RU2397497C1 - Acceleration measurement device - Google Patents

Acceleration measurement device Download PDF

Info

Publication number
RU2397497C1
RU2397497C1 RU2009103736/28A RU2009103736A RU2397497C1 RU 2397497 C1 RU2397497 C1 RU 2397497C1 RU 2009103736/28 A RU2009103736/28 A RU 2009103736/28A RU 2009103736 A RU2009103736 A RU 2009103736A RU 2397497 C1 RU2397497 C1 RU 2397497C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
position sensor
filter
power converter
Prior art date
Application number
RU2009103736/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Вениаминович Кулешов (RU)
Владимир Вениаминович Кулешов
Дмитрий Владимирович Кулешов (RU)
Дмитрий Владимирович Кулешов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ)
Priority to RU2009103736/28A priority Critical patent/RU2397497C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2397497C1 publication Critical patent/RU2397497C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention is designed for use as a detecting element in stabilisation and navigation systems and can be used in devices for measuring compensation type mechanical quantities. The device has a detecting element, a position sensor whose output is connected to the input of an amplifier, a magnetoelectric power converter and a second-order broadband filter connected in a negative feedback circuit. The output of the broadband filter is connected to the output of ripple filter, and the output to the input of the magnetoelectric power converter through a voltage-to-current converter. The input of the ripple filter is connected to the output of the position sensor through an alternating current amplifier with a stable coefficient of amplification, a logic element, an XOR circuit and a precision relay element. Outputs of the reference voltage generator are connected to the position sensor and to the XOR circuit through a second logic element and the output of the ripple filter is the analogue output of the acceleration measurement device. Use of the second-order broadband filter
Figure 00000006
with parametres ξ2 > ξ1 enables design of a device with a considerable transmission constant on an open circuit.
EFFECT: increased accuracy and wider transmission band.
5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. 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 and navigation systems. It can find application in devices for measuring mechanical values of the compensation type.

Известно устройство для измерения ускорений (А.с. №1795374 А1, кл. G01P 15/13, 15/08, 1993 г.), содержащее чувствительный элемент, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационная катушка которого подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором.A device for measuring accelerations (A.S. No. 1795374 A1, class G01P 15/13, 15/08, 1993) is known, comprising a sensor, a position sensor, an amplifier, a magnetoelectric power converter, the compensation coil of which is connected to the output of the amplifier moreover, a circuit of series-connected first and second resistors is connected to the compensation coil, and the first resistor is shunted by a capacitor.

Недостатком такого компенсационного акселерометра является динамическая погрешность, обусловленная включением параллельно одному из резисторов конденсатора, что равносильно введению в акселерометр апериодического звена.The disadvantage of such a compensation accelerometer is the dynamic error due to the inclusion of a capacitor in parallel to one of the resistors, which is equivalent to the introduction of an aperiodic link into the accelerometer.

Наиболее близким по технической сущности является компенсационный акселерометр (Патент RU №2210781 С2, кл. 7 G01P 15/13, опубл. 2003.08.20), содержащий чувствительный элемент акселерометра, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационную катушку, которая подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором. К точке соединения компенсационной катушки из последовательно соединенных первого и второго резисторов подключено интегродифференцирующее звено с передаточной функцией

Figure 00000001
(Т1, T2 - соответственно постоянные времени T2>T1, s - преобразователь Лапласа
Figure 00000002
). Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность, которая ограничена коэффициентом усиления по разомкнутому контуру (фиг.4, 5).The closest in technical essence is a compensation accelerometer (Patent RU No. 2210781 C2, cl. 7 G01P 15/13, publ. 2003.08.20) containing a sensitive element of the accelerometer, a position sensor, an amplifier, a magnetoelectric power converter, a compensation coil that is connected to the output of the amplifier, and a circuit from series-connected first and second resistors is connected to the compensation coil, and the first resistor is shunted by a capacitor. An integro-differentiating link with a transfer function is connected to the connection point of the compensation coil from the first and second resistors connected in series
Figure 00000001
(T 1 , T 2 - respectively, the time constants T 2 > T 1 , s - Laplace transform
Figure 00000002
) The disadvantage of the compensation accelerometer is the small bandwidth and low accuracy, which is limited by the gain along the open loop (Fig.4, 5).

Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений и повышение точности измерения.An object of the present invention is to expand the bandwidth of an accelerometer and increase the accuracy of the measurement.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, введен, в отрицательную обратную связь, широкополосный фильтр второго порядка

Figure 00000003
с параметрами ζ2>ζ1, вход, которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход с входом магнитоэлектрического силового преобразователя через преобразователь напряжение-ток, кроме того, вход сглаживающего фильтра соединен с выходом датчика положений через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, а выходы генератора опорного напряжения соединены как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.This is achieved by the fact that in the device for measuring acceleration containing a sensing element, a position sensor, the output of which is connected to the input of an alternating current amplifier, a magnetoelectric power converter included in the negative feedback is inserted into the negative feedback, a second-order broadband filter
Figure 00000003
with parameters ζ 2 > ζ 1 , the input of which is connected to the output of the smoothing filter, and the output with the input of the magnetoelectric power converter through the voltage-current converter, in addition, the input of the smoothing filter is connected to the output of the position sensor through an alternating current amplifier connected in series through the information inputs , which is made with a stable gain, the first logic element, the circuit excluding "or", a precision relay element, and the outputs of the reference voltage generator are connected as a position sensor, and with the circuit eliminating "or" through the second logic element, and the output from the smoothing filter is the analog output of the device for measuring accelerations.

Введение в устройство для измерения ускорений широкополосного фильтра второго порядка

Figure 00000003
с параметрами ζ2>ζ1 (где ζ1 и ζ2 относительные коэффициенты демпфирования, Т1 - постоянная времени, s - преобразователь Лапласа) позволяет реализовать устройство со значительным коэффициентом передачи по разомкнутому контуру, повысить точность и расширить полосу пропускания.Introduction to a Second-Order Broadband Filter Acceleration Measurement Device
Figure 00000003
with parameters ζ 2 > ζ 1 (where ζ 1 and ζ 2 are relative damping coefficients, T 1 is the time constant, s is the Laplace converter) allows you to implement a device with a significant open-loop transmission coefficient, improve accuracy and expand the passband.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.2 - структурная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.3, 4, 5 - схема моделирования и переходные процессы в устройстве для измерения ускорений при единичном входном воздействии и при различных значениях коэффициента передачи по разомкнутому контуру в предлагаемом устройстве и прототипе.Figure 1 shows a functional diagram of a device for measuring acceleration; figure 2 is a structural diagram of a device for measuring acceleration; figure 3, 4, 5 is a simulation diagram and transients in a device for measuring acceleration at a single input exposure and at different values of the transfer coefficient over an open loop in the proposed device and prototype.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого фиксирует датчик положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 3. Выходная обмотка датчика положения 2 соединена с усилителем переменного тока со стабильным коэффициентом усиления 4, выход которого соединен с входом первого логического элемента 5. Вход второго логического элемента 6 соединен с одним из выходов генератора опорного напряжения 3, а выход соединен с одним из входов схемы исключающее "или" 7, другой вход схемы исключающее "или" 7 соединен с выходом первого логического элемента 5. Выход схемы исключающее "или" 7 соединен с входом прецизионного релейного элемента 8, выход которого соединен с входом сглаживающего фильтра 9. Выход сглаживающего фильтра 9 соединен с входом широкополосного фильтра второго порядка 10, выход которого, через преобразователь напряжение-ток 11, соединен с входом магнитоэлектрического силового преобразователя 12.The device for measuring accelerations contains a sensing element 1, the angular position of which is fixed by the position sensor 2, the field winding of which is connected to the reference voltage generator 3. The output winding of the position sensor 2 is connected to an AC amplifier with a stable gain of 4, the output of which is connected to the input of the first logical element 5. The input of the second logic element 6 is connected to one of the outputs of the reference voltage generator 3, and the output is connected to one of the inputs of the circuit exclusive "or" 7, the other input of the circuit exclusive "or" 7 is connected to the output of the first logic element 5. The output of the circuit exclusive "or" 7 is connected to the input of the precision relay element 8, the output of which is connected to the input of the smoothing filter 9. The output of the smoothing filter 9 is connected to the input of the broadband filter of the second order 10, the output of which, through a voltage-current converter 11, is connected to the input of the magnetoelectric power converter 12.

Внутреннее содержание генератора, логических элементов, схемы сравнения, схемы исключающее "или", усилителя, сглаживающего фильтра, широкополосного фильтра второго порядка, прецизионного релейного элемента и преобразователя напряжение-ток приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.The internal contents of the generator, logic elements, comparison circuits, exclusive "or" circuits, amplifier, smoothing filter, second-order broadband filter, precision relay element and voltage-current converter are given in the book: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. M.: Mir, t.1-3, 1993.

