RU2427845C1

RU2427845C1 - Acceleration measurement device

Info

Publication number: RU2427845C1
Application number: RU2010111303/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вениаминович Кулешов (RU); Владимир Вениаминович Кулешов
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-08-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: acceleration measurement device has a detecting element, a torque sensor, negative and positive feedback, an angle sensor whose output is connected to the input of an amplifier, two differentiating elements in the positive feedback, voltage-to-current converters in the positive and negative feedback, phase detectors of the positive and negative feedback, a reference voltage generator whose outputs are connected to inputs of the angle sensor and phase detectors of the positive and negative feedback, as well as an adder. The device also includes differentiating elements from the output of the amplifier to the inputs of a second adder, where said differentiating elements have transfer functions W(s)=2·ζ₀·T₀·s and W(s)=T₀·s/2·ζ₀ (where s is a Laplace transform operator, T₀ is a time constant, ζ₀ is the relative damping factor) a positive feedback with differentiating elements and a negative feedback.

EFFECT: wider transmission band of the device and higher measurement accuracy.

3 dwg

Description

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

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК⁶ 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 G01P 15/13, publ. 10.12.97) containing a sensing element including two fixed electrodes and a movable plate, three amplifiers, two resistors, and the output of the first amplifier 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, under the influence of electrical noise, a reference voltage source, an electric signal generator, two transistor pairs, three resistors, two capacitors are introduced into it, which allow, due to the coverage of the amplifier with negative feedback, to compensate for electrical noise.

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 (пат. RU №2325662, МПК⁷G01P 15/13, опуб. 27.05.2008, бюл. №15), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первый преобразователь напряжение-ток. местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи и второй преобразователь напряжение-ток, отрицательную обратную связь, охватывающую все устройство, с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, при этом второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор, и второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторыми входами схемы собирания и знакового переключателя, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, введены первое и второе дифференцирующие звенья, в положительную обратную связь, с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение-ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих звеньев, а вход второго дифференцирующего звена соединен с выходом первого дифференцирующего звена и параметрическое дифференцирующее звено второго рода, в отрицательную обратную связь, с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройств.The closest in technical solution is the device (US Pat. RU No. 2225662, IPC ⁷ G01P 15/13, publ. 05/27/2008, bull. No. 15), containing a sensing element, an angle sensor, an amplifier, local positive feedback from the output of the amplifier to the input of the torque sensor through a series-connected phase detector of positive feedback and the first voltage-current converter. local negative feedback from the output of the amplifier to the input of the torque sensor through a series-connected phase negative feedback detector and a second voltage-current converter, negative feedback covering the entire device, from the output of the amplifier to the input of the torque sensor through a series-connected negative feedback phase detector, comparator, first standby synchronous generator, reversible binary counter, additional code to direct converter, collecting circuit (OR), two a primary multiplier, a smoothing filter, a sign switch, while the second output of the comparator is connected to the second input of the reversible binary counter through a second standby synchronous generator, and the second output of the reverse binary counter is connected to the second inputs of the collecting circuit and the sign switch, the outputs of the reference voltage generator are connected to the inputs angle sensor and phase detectors of positive and negative feedback, the outputs of the synchronization circuit are connected to the inputs of the comparator and the waiting synchronous gene rotators, the first and second differentiating links are introduced into positive feedback from the output of the positive feedback phase detector to the input of the first voltage-current converter through an adder, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second differentiating links, and the input of the second differentiating link is connected to the output the first differentiating link and the parametric differentiating link of the second kind, in negative feedback, from the output of the phase detector of negative feedback to the input of the computer arator, and the output of the collection circuit (OR) is the output of the digital code of the devices.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения и малая полоса пропускания.The disadvantage of this device is the low measurement accuracy and low bandwidth.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства и повышение точности измерения.An object of the present invention is to expand the bandwidth of the device and increase the accuracy of the measurement.

