RU2575771C1

RU2575771C1 - Compensation accelerometer

Info

Publication number: RU2575771C1
Application number: RU2014145584/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вениаминович Кулешов
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: compensation accelerometer comprises an analogue channel, including the following serially connected components: a sensitive element, an angle sensor, an amplifier, and also the following serially connected components: a voltage-current converter and a torque moment, and a digital channel, including a synchronisation circuit and the following serially connected components by information inputs: the first discretisor, a summator, the second discretisor, a comparator, and also serially connected a reversible counter and a total register, the second inputs of the first discretisor, the summator, the second discretisor and the comparator are connected accordingly to the first, second, third and fourth outputs of the synchronisation circuit, the second output of the first discretisor is connected to the input of the syncronisation circuit, and the output of the total register is the output of the digital code,two isodrome links connected to each other are introduced from the amplifier output to the input of the voltage-current converter, and the output of the amplifier is connected to the input of the first discretisor.

EFFECT: increased accuracy of measurement.

3 dwg

Description

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.Compensation accelerometer is intended for use as a sensitive element in stabilization, guidance and navigation systems. The invention may find application in devices for measuring mechanical values of the compensation type.

Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801, МПК⁷ опубл. в БИ №23, 1980), 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.A device for measuring accelerations (described in AC No. 742801, IPC ⁷ publ. In BI No. 23, 1980) containing a sensing element, an angle sensor, an integrating feedback amplifier, a torque sensor, an additional integrating amplifier, an electronic key, a threshold element is known. 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 key.

Недостатком 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 a threshold element. In addition, the accuracy of the measurement depends on the parameters of the electronic key circuit that selects the information.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (патент РФ RU №2190857 C1⁷G 01Р 15/13, опубл. 10.10.2002, бюл. №28), содержащее последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента. В цифровой канал введен трехразрядный сдвиговый регистр (схема управления потоком входной информации) с выхода компаратора на вход итогового регистра через реверсивный счетчик, и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор. В аналоговый канал введены последовательно соединенные интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение-ток, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен с входом датчиком момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, компаратора, второго дискретизатора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, вход которой соединен со вторым выходом первого дискретизатора, пятый выход схемы синхронизации соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра, второй, третий и четвертый выходы трехразрядного сдвигового регистра соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами реверсивного счетчика, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода.The closest technical solution for a device for measuring accelerations (Russian patent RU №2190857 C1 ⁷ G 01R 15/13, publ. 10.10.2002, Bul. №28), comprising a series connected sensor, the angle sensor, torque sensor and amplifier. A three-digit shift register (input information flow control scheme) is introduced into the digital channel from the output of the comparator to the input of the final register through a reversible counter, and the first sampler, adder, second sampler, and comparator connected in series through the information inputs. An integrator, a stabilizing filter and a voltage-current converter are connected in series to the analog channel, the voltage-current converter output connected to the input of the torque sensor, the amplifier output connected to the integrator input, the output of which being an analog output connected to the first input of the first sampler, the second the inputs of the first sampler, adder, comparator, second sampler are connected respectively to the first, second, third and fourth outputs of the synchronization circuit, the input of which connected to the second output of the first sampler, a fifth output timing circuit coupled to the second input of the three-bit shift register, the second, third and fourth three-bit shift register outputs are connected respectively to the first, second, third inputs of the reversible counter and the output register is the final output of the digital code.

Недостатком устройства для измерения ускорений является малая полоса пропускания, обусловленная работой интегрирующего аналогового усилителя и порогового элемента. Малая полоса пропускания устройства для измерения ускорений, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру, определяют точность в установившемся режиме.The disadvantage of the device for measuring acceleration is the small bandwidth due to the operation of an integrating analog amplifier and a threshold element. The small passband of the device for measuring acceleration, low speed and low gain along an open circuit, determine the accuracy in the steady state.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения.An object of the present invention is to improve measurement accuracy.

