RU2541716C1

RU2541716C1 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2541716C1
Application number: RU2013143637/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Викторович Савельев; Владимир Вениаминович Кулешов
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-02-20

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: device comprises a sensitive element (1), a position sensor (2), the outlet of which is connected to an input of an amplifier (4) with stable amplification ratio, a magnetoelectric power converter (15), connected into negative feedback. At the same time it includes analogue, integrating and discrete negative feedbacks. The analogue negative feedback is implemented at the outlet of the position sensor (2) to one of the inlets of the magnetoelectric power converter (15) via the following components serially connected along information inlets: an AC amplifier (4), the first logical element (5), an EXCLUSIVE OR circuit (8), a filter (9), the first converter (10) of voltage-current and a summator (11). The integrating negative feedback is implemented from the outlet of the EXCLUSIVE OR circuit (8) to the input of the magnetoelectric power converter (15) via the following components that are serially connected by information inputs: the first integrator (12), the second converter (13) of voltage-current and the summator (11). The discrete negative feedback is implemented from the outlet of the EXCLUSIVE OR circuit (8) to the input of the magnetoelectric power converter (15) via the following components that are serially connected by information inputs: a trigger (14) and the summator (11). Besides, a reference voltage generator (3) is connected both with the position sensor (2) and with a phase shifter (6). The outlet of the phase shifter (6) is connected to one of inlets of the EXCLUSIVE OR circuit (8) via the second logical element (7). One of outlets of the trigger (14) is connected to the inlet of a reversible binary counter (16), the outlet of which is a discrete outlet of the accelerometer.

EFFECT: expansion of pass band and increased accuracy of acceleration measurements.

6 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 (патент RU №2210781 C2, кл. 7 G01P 15/13, опубл. 20.08.2003 г.), содержащее 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 с цепью из последовательно соединенных первого и второго резисторов подключено интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией

(T₁, T₂ - соответственно постоянные времени T₂>T₁).A device for measuring accelerations is known (patent RU No. 2210781 C2, class 7 G01P 15/13, publ. 08/20/2003), containing an accelerometer sensing element, a position sensor, an amplifier, a magnetoelectric power converter, a compensation coil that is connected to the output an amplifier, and a chain of 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 with a chain of series-connected first and second resistors

(T ₁ , T ₂ - respectively, the time constants T ₂ > T ₁ ).

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 устройство для измерения ускорений (патент RU №2400761 C1, G01P 15/13, опубл. 27.09.2010 г., бюл. №27), содержащее чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь с выхода датчика положения, отличающееся тем, что в образованную отрицательную обратную связь с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя введены последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее ИЛИ, прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, широкополосный фильтр второго порядка

(где T₁, ς₁, ς₂ - постоянная времени фильтра, относительные коэффициенты демпфирования, s - оператор преобразования Лапласа, причем ς₂>ς₁) и первый преобразователь напряжение-ток, в устройство также введен интегратор, вход которого соединен с одним из выходов схемы исключающее ИЛИ, и второй преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход - с входом магнитоэлектрического силового преобразователя, в устройстве генератор опорного напряжения соединен 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.The closest in technical essence is a device for measuring accelerations (patent RU No. 2400761 C1, G01P 15/13, publ. 09/27/2010, bull. No. 27) containing a sensing element, a position sensor, the output of which is connected to the input of an alternating amplifier current, magnetoelectric power converter included in the negative feedback from the output of the position sensor, characterized in that in the formed negative feedback from the output of the position sensor to one of the inputs of the magnetoelectric power converter are introduced after ovatelno connected to data inputs of the AC power, which is configured with a stable gain, a first AND gate, an XOR circuit, a precision relay element, a smoothing filter, a broadband filter of the second order

(where T ₁ , ς ₁ , ς ₂ is the filter time constant, relative damping coefficients, s is the Laplace transform operator, and ς ₂ > ς ₁ ) and the first voltage-current converter, an integrator is also introduced into the device, the input of which is connected to one exclusive OR from the outputs of the circuit, and a second voltage-current converter, the input of which is connected to the integrator output, and the output to the magnetoelectric power converter input, in the device, the reference voltage generator is connected to both the position sensor and the exclusive circuit AND LI through the second logic element, and the output from the smoothing filter is the analog output of the device for measuring accelerations.

Недостатком устройства для измерения ускорений является малая полоса пропускания и невысокая точность, которая ограничена коэффициентом усиления по разомкнутому контуру.The disadvantage of the device for measuring acceleration is the small bandwidth and low accuracy, which is limited by the gain along the open loop.