Это достигается за счет того, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик момента, отрицательную и положительную обратные связи, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, два дифференцирующих звена в положительной обратной связи, преобразователи напряжение-ток в положительной и отрицательной обратных связях, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами положительной и отрицательной обратных связей, а также сумматор, введены с выхода усилителя на входы второго сумматора третье и четвертое дифференцирующие звенья, причем третье дифференцирующее звено с передаточной функцией W(s)=2·ς₀·T₀·s, вход которого соединен с выходом усилителя, соединено с одним из входов второго сумматора, и через четвертое дифференцирующее звено с передаточной функцией W(s)=T₀·s/2·ς₀ с другим входом второго сумматора, выход усилителя соединен также с одним из входов второго сумматора, положительная обратная связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первое дифференцирующее звено, один из выходов которого соединен с другим входом второго преобразователя напряжение-ток через второе дифференцирующее звено, отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор отрицательной обратной связи, и выходы первого и второго преобразователей напряжение-ток соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с входом датчика момента, и выход второго сумматора является выходом устройства.This is achieved due to the fact that in the device for measuring acceleration containing a sensing element, a torque sensor, negative and positive feedbacks, an angle sensor, the output of which is connected to the amplifier input, two differentiating elements in positive feedback, voltage-current converters in positive and negative feedbacks, phase detectors of positive and negative feedbacks, a reference voltage generator, the outputs of which are connected to the inputs of the angle sensor and phase detectors pos total and negative feedbacks, as well as the adder, the third and fourth differentiating links are introduced from the amplifier output to the inputs of the second adder, the third differentiating link with the transfer function W (s) = 2 · ₀ · T ₀ · s, the input of which is connected to the output of the amplifier is connected to one of the inputs of the second adder, and through the fourth differentiating link with the transfer function W (s) = T ₀ · s / 2 · ς ₀ with another input of the second adder, the output of the amplifier is also connected to one of the inputs of the second adder, positive output feedback the amplifier to the input of the second voltage-current converter through a series-connected phase detector of positive feedback and the first differentiator, one of the outputs of which is connected to the other input of the second voltage-current converter through the second differentiator, negative feedback from the output of the amplifier to the input of the first voltage -current through a phase detector of negative feedback, and the outputs of the first and second voltage-current converters are connected to the inputs of the first Matora whose output is connected to an input torque sensor and the output of the second adder is an output device.

Введение в устройство дифференцирующих звеньев по первой и второй производной в положительную обратную связь обеспечивает расширение полосы пропускания, т.к. эквивалентная постоянная времени устройства для измерения ускорений уменьшилась на величину

. Реализация на выходе устройства для измерения ускорений дифференцирующих звеньев, одного с передаточной функцией 2·ς₀·T₀·s, а другого с передаточной функцией

(результирующая передаточная функция на выходе устройства

), позволяет расширить полосу пропускания и повысить точность. Охват устройства обратными связями, разных знаков, уменьшает относительную погрешность измерения ускорений.The introduction into the device of differentiating units along the first and second derivatives in positive feedback provides an expansion of the passband, because the equivalent time constant of the device for measuring accelerations decreased by

. Implementation at the output of a device for measuring the accelerations of differentiating links, one with a transfer function 2 · ς ₀ · T ₀ · s, and the other with a transfer function

(resulting transfer function at the output of the device

), allows you to expand bandwidth and improve accuracy. Coverage of the device with feedbacks, of different signs, reduces the relative error in measuring accelerations.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема; на фиг.3 - графики переходного процесса в предлагаемом устройстве и в прототипе.Figure 1 shows a functional diagram of a device; figure 2 is a structural diagram; figure 3 - graphs of the transition process in the proposed device and in the prototype.

Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2, выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один из выходов усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС). Выход ФДООС 4 соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 5, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора 6. Выход усилителя 3 соединен также с входом фазового детектора положительной обратной связи 7 (ФДПОС). Выход ФДПОС 7 соединен с входом первого дифференцирующего звена 8, один из выходов которого соединен со входом второго дифференцирующего звена 9. Выходы первого и второго дифференцирующих звеньев 8 и 9 соединены с входом второго преобразователя напряжение-ток 10. Выход преобразователя напряжение-ток 10 соединен с одним из входов первого сумматора 6. Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 7 соединены с выходом генератора опорного напряжения 11 (ГОН). Выход усилителя 3 соединен с входом третьего дифференцирующего звена 13, один из выходов которого соединен как с входом четвертого дифференцирующего звена 14, так с одним из входов второго сумматора 15. Вход второго сумматора 15 соединен также с выходом усилителя 3. Выход с первого сумматора 6 соединен с входом датчика момента 12. Выход второго сумматора 15 является выходом устройства для измерения ускорений.The proposed device contains a sensing element 1, made in the form of a pendulum, the angular deviation of which is detected by the angle sensor 2, the output of the angle sensor 2 is connected to the amplifier 3. One of the outputs of the amplifier 3 is connected to the input of the negative feedback phase detector 4 (FDOOS). The output of the FDOOS 4 is connected to the input of the first voltage-current converter 5, the output of which is connected to one of the inputs of the first adder 6. The output of the amplifier 3 is also connected to the input of the phase detector of positive feedback 7 (FDOS). The output of FDOS 7 is connected to the input of the first differentiating link 8, one of the outputs of which is connected to the input of the second differentiating link 9. The outputs of the first and second differentiating links 8 and 9 are connected to the input of the second voltage-current converter 10. The output of the voltage-current converter 10 is connected to one of the inputs of the first adder 6. The additional inputs of the angle sensor 2, FDOOS 4, FDPOS 7 are connected to the output of the reference voltage generator 11 (GON). The output of the amplifier 3 is connected to the input of the third differentiating link 13, one of the outputs of which is connected both to the input of the fourth differentiating link 14, and to one of the inputs of the second adder 15. The input of the second adder 15 is also connected to the output of the amplifier 3. The output from the first adder 6 is connected with the input of the torque sensor 12. The output of the second adder 15 is the output of the device for measuring accelerations.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, дифференцирующих звеньев, усилителя, генератора опорного напряжения и сумматора описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.The internal contents of the FDOOS, FDOS, differentiating links, amplifier, reference voltage generator and adder are described in the book: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. M.: Mir, t.1-3, 1993.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный mlW (l, m - длинна и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 11. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДПОС 7. ФДПООС 4, ФДПОС 7 и ГОН 11 выделяют фазу отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 7 в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 7 в виде напряжения поступает на вход первого дифференцирующего звена 8 (на выходе 8 сигнал пропорционален первой производной отклонения чувствительного элемента 1), один из выходов которого соединен со входом второго дифференцирующего звена 9 (вторая производная отклонения чувствительного элемента 1). Сигналы с выходов дифференцирующих звеньев 8 и 9 в виде напряжения поступают на входы второго преобразователя напряжение-ток 10, на выходе которого будет сигнал в виде суммы сигналов по первой и второй производной от отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал со второго преобразователя напряжение-ток 10 поступает на один из входов первого сумматора 6. На другой вход первого сумматора 6 подается сигнал с выхода ФДООС 4 через первый преобразователь напряжение-ток 5. Сигнал с выхода первого сумматора 6 поступает на вход датчика момента 12, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает как на один из входов второго сумматора 15, так и вход третьего дифференцирующего звена 13. Сигнал по первой производной с третьего дифференцирующего звена 13 поступает как на вход четвертого дифференцирующего звена 14, так и на вход второго сумматора 15. На выходе второго сумматора реализуется звено с передаточной функцией

(фиг.2, где s, T₀, ς₀ - соответственно оператор преобразования Лапласа, постоянная времени и относительный коэффициент демпфирования). Введение звеньев с эквивалентной передаточной функцией

