RU2199755C1

RU2199755C1 - Device for transforming inertial data

Info

Publication number: RU2199755C1
Application number: RU2001115012/28A
Authority: RU
Inventors: В.И. Баженов; К.А. Бахонин; В.Л. Будкин; Г.И. Джанджгава; Е.А. Никовский; ков Н.А. Темл; Н.А. Темляков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро"
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2003-02-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has sensory element, position transformer, electromagnetic power amplifier and an amplifier having n- cascade DC amplifier. Compensating coil of the electromagnetic power amplifier and scaling resistors are connected to amplifier output. J-cascade DC amplifier is additionally introduced into design. Connection point of the last two scaling resistors is connected to the first cascade input of the j-cascade DC amplifier Connection point of the first scaling resistor and the second output of the compensation coil is connected to j-th cascade output. EFFECT: high accuracy of measurements. 2 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейного ускорения, угловой скорости и т.д. The present invention relates to the field of measurement technology, namely, compensation transducers of linear acceleration, angular velocity, etc.

Известны преобразователи инерциальной информации [1],[2], содержащие чувствительный элемент, преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель. Known inertial information converters [1], [2] containing a sensing element, a position transducer, a magnetoelectric power converter, an amplifier.

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь инерциальной информации [3], содержащий чувствительный элемент, преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель с n-каскадным усилителем постоянного тока, к выходу n-го каскада которого подключены последовательно соединенные компенсационная катушка магнитоэлектрического силового преобразователя и k (k = 2,3...) масштабных резистора, причем один вывод компенсационной катушки подсоединен к выходу n-го каскада n -каскадного усилителя постоянного тока, второй вывод компенсационной катушки соединен с первым выводом первого из k масштабных резисторов. The closest in technical essence is the inertial information transducer [3], containing a sensing element, a position transducer, a magnetoelectric power transducer, an amplifier with an n-cascade DC amplifier, to the output of the nth cascade of which a compensation coil of the magnetoelectric power transducer and k are connected in series (k = 2,3 ...) large-scale resistors, and one pin of the compensation coil is connected to the output of the nth stage of the n-stage amplifier Nogo current, a second terminal of the compensation coil connected to a first terminal of the first resistor scale k.

Недостатком такого преобразователя инерциальной информации является ограничение максимального напряжения на последовательно включенных масштабных резисторах до максимального выходного напряжения усилителя постоянного тока падением напряжения на компенсационной катушке. The disadvantage of this inertial information converter is the limitation of the maximum voltage on the series-connected scale resistors to the maximum output voltage of the DC amplifier with a voltage drop across the compensation coil.

Техническим результатам изобретения является повышение точности измерений преобразователя инерциальной информации. The technical results of the invention is to increase the measurement accuracy of the inertial information converter.

Данный технический результат достигается в преобразователе инерциальной информации, например акселерометре или гироскопическом измерителе угловой скорости, содержащем чувствительный элемент, преобразователь положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь, усилитель с n-каскадным усилителем постоянного тока, к выходу n-гo каскада которого подключены последовательно соединенные компенсационная катушка магнитоэлектрического силового преобразователя и k (k= 2,3...) масштабных резисторов, причем один вывод компенсационной катушки подсоединен к выходу n-го каскада n-каскадного усилителя постоянного тока, второй вывод компенсационной катушки соединен с первым выводом первого, из k масштабных резисторов, тем, что введен дополнительно j-аскадный усилитель постоянного тока, к входу первого каскада которого подключены соединенный с (k-1)-ым масштабным резистором первый вывод k-го масштабного резистора и второй вывод k-го масштабного резистора, к выходу j-го каскада j -каскадного усилителя постоянного тока подключена точка соединения первого вывода первого масштабного резистора с вторым выводом компенсационной катушки. This technical result is achieved in an inertial information converter, for example, an accelerometer or a gyroscopic angular velocity meter containing a sensing element, a position converter, a magnetoelectric power converter, an amplifier with an n-cascade direct current amplifier, to the output of the n-th cascade of which a magnetoelectric compensation coil is connected in series power converter and k (k = 2,3 ...) scale resistors, with one output of the compensation coil connected to the output of the nth cascade of the n-cascade DC amplifier, the second output of the compensation coil is connected to the first output of the first of k scale resistors, in that an additional j-cascade DC amplifier is introduced, to the input of the first cascade of which is connected to ( by the k-1) -th scale resistor, the first output of the k-th scale resistor and the second output of the k-th scale resistor, to the output of the j-th stage of the j-stage cascade DC amplifier, the connection point of the first terminal of the first scale cut is connected the torus to the second terminal of the bucking coil.

