RU2332674C1

RU2332674C1 - Acceleration measurement device (accelerometer)

Info

Publication number: RU2332674C1
Application number: RU2007114242/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вениаминович Кулешов (RU); Владимир Вениаминович Кулешов; Владимир Ильич Горин (RU); Владимир Ильич Горин
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-08-27

Abstract

FIELD: metrology.

SUBSTANCE: invention is designed to be used as a sensitive element in stabilisation, navigation and guidance systems and can be incorporated with a compensation-type mechanical magnitude meters. The device incorporates a sensitive element, an angle pickup, a pickup of moment, a wind-band amplifier, its output connecting, via data channel, consecutively the first adder, a non-linear link with a no-sensitivity zone, an integrator and the second adder to the third adder input. The other output of the aforesaid wide-band amplifier is connected, via a non-linear link with a limitation zone and the first threshold link with a zone of ambiguity, to the first adder input. The aforesaid non-linear link with the limitation zone is connected, via the third adder, with input of pickup of moment. Also, the output of the non-linear link with a no-sensitivity zone is connected, via the second threshold link with ambiguity zone, to the second adder input, while the angle pickup output is connected to the wind-band amplifier input. The output of the non-linear link with a limitation zone makes an output of acceleration measuring device.

EFFECT: expanded pass band, higher accuracy of measurements.

5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.The invention relates to measuring equipment and can be used as an element in stabilization systems for navigation and guidance. It can find application in devices for measuring mechanical values of the compensation type.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК⁶ кл. 6 G01P 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 усилителя отрицательной обратной связью осуществлять компенсацию электрических помех.A device for measuring accelerations is known (RF patent No. 2098833, IPC ⁶ cells. 6 G01P 15/13, publ. 10.12.97) containing a sensing element including two stationary 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 when exposed to electrical noise, a reference voltage source, an electric signal generator, two transistor pairs, three resistors, two capacitors are introduced into it, which allow compensation of electrical noise due to the coverage of the amplifier with negative feedback.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы.The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, since the choice of gain with hard negative feedback is limited by the condition of stability of the system.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (А.С. №742801, МПК⁶ кл. 6 G01P 15/13, опубл. 25.06.80 в бюл. №23), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент, причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель подключен к управляющему входу электронного ключа.The closest in technical solution is the device (AS No. 742801, IPC ⁶ class 6 G01P 15/13, publ. 06/25/80 in bull. No. 23), containing a sensing element, an angle sensor, an integrated feedback amplifier, a sensor moment, an additional integrating amplifier, an electronic key, a threshold element, and the first output of the angle sensor is connected through an integrating feedback amplifier to the torque sensor, and the second output of the angle sensor through a threshold element and an additional integrating amplifier is connected to the control input of the electronic cl yucha.

Недостатком подобного 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.The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement, due to the accuracy of the integrating analog amplifiers and the threshold element. In addition, the accuracy of the measurement depends on the parameters of the electronic key circuit that selects the information.

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 main error of the device is associated with the finiteness of the charge time of the capacitor of the integrating amplifier. This error leads to an aperture error inherent in a similar sampling and information processing scheme.

Настоящее изобретение решает задачу повышения точности измерения ускорений и расширение полосы пропускания устройства.The present invention solves the problem of improving the accuracy of measuring accelerations and expanding the bandwidth of the device.

Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик момента, введены с выхода широкополосного усилителя на вход третьего сумматора последовательно по информационным входам первый сумматор, нелинейное звено с зоной нечувствительности, интегратор, второй сумматор, другой выход широкополосного усилителя через нелинейное звено с зоной ограничения и первый пороговый элемент с зоной неоднозначности соединен с входом первого сумматора, и выход нелинейного звена с зоной ограничения соединен с входом датчика момента через третий сумматор, кроме того, выход нелинейного звена с зоной нечувствительности через второй пороговый элемент с зоной неоднозначности соединен с входом второго сумматора, а выход датчика угла соединен с входом широкополосного усилителя, и выход нелинейного звена с зоной ограничения является выходом устройства для измерения ускорений.This is achieved due to the fact that the first adder, the nonlinear link with the deadband, the integrator, the second adder, and the other broadband output are introduced from the output of the broadband amplifier to the input of the third adder in a device containing a sensitive element, an angle sensor, and a torque sensor. amplifier through a nonlinear link with a restriction zone and the first threshold element with an ambiguity zone is connected to the input of the first adder, and the output of a nonlinear link with a restriction zone is connected with the input of the torque sensor through the third adder, in addition, the output of the nonlinear link with the dead zone through the second threshold element with the ambiguity zone is connected to the input of the second adder, and the output of the angle sensor is connected to the input of the broadband amplifier, and the output of the nonlinear link with the restriction zone is the output of the device for measuring accelerations.