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 акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя со стабильным коэффициентом усиления, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, введены аналоговая, интегрирующая и дискретная отрицательные обратные связи, аналоговая отрицательная обратная связь реализована с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, который выполнен со стабильным коэффициентом усиления, первый логический элемент, схему исключающее ИЛИ, фильтр

(где K₁ и T₁ коэффициент передачи и постоянная времени s - оператор преобразования Лапласа), первый преобразователь напряжение-ток и сумматор, интегрирующая отрицательная обратная связь реализована с выхода схемы исключающее ИЛИ, на вход магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам интегратор

, (где K₂ - коэффициент передачи), второй преобразователь напряжение-ток и сумматор, а дискретная отрицательная обратная связь введена с выхода схемы исключающее ИЛИ на вход магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам триггер и сумматор, кроме того, генератор опорного напряжения соединен как с датчиком положения, так и с фазовым сдвигателем, выход которого соединен с одним из входов схемы исключающее ИЛИ через второй логический элемент, а один из выходов триггера соединен с входом реверсивного двоичного счетчика, выход которого является дискретным выходом акселерометра.This is achieved by the fact that in the accelerometer containing a sensitive element, a position sensor, the output of which is connected to the amplifier input with a stable gain, a magnetoelectric power converter included in the negative feedback, analog, integrating and discrete negative feedbacks, analog negative feedback are introduced implemented from the output of the position sensor to one of the inputs of the magnetoelectric power converter through series-connected information the input amplifier is an alternating current amplifier, which is made with a stable gain, the first logic element, an exclusive OR circuit, a filter

(where K ₁ and T ₁ the transmission coefficient and time constant s is the Laplace transform operator), the first voltage-current converter and adder integrating negative feedback is implemented from the circuit exclusive XOR output to the input of the magnetoelectric power converter through an integrator connected in series through the information inputs

, (where K ₂ is the transmission coefficient), the second voltage-current converter and the adder, and the discrete negative feedback is input from the circuit exclusive XOR to the input of the magnetoelectric power converter through a trigger and adder connected in series through the information inputs, in addition, a reference voltage generator connected to both a position sensor and a phase shifter, the output of which is connected to one of the inputs of the circuit exclusive OR through the second logic element, and one of the outputs of the trigger is connected to Odom reversible binary counter whose output is the digital output of the accelerometer.

Введение в акселерометр аналоговой, интегрирующей и дискретной отрицательных обратных связей, одна из которых содержит фильтр с передаточной функцией

(где K₁ и T₁ коэффициент передачи и постоянная времени), а другая - интегрирующее звено с передаточной функцией

(где K₂ - коэффициент передачи), позволяет обеспечить устойчивость, а дискретная отрицательная обратная связь, содержащая триггер, позволяет реализовать значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, быстродействие, расширить полосу пропускания, повысить точность измерения и обеспечить астатизм по отклонению.Introduction to the accelerometer of analog, integrating and discrete negative feedbacks, one of which contains a filter with a transfer function

(where K ₁ and T _{1 are} the transmission coefficient and time constant), and the other is the integrating link with the transfer function

(where K ₂ is the transmission coefficient), it provides stability, and a discrete negative feedback containing a trigger allows for a significant open-loop transmission coefficient, speed, widen the passband, increase the measurement accuracy and ensure deviation astatism.

На фиг.1 изображена функциональная схема акселерометра измерения ускорений; на фиг.2 - схема моделирования акселерометра; на фиг 3 и фиг.4 представлены переходные процессы в дискретной отрицательной обратной связи, на фиг.5 и фиг.6 - переходный процесс и частотные характеристики в аналоговой части устройства для измерения ускорений.Figure 1 shows a functional diagram of an accelerometer measuring accelerations; figure 2 is a simulation diagram of an accelerometer; in Fig.3 and Fig.4 presents transients in discrete negative feedback, in Fig.5 and Fig.6 is a transient and frequency characteristics in the analog part of the device for measuring acceleration.