В частном случае выполнения преобразователя инерциальной информации напряжение питания j-каскадного усилителя постоянного тока выполнено большим напряжения питания постоянного тока n -каскадного усилителя постоянного тока. In the particular case of the inertial information converter, the supply voltage of the j-cascade DC amplifier is made large by the DC voltage of the n-cascade DC amplifier.

Посредством введения дополнительно j-каскадного усилителя постоянного тока, подключения к входу первого каскада j-каскадного усилителя постоянного тока k-го масштабного резистора, подключения к выходу j-го каскада j-каскадного усилителя постоянного тока точки соединения первого вывода первого масштабного резистора с компенсационной катушкой обеспечивается получение на масштабных резисторах максимального напряжения, равного максимальному выходному напряжению j-го каскада j-каскадного усилителя постоянного тока. За счет исключения падения напряжения на компенсационной катушке повышаются разрешающая способность и точность измерения преобразователя инерциальной информации. By introducing an additional j-cascade DC amplifier, connecting the k-th scale resistor to the input of the first stage of the j-cascade DC amplifier, connecting the connection point of the first output of the first scale resistor to the compensation coil to the j-stage cascade of the DC amplifier provides on scale resistors the maximum voltage equal to the maximum output voltage of the j-th stage of the j-cascade DC amplifier. By eliminating the voltage drop across the compensation coil, the resolution and measurement accuracy of the inertial information converter are increased.

На фиг.1 представлен общий вид преобразователя инерциальной информации - акселерометра; на фиг.2 - электрическая схема преобразователя инерциальной информации - акселерометра; на фиг.3 - преобразователь инерциальной информации - гироскопический измеритель угловой скорости. Figure 1 presents a General view of the inertial information converter - accelerometer; figure 2 - electrical diagram of the inertial information converter - accelerometer; figure 3 - inertial information converter - gyroscopic angular velocity meter.

Преобразователь инерциальной информации - 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 чувствительного элемента 2 установлен груз 6. Магнитоэлектрический силовой преобразователь содержит установленный в корпус 1 постоянный магнит 7 с диаметральным направлением намагниченности и компенсационную катушку 8 на подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Неподвижные электроды 9', 9'' емкостного преобразователя 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 inertial information converter - accelerometer (Fig. 1) contains 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 is installed on the movable part of the sensing element 2 6. Magnetoelectric power the converter comprises a permanent magnet 7 installed in the housing 1 with a diametrical direction of magnetization and a compensation coil 8 on the moving part 3 of the sensing element 2. Fixed electrodes 9 ', 9 '' capacitive position transducers are located on a permanent magnet 7, and the movable electrode is made in the form of an electrically conductive surface of the movable part 3 of the sensing element 2. The sensing element 2 can be made, for example, of single-crystal silicon by anisotropic etching.

Корпус 1 закрыт крышкой 10. Case 1 is closed by cover 10.