Работа устройства для измерения ускорений осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения, фиксируется датчиком положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором несущей частоты 3. Выходной сигнал с датчика положения 2 имеет фазу 0° либо 180° относительно несущей частоты. Выходной сигнал с датчика положения 2 усиливается усилителем переменного тока 4 со стабильным коэффициентом усиления. С выхода первого логического элемента 5 входной сигнал с усилителя 4 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с частотой генератора опорного напряжения 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора опорного напряжения 3. На выходе логического элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме сигналу с первого логического элемента 5. Выходные сигналы с 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы исключающее "или" - 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей операцию логического сложения. Если сигналы с 5 и 6 имеют нулевой фазовый сдвиг, то на выходе схемы 7 имеем логический "0", если же сигналы с 5 и 6 имеют фазовый сдвиг, отличный от нуля, то на выходе 7 имеем логическую "1". Форма выходного сигнала с 7 аналогична форме сигналов со схем 5 и 6. Выходной сигнал с выхода 7 поступает на вход прецизионного релейного элемента 8, переключение которого происходит на несущей частоте генератора 3, и осуществляется фиксация уровня сигнала с выхода 7. Сглаживающий фильтр 9 осуществляет выделение уровня сигнала с выхода 8 в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1. Широкополосный фильтр второго порядка с параметрами ζ2>ζ1-10 обеспечивает заданную форму переходного процесса в устройстве и включен на выход фильтра 9. Так как входом для магнитоэлектрического силового преобразователя 12 является ток, то с выхода широкополосного фильтра второго порядка 10 включен преобразователь напряжение-ток 11, выход которого соединен с токовой обмоткой магнитоэлектрического силового преобразователя 12. Магнитоэлектрический силовой преобразователь 12 развивает момент, который устраняет угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения.The operation of the device for measuring acceleration is as follows. The deviation of the sensor element 1, under the action of acceleration, is detected by the position sensor 2, the field winding of which is connected to the carrier frequency generator 3. The output signal from the position sensor 2 has a phase of 0 ° or 180 ° relative to the carrier frequency. The output signal from the position sensor 2 is amplified by an AC amplifier 4 with a stable gain. From the output of the first logic element 5, the input signal from the amplifier 4 is presented in the form of a rectangular signal with a frequency of the reference voltage generator 3. To isolate the phase of the deviation of the sensitive element 1, a second logic element 6 is provided, the input of which is a signal from the reference voltage generator 3. At the output logical element 6 will be a signal similar in shape to the signal from the first logical element 5. The output signals 5 and 6, shifted in phase, are fed to the inputs of the circuit exclusive "or" - 7 (addition circuit p about the module "2"), performing the operation of logical addition. If signals from 5 and 6 have a zero phase shift, then at the output of circuit 7 we have a logical "0", but if signals from 5 and 6 have a phase shift other than zero, then at output 7 we have a logical "1". The shape of the output signal from 7 is similar to the shape of the signals from circuits 5 and 6. The output signal from output 7 is fed to the input of a precision relay element 8, which is switched at the carrier frequency of the generator 3, and the signal level is fixed from output 7. The smoothing filter 9 selects the signal level from output 8 in accordance with the phase of the deviation of the sensitive element 1. A second-order broadband filter with parameters ζ 2 > ζ 1 -10 provides a given transient shape in the device and is connected to the output of the fil 9. 9. Since the input to the magnetoelectric power converter 12 is current, a voltage-current converter 11 is connected from the output of the second-order broadband filter 10, the output of which is connected to the current winding of the magnetoelectric power converter 12. The magnetoelectric power converter 12 develops a moment that eliminates the angular deviation of the sensing element 1 caused by the action of acceleration.

Структурная схема предлагаемого устройства для измерения ускорений, представленная на фиг.2, была промоделирована с параметрами, указанными на фиг.3. Результаты моделирования, при различных значениях коэффициента передачи (K=1000 для предлагаемого устройства и K=1,10 для прототипа), приведены на фиг.4 и 5. Из анализа переходных процессов (фиг.4 и 5) следует, что в предлагаем устройстве, за счет введения в отрицательную обратную связь широкополосного фильтра второго порядка, можно реализовать значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, а следовательно, повысить точность измерения, расширить полосу пропускания и обеспечить устойчивость.The structural diagram of the proposed device for measuring acceleration, presented in figure 2, was modeled with the parameters indicated in figure 3. The simulation results, at different values of the transmission coefficient (K = 1000 for the proposed device and K = 1.10 for the prototype), are shown in Figs. 4 and 5. From the analysis of transients (Figs. 4 and 5), it follows that in the proposed device , due to the introduction of a second-order broadband filter into negative feedback, it is possible to realize a significant open-loop transmission coefficient, and therefore, increase the measurement accuracy, expand the passband, and ensure stability.