Введение нелинейных элементов в структуру устройства для измерения ускорений, обеспечивает синхронизацию устройства при различных параметрах нелинейных звеньев с зоной нечувствительности, неоднозначности, зоной ограничения и порогового элемента с зоной неоднозначности, уменьшая при этом динамическую ошибку. Кроме того, включение в структуру для измерения ускорений нелинейных элементов, обеспечивают автоколебательный режим работы устройства, что в свою очередь увеличивает полосу пропускания и коэффициент усиления по разомкнутому контуру. Повышение точности достигается не только увеличением коэффициента передачи, но за счет включения в устройство интегратора, что обеспечивает астатизм первого порядка.The introduction of nonlinear elements into the structure of the device for measuring accelerations ensures the synchronization of the device for various parameters of nonlinear links with a deadband, ambiguity, a restricted zone and a threshold element with an ambiguity, while reducing dynamic error. In addition, the inclusion in the structure for measuring accelerations of nonlinear elements provides a self-oscillating mode of operation of the device, which in turn increases the passband and gain along an open circuit. Improving accuracy is achieved not only by increasing the transmission coefficient, but due to the inclusion of an integrator in the device, which provides first-order astatism.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства; на фиг.2 - схема моделирования устройства; на фиг.3, 4, 5 - результаты моделирования при различных входных воздействиях.Figure 1 shows a block diagram of a device; figure 2 - circuit simulation of the device; figure 3, 4, 5 - simulation results for various input influences.

Предлагаемое устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом широкополосного усилителя 3, выход которого соединен с нелинейным звеном с зоной ограничения 4. Один из выходов нелинейного звена с зоной ограничения 4 соединен с входом первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора 6. Один из выходов широкополосного усилителя 3 соединен с входом первого сумматора 6. Выход первого сумматора 6 соединен с входом нелинейного звена с зоной нечувствительности 7, выход которого соединен с входом интегратора 8. Выход нелинейного звена с зоной нечувствительности 7 соединен также с входом второго порогового элемента с зоной неоднозначности 9. Выходы интегратора 8 и второго порогового элемента с зоной неоднозначности 9 соединены с входом второго сумматора 10. Выходы нелинейного звена с зоной ограничения 4 и второго сумматора 10 соединены с входом третьего сумматора 11, выход которого соединен с входом датчика момента 12.The proposed device for measuring accelerations contains a sensing element 1, the deviation of which captures the angle sensor 2. The output of the angle sensor 2 is connected to the input of a broadband amplifier 3, the output of which is connected to a nonlinear link with a restriction zone 4. One of the outputs of a nonlinear link with a restriction zone 4 is connected to the input of the first threshold element with an ambiguity zone 5, the output of which is connected to one of the inputs of the first adder 6. One of the outputs of the broadband amplifier 3 is connected to the input of the first adder 6. The output of the adder 6 is connected to the input of the nonlinear link with the dead zone 7, the output of which is connected to the input of the integrator 8. The output of the nonlinear link with the dead zone 7 is also connected to the input of the second threshold element with the ambiguity zone 9. The outputs of the integrator 8 and the second threshold element with the ambiguity zone 9 are connected to the input of the second adder 10. The outputs of the nonlinear link with the restriction zone 4 and the second adder 10 are connected to the input of the third adder 11, the output of which is connected to the input of the torque sensor 12.

Внутреннее содержание и схемы реализации нелинейных звеньев с зонами ограничения и нечувствительности, порогового элемента с зоной неоднозначности, интегратора, сумматора и широкополосного усилителя приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. "Искусство схемотехники". М.: Мир, т. 1-3, 1993.The internal content and implementation schemes of nonlinear links with zones of restriction and insensitivity, a threshold element with an ambiguity zone, an integrator, an adder, and a broadband amplifier are given in the book: P. Horowitz, W. Hill. "The art of circuitry." M .: World, t. 1-3, 1993.

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

При действии ускорения на чувствительный элемент 1 происходит отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием инерционного момента, которое фиксируется датчиком угла 2. Сигнал с датчика угла 2, в виде напряжения, поступает на вход широкополосного усилителя 3. Напряжение с широкополосного усилителя 3 подается как на вход нелинейного звена с зоной ограничения 4, так и на вход первого сумматора 6. Напряжение с выхода нелинейного звена с зоной ограничения 4 подается на вход первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5, и выход с первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5, в виде уровня напряжения, в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1 поступает на вход первого сумматора 6. Смещенный по уровню сигнал с выхода первого сумматора 6 поступает на вход нелинейного звена с зоной нечувствительности 7, а затем на вход интегратора 8, включение и выключение которого осуществляет второй пороговый элемент с зоной неоднозначности 9, и срабатывание интегратора происходит в зависимости от модуля напряжения. Сигналы с выхода интегратора 8 и второго порогового элемента с зоной неоднозначности 9 поступают на вход второго сумматора 10 и на выходе с второго сумматора 10 сигнал в виде уровня напряжения поступает на один из входов третьего сумматора 11. Выходное напряжение с третьего сумматора 11, смещенное по уровню в зависимости от фазы ускорения, подается на вход датчика момента 12, и развиваемый момент датчиком момента 12 компенсирует отклонение чувствительного элемента 1 по модулю и знаку в зависимости от фазы действующего ускорения.Under the action of acceleration on the sensor 1, the sensor 1 deviates due to the inertia moment, which is detected by the angle sensor 2. The signal from the angle sensor 2, in the form of a voltage, is fed to the input of the broadband amplifier 3. The voltage from the broadband amplifier 3 is supplied as an input a nonlinear link with a restriction zone 4, and the input of the first adder 6. The voltage from the output of a nonlinear link with a restriction zone 4 is applied to the input of the first threshold element with an ambiguity zone 5, and the output from the first threshold element with an ambiguity zone 5, in the form of a voltage level, depending on the phase of deviation of the sensitive element 1, is fed to the input of the first adder 6. The level-shifted signal from the output of the first adder 6 is fed to the input of a nonlinear link with a dead zone 7, and then to the input of the integrator 8, the switching on and off of which is carried out by a second threshold element with an ambiguity zone 9, and the operation of the integrator occurs depending on the voltage module. The signals from the output of the integrator 8 and the second threshold element with an ambiguity zone 9 are fed to the input of the second adder 10 and the output from the second adder 10, the signal in the form of a voltage level is supplied to one of the inputs of the third adder 11. The output voltage from the third adder 11, shifted in level depending on the phase of acceleration, it is fed to the input of the torque sensor 12, and the moment developed by the torque sensor 12 compensates for the deviation of the sensing element 1 modulo and sign depending on the phase of the current acceleration.