на выход устройства и звеньев, реализующих передаточную функцию W(s)=k₁·s²+k₂·s, (где k₁ и k₂коэффициенты пропорциональности), в положительную обратную связь, позволяет реализовать устройство для измерения ускорений с расширенной полосой пропускания и повышенной точности.A device for measuring acceleration works as follows. Under the action of the acceleration W on the sensing element 1, made in the form of a pendulum, an inertial moment equal to mlW acts (l, m is the length and mass of the pendulum). Under the influence of this moment, the sensor 1 is deflected, which is detected by the angle sensor 2, the field windings of which are connected to the output of GON 11. The signal from the angle sensor 2, after amplification by amplifier 3, is fed to the inputs FDOOS 4 and FDPOS 7. FDPOOS 4, FDPOS 7 and GON 11 isolate the phase of deviation of the sensitive element 1. At the output of FDOS 4, the signal will be in antiphase of the deviation of the sensitive element 1, and at the output of FDOS 7 in the phase of the deviation 1. The signal from the output of FDOS 7 in the form of voltage is fed to the input of the first differentiating sound 8 (output 8, the signal is proportional to the first derivative of the deviation of the sensitive element 1), one of the outputs of which is connected to the input of the second differentiating element 9 (the second derivative of the deviation of the sensitive element 1). The signals from the outputs of the differentiating links 8 and 9 in the form of voltage are supplied to the inputs of the second voltage-current converter 10, the output of which will be a signal in the form of the sum of signals in the first and second derivatives of the deviation of the sensing element 1. The signal from the second voltage-current converter 10 is received one of the inputs of the first adder 6. The other input of the first adder 6 is fed a signal from the output of the FDOOS 4 through the first voltage-current converter 5. The signal from the output of the first adder 6 is fed to the input of the torque sensor 12, the first compensates for the angular deviation of the sensor 1 caused by the action of acceleration. The signal from the output of amplifier 3 is supplied to one of the inputs of the second adder 15, and the input of the third differentiating link 13. The signal from the first derivative from the third differentiating link 13 is supplied to both the input of the fourth differentiating link 14 and the input of the second adder 15. the output of the second adder is implemented link with the transfer function

(Fig. 2, where s, T ₀ , ς ₀ are the Laplace transform operator, time constant, and relative damping coefficient, respectively). Introduction of Equivalent Transfer Function Links

to the output of the device and links that implement the transfer function W (s) = k ₁ · s ² + k ₂ · s, (where k ₁ and k ₂ are proportionality coefficients), in positive feedback, it allows you to implement a device for measuring accelerations with an extended band transmittance and increased accuracy.

Динамику работы предлагаемого устройства для измерения ускорений можно пояснить с помощью структурной схемы (фиг.2). Передаточная функция контура отрицательной обратной связи запишется в видеThe dynamics of the proposed device for measuring acceleration can be explained using the structural diagram (figure 2). The transfer function of the negative feedback loop is written as

, где

where

,

где T, ς, k_oc - постоянная времени, относительный коэффициент демпфирования и коэффициент обратной связи устройства для измерения ускорений с жесткой обратной связью.

,

where T, ς, k _oc is the time constant, the relative damping coefficient, and the feedback coefficient of the device for measuring accelerations with hard feedback.

Передаточная функция устройства с положительной и отрицательной обратной связью запишется какThe transfer function of a device with positive and negative feedback is written as

.

Для обеспечения устойчивости в устройстве для измерения ускорений необходимо наложить ограничения на параметрыTo ensure stability in the device for measuring acceleration, it is necessary to impose restrictions on the parameters

и 2·ς₁·Т₁>k₁·k₂.

and 2 · ς ₁ · T ₁ > k ₁ · k ₂ .

Передаточная функция разомкнутой системы устройства для измерения ускорений запишется в видеThe transfer function of the open system of the device for measuring accelerations is written as

, и после ряда преобразований получим

, and after a series of transformations we get

.