Введение в устройство логических схем, прецизионного релейного элемента, сглаживающего фильтра, широкополосного фильтра второго порядка позволяет уменьшить статическую ошибку, расширить полосу пропускания и уменьшить влияние погрешностей элементов, входящих в прямую цепь.The introduction into the device of logic circuits, a precision relay element, a smoothing filter, a second-order broadband filter can reduce the static error, expand the passband and reduce the influence of errors of elements included in the direct circuit.

Claims (1)

Устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, отличающееся тем, что в него введен в отрицательную обратную связь широкополосный фильтр второго порядка
Figure 00000004
с параметрами ζ2>ζ1, где ζ2>ζ1 - относительные коэффициенты демпфирования, Т1, T2 - постоянные времени T1>T2, s - преобразователь Лапласа
Figure 00000002
, вход которого соединен с выходом сглаживающего фильтра, а выход - с входом магнитоэлектрического силового преобразователя через преобразователь напряжение-ток, кроме того, вход сглаживающего фильтра соединен с выходом датчика положений через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, а выходы генератора опорного напряжения соединены как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений. A device for measuring accelerations, comprising a sensor, a position sensor, the output of which is connected to the input of an AC amplifier, a magnetoelectric power converter included in the negative feedback, characterized in that a second-order broadband filter is introduced into the negative feedback
Figure 00000004
with parameters ζ 2 > ζ 1 , where ζ 2 > ζ 1 are the relative damping coefficients, T 1 , T 2 are the time constants T 1 > T 2 , s is the Laplace transform
Figure 00000002
the input of which is connected to the output of the smoothing filter, and the output is connected to the input of the magnetoelectric power converter through a voltage-current converter, in addition, the input of the smoothing filter is connected to the output of the position sensor through an alternating current amplifier connected in series to the information inputs, which is made with a stable gain , the first logic element, the circuit excluding "or", a precision relay element, and the outputs of the reference voltage generator are connected as with a position sensor, and with the circuit exclusive "or" through the second logic element, and the output from the smoothing filter is the analog output of the device for measuring accelerations.
RU2009103736/28A 2009-02-04 2009-02-04 Acceleration measurement device RU2397497C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009103736/28A RU2397497C1 (en) 2009-02-04 2009-02-04 Acceleration measurement device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009103736/28A RU2397497C1 (en) 2009-02-04 2009-02-04 Acceleration measurement device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2397497C1 true RU2397497C1 (en) 2010-08-20

Family

ID=46305603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009103736/28A RU2397497C1 (en) 2009-02-04 2009-02-04 Acceleration measurement device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2397497C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2478211C1 (en) * 2011-11-03 2013-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Compensation accelerometer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2478211C1 (en) * 2011-11-03 2013-03-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) Compensation accelerometer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2400761C1 (en) Acceleration measurement device
Depari et al. Autobalancing analog front end for full-range differential capacitive sensing
US9910073B2 (en) Measurement circuit
RU2449293C1 (en) Compensation accelerometer
US20160084871A1 (en) Dual-functional resonant magnetic field sensor
RU2631019C1 (en) Compensation accelerometer
US20120183016A1 (en) Temperature detection circuit and sensor device
RU2397498C1 (en) Compensation accelerometre
RU2397497C1 (en) Acceleration measurement device
RU2405160C1 (en) Acceleration measurement device
RU2478211C1 (en) Compensation accelerometer
RU2724241C1 (en) Compensatory accelerometer
JP5184657B2 (en) Geomagnetic sensor
US20110314328A1 (en) Device for determining an error induced by a high-pass filter and associated error correction method
Lei et al. An oversampled capacitance-to-voltage converter IC with application to time-domain characterization of MEMS resonators
RU2541720C1 (en) Compensation-type accelerometer
De Marcellis et al. A novel current-based approach for very low variation detection of resistive sensors in wheatstone bridge configuration
RU2411522C1 (en) Compensation accelerometre
RU2541716C1 (en) Accelerometer
RU2676217C1 (en) Compensation accelerometer
RU2341805C1 (en) Compensating accelerometer
RU2754203C1 (en) Acceleration measuring device
Supon et al. A PLL based readout and built-in self-test for MEMS sensors
RU2688878C1 (en) Compensatory accelerometer
RU2688880C1 (en) Accelerometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110205