Предложенное устройство для измерения ускорений работает в автоколебательном режиме и выходное напряжение с выхода нелинейного звена с зоной ограничения 4, в виде широтно-импульсной модуляции, может быть обработано по одному из способов, реализованных в патентах: РФ №2189046 С1, кл. G01P 15/13, опубл. 10.09.02 в Бюл. №25, №2171995 С1, кл. G01P 15/13, опубл. 10.08.01 в Бюл. №22.The proposed device for measuring accelerations operates in self-oscillating mode and the output voltage from the output of a nonlinear link with a restriction zone of 4, in the form of pulse-width modulation, can be processed using one of the methods implemented in patents: RF №2189046 C1, cl. G01P 15/13, publ. 09/10/02 in Bul. No. 25, No. 2171995 C1, cl. G01P 15/13, publ. 08/10/01 to Bull. Number 22.

Введение в устройство для измерения ускорений нелинейных элементов позволило изменить частоту среза характеристики разомкнутого контура (расширить полосу пропускания и коэффициент усиления), и изменение параметров устройства производится в соответствии с величиной сигнала рассогласования. Для линейных устройств (прототип) измерения ускорений параметры остаются постоянными и не зависят от величины сигнала рассогласования, что ограничивают как точность, так и полосу пропускания. В предлагаемом устройстве для измерения ускорений реализовано как изменение усиления по разомкнутому контуру, так и изменение постоянной времени чувствительного элемента, при этом происходит фильтрация высокочастотных помех при малых значениях рассогласования. Введение в устройство нелинейных элементов приводит также к устранению динамической ошибки, что в свою очередь повышает точность.The introduction of nonlinear elements into the device for measuring accelerations made it possible to change the cutoff frequency of the open loop characteristics (to expand the passband and gain), and the device parameters are changed in accordance with the value of the error signal. For linear devices (prototype), acceleration measurements, the parameters remain constant and do not depend on the value of the error signal, which limits both accuracy and bandwidth. In the proposed device for measuring acceleration, both a change in the gain along an open circuit and a change in the time constant of the sensitive element are implemented, while high-frequency interference is filtered at low values of the mismatch. The introduction of nonlinear elements into the device also eliminates the dynamic error, which in turn increases accuracy.

Полученные результаты подтверждены моделированием устройства по схеме (фиг.2), и результаты моделирования при различных входных воздействиях приведены при: Х<0 (фиг.3), Х=0 (фиг.4) и Х>0 (фиг.5), где Х - входное воздействие. Из анализа полученных результатов следует, что в предложенном устройстве для измерения ускорений имеют место устойчивые автоколебания, изменяющиеся по фазе в зависимости от знака входного воздействия и относительное изменение частоты которых пропорционально действующему ускорению.The results obtained are confirmed by modeling the device according to the scheme (Fig. 2), and the simulation results for various input influences are shown for: X <0 (Fig. 3), X = 0 (Fig. 4) and X> 0 (Fig. 5), where X is the input action. From the analysis of the results obtained, it follows that in the proposed device for measuring accelerations there are stable self-oscillations that change in phase depending on the sign of the input effect and the relative frequency change of which is proportional to the actual acceleration.

Claims

A device for measuring accelerations containing a sensor, an angle sensor and a torque sensor, characterized in that it is introduced from the output of the broadband amplifier to the input of the third adder in series through the information inputs of the first adder, a nonlinear link with a deadband, an integrator, a second adder, another output a broadband amplifier through a nonlinear link with a restriction zone and the first threshold element with an ambiguity zone is connected to the input of the first adder, and the output of the nonlinear link with the zone og the counter is connected to the input of the torque sensor through the third adder, in addition, the output of the nonlinear link with the dead zone through the second threshold element with the ambiguity zone is connected to the input of the second adder, and the output of the angle sensor is connected to the input of the broadband amplifier, and the output of the non-linear link with the restriction zone is the output of the device for measuring acceleration.