "ИЛИ" 13 появляется сигнал, включающий реле 14. Контакты K1, K2 реле 14 замыкаются, и с выхода акселерометра поступает напряжение U_вых с второго масштабного резистора R_м2.When the measured acceleration reaches a value at which the total voltage on the first R _m1 and the second R _m2 scaling resistors close to the maximum output voltage of the amplifier 11 are applied to inputs of comparators 12 ', 12''voltage U _O in accordance with a predetermined voltage U _pore threshold source voltage leads to the operation of one of the comparators 12, 12 '' depending on the polarity of the voltage U _o . At the same time, a signal including relay 14 appears at the output of the OR device 13. The contacts K1, K2 of relay 14 are closed, and the voltage U _out from the second large-scale resistor R _{m2 is} output from the accelerometer.

Падение напряжения на переходном сопротивлении замкнутого контакта K1 от проходящего через него тока компенсационной катушки 8 попадает на выход акселерометра ослабленным на величину отношения сопротивления балластного резистора R_б к переходному сопротивлению замкнутого контакта K2.The voltage drop across the transient resistance of the closed contact K1 from the current of the compensation coil 8 passes through it to the accelerometer output weakened by the ratio of the resistance of the ballast resistor R _b to the transient resistance of the closed contact K2.

Таким образом существенно уменьшается влияния на выходной сигнал компенсационного акселерометра нестабильности переходных сопротивлений замыкающих контактов K1, K2. Thus, the influence on the output signal of the compensation accelerometer of the instability of the transition resistance of the closing contacts K1, K2 is significantly reduced.

Источники информации
1. Патент США N 4507965, МКИ G 01 P 15/13. НКИ 73/517 B. Акселерометр. 1985 г.Sources of information
1. US patent N 4507965, MKI G 01 P 15/13. NKI 73/517 B. Accelerometer. 1985

2. Патент РФ N 1795374, МКИ G 01 P 15/13, G 01 P 15/08. Компенсационный акселерометр (прототип). 1990 г. 2. RF patent N 1795374, MKI G 01 P 15/13, G 01 P 15/08. Compensation accelerometer (prototype). 1990 g.

Claims

Compensation accelerometer containing a sensing element, a position sensor, a magnetoelectric power transducer with a permanent magnet and a compensation coil, the first output of which is connected to the output of the amplifier, connected in series with its first terminals of the first and second large-scale resistors, characterized in that the ballast resistor, the first and second comparators, OR logic device, relay, the first terminal of the ballast resistor is connected to the second terminal of the compensation coil, to the second pin at the ballast resistor, the second output of the first scale resistor is connected, the connection point of the ballast and first scale resistors is connected to opposite inputs of the first and second comparators, the output of the first comparator is connected to one input of the OR logical device, the output of the second comparator is connected to the other input of the OR logical device, a relay is connected to the output of the logic device OR, the first make contact of which is connected between the point of connection of the compensation coil with the ballast m resistor and the connection point of the first and second scale resistors, and the second make contact is connected between the connection point of the ballast resistor with the first scale resistor and the connection point of the first and second scale resistors.