Преобразователь положения (фиг.2) в преобразователе инерциальной информации - акселерометре выполнен по мостовой схеме и содержит конденсаторы C1, С2 и резисторы R1, R2. Конденсатор C1 образован неподвижным электродом 9' и электропроводной поверхностью подвижной части 3 чувствительного элемента 2. Конденсатор С2 образован неподвижным электродом 9'' и электропроводной поверхностью подвижной части 3 чувствительного элемента 2. К одной диагонали мостовой схемы преобразователя положения подведено напряжение питания U₁ от источника переменной ЭДС. Выход преобразователя положения соединен с входом усилителя 11, выход которого соединен с входом первого каскада 12 ^' n-каскадного усилителя постоянного тока, запитанного напряжением U₂ от источника питания постоянного тока. Один вывод компенсационной катушки 8 магнитоэлектрического силового преобразователя подключен к выходу n-го каскада 12⁽ⁿ⁾ n-каскадного усилителя постоянного тока. Второй вывод компенсационной катушки 8 подсоединен к первому выводу первого масштабного резистора R_M1, к второму выводу которого подключены последовательно соединенные масштабные резисторы R_M2, R_Mk-1,R_Mk. К входу первого каскада 13' j-каскадного усилителя постоянного тока подключен первый вывод k-го масштабного резистора R_MK, соединенного с (k-1)-ым масштабным резистором R_MK-1. Второй вывод масштабного резистора R_MK соединен с входом первого каскада 13' j-каскадного усилителя постоянного тока посредством общего провода. Выход j-го каскада 13^(j) j-каскадного усилителя постоянного тока подсоединен к точке соединения первого вывода первого масштабного резистора R_M1 с вторым выводом компенсационной катушки 8. Напряжением U₃ от источника питания постоянного тока запитан j-каскадный усилитель постоянного тока. Напряжение U₃ может быть выполнено большим напряжения U₂.The position converter (figure 2) in the inertial information converter - accelerometer is made according to the bridge circuit and contains capacitors C1, C2 and resistors R1, R2. The capacitor C1 is formed by a fixed electrode 9 'and the conductive surface of the moving part 3 of the sensing element 2. The capacitor C2 is formed by the fixed electrode 9''and the conductive surface of the moving part 3 of the sensing element 2. A supply voltage U ₁ from the variable source is connected to one diagonal of the bridge circuit of the position converter EMF. The output of the position converter is connected to the input of the amplifier 11, the output of which is connected to the input of the first stage 12 ^{'of the} n-cascade DC amplifier, powered by voltage U ₂ from the DC power source. One output of the compensation coil 8 of the magnetoelectric power converter is connected to the output of the nth cascade 12 ^{(n) of the} n-cascade DC amplifier. The second terminal of the compensation coil 8 is connected to the first terminal of the first scale resistor R _M1 , the second terminal of which is connected in series with the scale resistors R _M2 , R _Mk-1 , R _Mk . To the input of the first stage 13 'of the j-cascade DC amplifier, the first output of the k-th scale resistor R _MK connected to the (k-1) -th scale resistor R _{MK-1 is} connected. The second output of the scale resistor R _{MK is} connected to the input of the first stage 13 'of the j-cascade DC amplifier through a common wire. The output of the j-th cascade 13 ^{(j) of the} j-cascade DC amplifier is connected to the junction point of the first output of the first large-scale resistor R _M1 with the second output of the compensation coil 8. A j-cascade DC amplifier is supplied with voltage U ₃ from the DC power source. The voltage U ₃ can be made large voltage U ₂ .

Преобразователь инерциальной информации - 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 С2 уменьшается, происходит разбаланс мостовой схемы преобразователя положения, и с выхода преобразователя положения на усилитель 11 поступает переменный сигнал рассогласования следящей системы преобразователя инерциальной информации - акселерометра. После его усиления и преобразования в сигнал постоянного тока в усилителе 11 он усиливается по напряжению и мощности в n-каскадном усилителе постоянного тока (каскады 12', 12''...12⁽ⁿ⁾), с n-го каскада 12⁽ⁿ⁾ которого напряжение подается на состоящую из включенных последовательно компенсационной катушки 8 и масштабных резисторов R_M1, R_M2...R_MK цепь.The inertial information converter - accelerometer (figure 1, 2) works as follows. In the presence of acceleration, the 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 9-inch electrode. Then the capacitance of the capacitor C1 increases, the capacitance of the capacitor C2 decreases, the bridge circuit of the position transducer is unbalanced, and from the output of the position transducer to the amplifier 11 an alternating error signal of the tracking system of the inertial information transducer - accelerometer is received. After it is amplified and converted into a direct current signal in amplifier 11, it is amplified by voltage and power in an n-stage DC amplifier (stages 12 ', 12''... 12 ⁽ⁿ⁾ ), from the nth stage 12 ^{(n )} whose voltage is supplied to the circuit consisting of a compensation coil 8 connected in series and scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK .

Протекающим через компенсационную катушку 8 током I₁ в магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационная сила, уравновешивающая инерционную силу.A current I ₁ flowing through the compensation coil 8 in the magnetoelectric power converter creates a compensation force balancing the inertial force.