Акселерометр 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 со стабильным коэффициентом усиления 4, выход которого соединен с входом первого логического элемента 5. Выход генератора опорного напряжения 3 соединен с входом фазового сдвигателя 6. Выход фазового сдвигателя 6 соединен с входом второго логического элемента 7. Выходы первого логического элемента 5 и второго логического элемента 7 соединены с входами схемы исключающее ИЛИ 8. Один из выходов схемы исключающее ИЛИ 8 соединен с входом фильтра 9, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 10, и выход первого преобразователя напряжение-ток 10 соединен с входом сумматора 11. Один из выходов схемы исключающее ИЛИ 8 соединен также с одним из входов сумматора 11 через интегратор 12 и второй преобразователь напряжение-ток 13. Другой из выходов схемы исключающее ИЛИ 8 соединен с одним из входов сумматора 11 через триггер 14. Выход сумматора 11 соединен с входом магнитоэлектрического силового преобразователя 15. Выход триггера 14 соединен с входом реверсивного двоичного счетчика 16.The accelerometer contains a sensing element 1, the angular position of which is fixed by a position sensor 2, the excitation winding of which is connected to a reference voltage generator 3. The output winding of the position sensor 2 is connected to an amplifier with a stable gain 4, the output of which is connected to the input of the first logic element 5. Generator output the reference voltage 3 is connected to the input of the phase shifter 6. The output of the phase shifter 6 is connected to the input of the second logic element 7. The outputs of the first logic element 5 and of the logical element 7 are connected to the inputs of the circuit exclusive OR 8. One of the outputs of the circuit exclusive OR 8 is connected to the input of the filter 9, the output of which is connected to the input of the first voltage-current converter 10, and the output of the first voltage-current converter 10 is connected to the input of the adder 11 One of the outputs of the exclusive OR 8 circuit is also connected to one of the inputs of the adder 11 through the integrator 12 and the second voltage-current converter 13. The other of the outputs of the exclusive OR 8 circuit is connected to one of the inputs of the adder 11 through the trigger 14. Output adder 11 is connected to the input of a magnetoelectric power converter 15. The output latch 14 is connected to the reversing input of the binary counter 16.

Внутреннее содержание генератора опорного напряжения, фазового сдвигателя, логических элементов, схемы исключающее ИЛИ, усилителя, фильтра, триггера, реверсивного двоичного счетчика, интегратора и преобразователя напряжение-ток приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. - М.: Мир, т. 1-3, 1993.The internal contents of the reference voltage generator, phase shifter, logic elements, exclusive OR circuit, amplifier, filter, trigger, reversible binary counter, integrator and voltage-current converter are given in the book: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. - M.: Mir, t. 1-3, 1993.

Работа акселерометра осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения, фиксируется датчиком положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 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 фазовый сдвигатель 6, введенный с выхода генератора опорного напряжения 3 на вход второго логического элемента 7. Выход второго логического элемента 7 соединен со схемой исключающее ИЛИ -8. На выходе второго логического элемента 7 будет сигнал аналогичный по форме сигналу с первого логического элемента 5. Выходные сигналы с 5 и 7, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы исключающее ИЛИ -8 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей операцию логического сложения. Если сигналы с логических элементов 5 и 7 имеют нулевой фазовый сдвиг, то на выходе схемы 8 имеем логический "0", если же сигналы с 5 и 7 имеют фазовый сдвиг, отличный от нуля, то на выходе 8 будет логическая "1". Форма выходного сигнала с 8 аналогична форме сигналов с логических элементов 5 и 7. Выходной сигнал, с выхода схемы исключающее ИЛИ -8, поступает на вход фильтра 9, с передаточной функцией

(где K₁ и T₁ коэффициент передачи и постоянная времени, s - оператор преобразования Лапласа), включенного в одну из аналоговых отрицательных обратных связей. Фильтр 9 обеспечивает заданную форму переходного процесса в акселерометре. Сигнал с фильтра 9 через первый преобразователь напряжение-ток 10 поступает на один из входов сумматора 11, а затем на вход магнитоэлектрического силового преобразователя 15. Для обеспечения астатизма, по отклонению чувствительного элемента 1, в акселерометр введена интегрирующая отрицательная обратная связь с выхода схемы исключающее ИЛИ 8 на вход магнитоэлектрического силового преобразователя 15 через интегратор 12, второй преобразователь напряжение-ток 13 и сумматор 11. Для повышения быстродействия и реализации значительного коэффициента передачи по разомкнутому контуру в акселерометр введена дискретная отрицательная обратная связь с выхода схемы исключающее ИЛИ 8 на вход магнитоэлектрического силового преобразователя 15 через триггер 14 и сумматор 11. Магнитоэлектрический силовой преобразователь 15 развивает момент, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения.The operation of the accelerometer 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 reference voltage 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 square wave with the frequency of the reference voltage generator 3. To isolate the phase of the deviation of the sensitive element 1, a phase shifter 6 is introduced from the output of the reference voltage generator 3 to the input of the second logic element 7. The output of the second logic element 7 is connected to an exclusive OR -8 circuit. At the output of the second logic element 7 there will be a signal similar in form to the signal from the first logical element 5. The output signals 5 and 7, shifted in phase, are fed to the inputs of the exclusive OR -8 circuit (the addition circuit modulo "2"), which performs the logical operation additions. If the signals from logic elements 5 and 7 have a zero phase shift, then at the output of circuit 8 we have a logical "0", but if signals from 5 and 7 have a phase shift other than zero, then output 8 will be a logical "1". The shape of the output signal with 8 is similar to the shape of the signals from logic elements 5 and 7. The output signal from the output of the circuit exclusive OR -8 is fed to the input of the filter 9, with a transfer function