Из анализа полученного выражения для передаточной функции следует, что устройство с передаточной функцией W(s) является широкополосным при выполнении условия W(s)=k₁₁. Охват устройства обратными связями разных знаков уменьшает относительную погрешность измерения ускорений, и эта погрешность равна

. Если в процессе проектирования обеспечить выполнение условия (1-k₁·k₂·k_oc)=0.01, то погрешность измерения ускорения уменьшается в 100 раз.From the analysis of the obtained expression for the transfer function, it follows that the device with the transfer function W (s) is broadband if the condition W (s) = k ₁₁ is fulfilled. Coverage of the device by feedbacks of different signs reduces the relative error in measuring accelerations, and this error is equal to

. If, during the design process, it is ensured that the condition (1-k ₁ · k ₂ · k _oc ) = 0.01 is fulfilled, then the error in the acceleration measurement decreases by 100 times.

Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить с помощью моделирования устройства, которое осуществлено при следующих параметрах: Т=0.2 с, ς=0.72, k_oc=0.3, k₁=k₂=0.01, k₃=2·ς₀·T₀=0.01, k₄=2·ς₀=0.2. Из анализа результатов моделирования (фиг.3) следует, что скорость нарастания переходного процесса в предлагаемом устройстве выше, чем в прототипе, а следовательно, больше частота среза и полоса пропускания.The technical efficiency of the proposed device can be estimated by modeling the device, which was carried out with the following parameters: T = 0.2 s, ς = 0.72, k _oc = 0.3, k ₁ = k ₂ = 0.01, k ₃ = 2 · ς ₀ · T ₀ = 0.01, k ₄ = 2 · ₀ = 0.2. From the analysis of the simulation results (figure 3), it follows that the slew rate of the transient in the proposed device is higher than in the prototype, and therefore, the cutoff frequency and bandwidth are greater.

Построение устройства для измерения ускорений, охваченного положительной обратной связью по первой и второй производной, отрицательной жесткой обратной связью и с эквивалентным звеном с передаточной функцией

, включенным на выход, дает возможность, на базе существующих устройств компенсационного типа, разрабатывать устройства с расширенной полосой пропускания и высокой точности без изменения конструкции и технологии их изготовления.The construction of a device for measuring acceleration, covered by positive feedback on the first and second derivatives, negative rigid feedback and with an equivalent link with a transfer function

, included in the output, makes it possible, on the basis of existing compensation-type devices, to develop devices with expanded bandwidth and high accuracy without changing the design and technology of their manufacture.

Claims

An acceleration measuring device comprising a sensor, a torque sensor, negative and positive feedbacks, an angle sensor whose output is connected to the amplifier input, two differentiating links in positive feedback, voltage-current converters in positive and negative feedbacks, positive phase detectors and negative feedbacks, a reference voltage generator, the outputs of which are connected to the inputs of the angle sensor and phase detectors of positive and negative feedback connections, as well as an adder, characterized in that the third and fourth differentiating links are introduced from the amplifier output to the inputs of the second adder, the third differentiating link with the transfer function W (s) = 2 · ₀ · T ₀ · s (where s is the Laplace transform operator, T ₀ is the time constant, ς ₀ is the relative damping coefficient), the input of which is connected to the output of the amplifier, connected to one of the inputs of the second adder, and through the fourth differentiating link with the transfer function W (s) = T ₀ · s / 2 · ς ₀ to the other input of the second adder, you One amplifier is also connected to one of the inputs of the second adder, positive feedback from the amplifier output to the input of the second voltage-current converter through a series-connected phase positive feedback detector and the first differentiator, one of the outputs of which is connected to the other input of the second voltage-current converter through the second differentiating element, negative feedback from the output of the amplifier to the input of the first voltage-current converter through a negative-phase phase detector communication, and the outputs of the first and second voltage-current converters are connected to the inputs of the first adder, the output of which is connected to the input of the torque sensor, and the output of the second adder is the output of the device.