Напряжение, полученное с выхода j-го каскада 13^(j) j-каскадного усилителя постоянного тока после усиления в нем напряжения с k-го масштабного резистора R_MK, подается на масштабные резисторы R_M1, R_M2...R_MK. Ток I_I через компенсационную катушку 8 и ток I₂ с выхода j-го каскада j-каскадного усилителя постоянного тока создают на масштабных резисторах R_M1, R_M2...R_MK падение напряжения U₄, являющееся мерой измеряемого преобразователем инерциальной информации ускорения. Максимальная величина напряжения U₄ близка к напряжению питания (U₃) j -го каскада j -каскадного усилителя постоянного тока. При U₂ = U₃ нa верхнем пределе диапазона измерений максимальная величина напряжения. U₄ близка к напряжению питания U₂. Поэтому как бы устраняется падение напряжения на компенсационной катушке 8 для получения максимальной величины напряжения U₄ на масштабных резисторах R_M1, R_M2...R_MK. При большей величине напряжения U₄ обеспечивается повышение разрешающей способности измерения ускорения посредством преобразователя инерциальной информации - акселерометра.The voltage obtained from the output of the j-th stage 13 ^{(j) of the} j-cascade DC amplifier after amplifying the voltage from the k-th scale resistor R _{MK in it} , is supplied to the scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK . The current I _I through the compensation coil 8 and the current I ₂ from the output of the jth stage of the j-cascade DC amplifier create a voltage drop U ₄ on the large-scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK , which is a measure of the acceleration measured by the inertial information converter. The maximum voltage U ₄ is close to the supply voltage (U ₃ ) of the jth stage of the j -stage DC amplifier. When U ₂ = U ₃ at the upper limit of the measuring range, the maximum voltage value. U ₄ is close to the supply voltage U ₂ . Therefore, the voltage drop across the compensation coil 8 is somehow eliminated in order to obtain the maximum voltage U ₄ at the scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK . With a larger value of voltage U ₄ , an increase in the resolution of the measurement of acceleration by means of an inertial information converter, an accelerometer, is provided.

В преобразователе инерциальной информации - гироскопическом измерителе угловой скорости (фиг.3) - чувствительный элемент 14 (ротор гироскопа) с кинетическим моментом Н по оси Z установлен в корпусе посредством подшипников 15', 15'', обеспечивающих свободу углового перемещения чувствительного элемента 14 относительно оси X. По оси Х установлены преобразователь углового положения 16, например потенциометрического типа, и магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом 17 и компенсационной катушкой, состоящей из последовательно соединенных секций 18', 18''. Выход преобразователя углового положения 16 подключен к входу усилителя 19, к выходу которого подключен вход первого каскада 12' n-каскадного усилителя постоянного тока. Первый вывод компенсационной катушки от секции 18' подключен к выходу n-го каскада 12⁽ⁿ⁾ n-каскадного усилителя постоянного тока. Второй вывод компенсационной катушки от секции 18'' подсоединен к первому выводу первого масштабного резистора R_M1, к второму выводу которого подключены последовательно соединенные масштабные резисторы R_M2, R_M3...R_MK. К входу первого каскада 13' j-каскадного усилителя постоянного тока подключен первый вывод k-го масштабного резистора R_MK, соединенного с (k-1)-ым масштабным резистором R_MК-1. Выход j-го каскада 13^(j) j-каскадного усилителя постоянного тока подсоединен к точке соединения первого масштабного резистора R_M1 с вторым выводом секции 18'' компенсационной катушки.In the inertial information converter — the gyroscopic angular velocity meter (FIG. 3) —the sensing element 14 (gyroscope rotor) with the kinetic moment H along the Z axis is installed in the housing by means of bearings 15 ', 15''providing freedom of angular movement of the sensitive element 14 relative to the axis X. An X-axis transducer 16, for example, of a potentiometric type, and a magnetoelectric power transducer with a permanent magnet 17 and a compensation coil, consisting of a follower, are installed along the X axis of connected sections 18 ', 18''. The output of the angular position converter 16 is connected to the input of the amplifier 19, the output of which is connected to the input of the first stage 12 'of the n-cascade DC amplifier. The first output of the compensation coil from section 18 ′ is connected to the output of the nth stage 12 ^{(n) of the} n-stage DC amplifier. The second terminal of the compensation coil from section 18 ″ is connected to the first terminal of the first scale resistor R _M1 , the second terminal of which is connected in series with the scale resistors R _M2 , R _M3 ... R _MK . The first output of the k-th scale resistor R _MK connected to the (k-1) -th scale resistor R _MK-1 is connected to the input of the first stage 13 'of the j-cascade DC amplifier. The output of the j-th cascade 13 ^{(j) of the} j-cascade DC amplifier is connected to the connection point of the first scale resistor R _M1 with the second output of the compensation coil section 18 ''.