(where K ₁ and T _{1 are} the transmission coefficient and time constant, s is the Laplace transform operator), included in one of the analog negative feedbacks. The filter 9 provides a given transient shape in the accelerometer. The signal from the filter 9 through the first voltage-current converter 10 is fed to one of the inputs of the adder 11, and then to the input of the magnetoelectric power converter 15. To ensure astatism, by the deviation of the sensing element 1, integrating negative feedback from the circuit output exclusive OR is introduced into the accelerometer 8 to the input of the magnetoelectric power converter 15 through the integrator 12, the second voltage-current converter 13 and the adder 11. To improve performance and implement a significant coefficient An open loop transmission in the accelerometer introduced a discrete negative feedback from the output of the exclusive OR 8 circuit to the input of the magnetoelectric power converter 15 through the trigger 14 and the adder 11. The magnetoelectric power converter 15 develops a moment that compensates for the angular deviation of the sensor 1 caused by the action of acceleration.

Введение в акселерометр отрицательных обратных связей, содержащих фильтр, интегратор и триггер, позволило создать параметрическое устройство для измерения ускорений, в котором можно реализовать значительный коэффициент усиления по разомкнутому контуру, увеличить полосу пропускания без потери устойчивости, а также реализовать астатизм по отклонению.The introduction of negative feedbacks containing an filter, an integrator, and a trigger into the accelerometer made it possible to create a parametric device for measuring accelerations in which a significant gain along an open circuit can be realized, the passband can be increased without loss of stability, and deviation astatism can be realized.

Техническое решение предлагаемого устройства, было промоделировано с параметрами указанными на фиг.2. Результаты моделирования приведены на фиг.3 и фиг.4 при входном воздействии 1(t) разного знака. На фиг.5 и 6 представлены переходный процесс и частотные характеристики аналоговой части устройства. Из анализа переходных процессов и частных характеристик следует, что в предлагаемом устройстве, за счет введения трех отрицательных обратных связей, содержащих фильтр, интегратор и триггер можно реализовать значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения, расширить полосу пропускания и обеспечить устойчивость.The technical solution of the proposed device was modeled with the parameters indicated in figure 2. The simulation results are shown in figure 3 and figure 4 with the input impact 1 (t) of different signs. 5 and 6 show the transient and frequency characteristics of the analog part of the device. From the analysis of transients and particular characteristics it follows that in the proposed device, by introducing three negative feedbacks containing a filter, an integrator and a trigger, a significant open-loop transmission coefficient can be realized, the measurement accuracy can be increased, the bandwidth expanded and stability ensured.

Claims

An accelerometer containing a sensing element, a position sensor, the output of which is connected to the amplifier input with a stable gain, a magnetoelectric power converter included in negative feedback, characterized in that analog, integrating and discrete negative feedbacks are introduced into it, analog negative feedback implemented from the output of the position sensor to one of the inputs of the magnetoelectric power converter through series-connected information At the inputs, an AC amplifier, which is made with a stable gain, the first logic element, an exclusive OR circuit, a filter

(where K ₁ , and T ₁ is the transmission coefficient and time constant, s is the Laplace transform operator), the first voltage-current converter and adder integrating negative feedback is implemented from the circuit output exclusive OR to the input of the magnetoelectric power converter through series-connected information inputs integrator

, (where K ₂ is the transmission coefficient), the second voltage-current converter and the adder, and the discrete negative feedback is introduced from the circuit output exclusive "or" to the input of the magnetoelectric power converter through the trigger and the adder connected in series through the information inputs, in addition, the generator the reference voltage is connected with both a position sensor and a phase shifter, the output of which is connected to one of the inputs of the circuit exclusive OR through a second logic element, and one of the outputs of the trigger is connected to stroke reverse binary counter whose output is the digital output of the accelerometer.