Преобразователь инерциальной информации - гироскопический измеритель угловой скорости (фиг. 3), работает следующим образом. При наличии угловой скорости ω по оси Y чувствительный элемент 14 под действием гироскопического момента разворачивается относительно оси X. Преобразователь углового положения 16 измеряет угловое перемещение чувствительного элемента 14 и выдает сигнал в усилитель 19, который далее усиливается в n-каскадном усилителе постоянного тока, c выхода последнего каскада 12⁽ⁿ⁾ которого напряжение подается на компенсационную катушку с секциями 18', 18'' и масштабные резисторы R_M1, R_M2...R_MK. Протекающим через секции 18', 18'' компенсационной катушки током I₁ в магнитоэлектрическом силовом преобразователе создается компенсационный момент, уравновешивающий гироскопический момент.The inertial information converter - gyroscopic measuring of angular velocity (Fig. 3), works as follows. If there is an angular velocity ω along the Y axis, the sensor 14 under the action of a gyroscopic moment rotates relative to the X axis. The angular position transducer 16 measures the angular displacement of the sensor 14 and gives a signal to the amplifier 19, which is further amplified in an n-cascade DC amplifier, from the output the last stage 12 ^{(n) of} which the voltage is supplied to the compensation coil with sections 18 ', 18''and scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK . The current I ₁ flowing through sections 18 ', 18''of the compensation coil in the magnetoelectric power converter creates a compensation moment balancing the gyroscopic moment.

Напряжение, полученное с выхода j-го каскада 13^(j) j-каскадного усилителя постоянного тока после усиления в нем напряжения с k-го масштабного резистора R_MK подается на масштабные резисторы R_M1, R_M2...R_MK. Tоки I₁ и I₂ создают на масштабных резисторах R_M1, R_M2...R_MK падение напряжения U₄, являющееся мерой измеряемой угловой скорости.The voltage received from the output of the j-th stage 13 ^{(j) of the} j-cascade DC amplifier after amplifying the voltage in it from the k-th scale resistor R _MK is applied to the scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK . Currents I ₁ and I ₂ create a voltage drop U ₄ on scale resistors R _M1 , R _M2 ... R _MK , which is a measure of the measured angular velocity.

Так как напряжение U₄ больше напряжения, создаваемого проходящим через масштабные резисторы R_M1, R_M2. . .R_Mk током I₁, то повышается разрешающая способность измерения угловой скорости. При напряжении питания U₃> U₂ еще более повышается разрешающая способность измерения угловой скорости вследствие большего максимального напряжения U₄.Since the voltage U _{4 is} greater than the voltage created by passing through the large-scale resistors R _M1 , R _M2 . . .R _Mk current I ₁ , then increases the resolution of the measurement of angular velocity. With a supply voltage U ₃ > U ₂ , the resolution of the measurement of angular velocity is further increased due to the larger maximum voltage U ₄ .

Иcточники информации
1. Патент РФ 2028000 кл. G 01 P 15/08, 15/13. Компенсационный акселерометр. 1995 г.Sources of information
1. RF patent 2028000 cells. G 01 P 15/08, 15/13. Compensation Accelerometer. 1995 year

2. Гироскопические системы. Под ред. Д.С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1986 г., с. 64, 65. 2. Gyroscopic systems. Ed. D.S. Pelpore. M .: Higher school, 1986, p. 64, 65.

3. Патент РФ 2107301 кл. G 01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. 1998 г. 3. RF patent 2107301 cl. G 01 P 15/13. Compensation Accelerometer. 1998 year

Claims

1. An inertial information converter, for example, an accelerometer or a gyroscopic angular velocity meter, comprising a sensor, a position transducer, a magnetoelectric power converter, an amplifier with an n-cascade DC amplifier, to the output of the nth stage of which a compensation coil of the magnetoelectric power converter is connected in series and k (k = 2,3 ...) of scale resistors, and one pin of the compensation coil is connected to the output of the nth stage, n-stage ohm DC amplifier, the second output of the compensation coil is connected to the first output of the first of k scale resistors, characterized in that an additional j-cascade DC amplifier is introduced, to the input of the first stage of which the first connected to the (k-1) -th scale resistor is connected the output of the k-th scale resistor and the second output of the k-th scale resistor, the connection point of the first output of the first large-scale resistor with the second compensation terminal is connected to the output of the j-th stage of the j-cascade DC amplifier aation coil.

2. The inertial information converter according to claim 1, characterized in that the DC voltage of the j-cascade DC amplifier is made larger than the DC voltage of the n-cascade DC amplifier.