Техническая задача в предполагаемом изобретении решается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, а также соединенные последовательно преобразователь напряжение-ток и датчик момента и цифровой канал, включающий схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, а также последовательно соединенные реверсивный счетчик и итоговый регистр, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора и компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с входом схемы синхронизации и выход итогового регистра является выходом цифрового кода, введены с выхода усилителя на вход преобразователя напряжение-ток последовательно соединенные между собой два изодромных звена, и выход усилителя соединен с входом первого дискретизатора.The technical problem in the proposed invention is solved in that in a compensation accelerometer containing an analog channel, including a serially connected sensing element, an angle sensor, an amplifier, as well as a voltage-current converter and a torque sensor connected in series, and a digital channel including a synchronization circuit and connected in series information inputs, the first sampler, adder, second sampler, comparator, as well as a reversible counter and a total connected in series the register, the second inputs of the first sampler, adder, second sampler and comparator are connected respectively to the first, second, third and fourth outputs of the synchronization circuit, the second output of the first sampler is connected to the input of the synchronization circuit and the output of the final register is a digital code output, input from the amplifier output to the input of the voltage-current converter is connected in series between two isodromic links, and the output of the amplifier is connected to the input of the first sampler.

Введение в компенсационный акселерометр двух последовательно соединенных изодромных звеньев обеспечивает астатизм второго порядка, а следовательно, повышение точности измерения.The introduction of two sequentially connected isodromic links into the compensation accelerometer provides second-order astatism, and therefore, increased measurement accuracy.

На фиг. 1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра, на фиг. 2 диаграммы, поясняющие принцип работ компенсационного акселерометра, на фиг. 3 граф работы трехразрядного сдвигового регистра в цифровом канале компенсационного акселерометра.In FIG. 1 shows a functional diagram of a compensation accelerometer; FIG. 2 diagrams explaining the principle of operation of the compensation accelerometer, in FIG. 3 graph of the operation of a three-digit shift register in the digital channel of a compensation accelerometer.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла соединен с входом усилителя 3, выход которого соединен с входом первого изодромного звена 4, выход которого соединен с входом второго изодромного звена 5. Выход второго изодромного звена 5 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 6, а выход преобразователя напряжение-ток 6 соединен с входом датчика момента 7. Выход усилителя 3 соединен также с первым входом первого дискретизатора 8, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 9. Выход сумматора 9 соединен с первым входом второго дискретизатора 10, выход второго дискретизатора 10 соединен с первым входом компаратора 11. Выход компаратора 11 соединен с первым входом трехразрядного сдвигового регистра 12, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика 13. Выход реверсивного счетчика 13 соединен с входом итогового регистра 14, другой вход которого соединен с первым выходом трехразрядного сдвигового регистра 12. Второй выход первого дискретизатора 8 соединен с входом схемы синхронизации 15, первый второй, третий и четвертый выходы которой соединены со вторыми входами первого дискретизатора 8, сумматора 9, второго дискретизатора 10 и компаратора 11. Пятый выход схемы синхронизации 15 соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра 12.Compensation accelerometer contains a sensing element 1, made in the form of a pendulum, an angle sensor 2, the output of the angle sensor is connected to the input of the amplifier 3, the output of which is connected to the input of the first isodromic link 4, the output of which is connected to the input of the second isodromic link 5. The output of the second isodromic link 5 connected to the input of the voltage-current converter 6, and the output of the voltage-current converter 6 is connected to the input of the torque sensor 7. The output of the amplifier 3 is also connected to the first input of the first sampler 8, the first output of which is connected is connected to the first input of adder 9. The output of adder 9 is connected to the first input of the second sampler 10, the output of the second sampler 10 is connected to the first input of the comparator 11. The output of the comparator 11 is connected to the first input of a three-bit shift register 12, the second, third, and fourth outputs of which are connected respectively with the first, second and third inputs of the reverse counter 13. The output of the reverse counter 13 is connected to the input of the final register 14, the other input of which is connected to the first output of the three-digit shift register 12. Second the first output of the first sampler 8 is connected to the input of the synchronization circuit 15, the first second, third and fourth outputs of which are connected to the second inputs of the first sampler 8, the adder 9, the second sampler 10 and the comparator 11. The fifth output of the synchronization circuit 15 is connected to the second input of a three-digit shift register 12.

Внутреннее содержание дискретизатора, компаратора, итогового регистра, сумматора, трехразрядного сдвигового регистра, реверсивного счетчика описаны в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И., Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432 с., П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир., т. 1-3, 1999.The internal contents of the discretizer, comparator, final register, adder, three-digit shift register, reverse counter are described in the books by S. Mayorov, G.I. Novikov, Principles of the organization of digital machines. L .: Engineering, 1974, 432 p., P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. M .: Mir., T. 1-3, 1999.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом.Compensation accelerometer works as follows.

При действии ускорения на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент. Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1. Величина этого угла фиксируется датчиком угла 2, сигнал с которого в виде напряжения поступает на вход усилителя 3, а затем на вход первого изодромного звена 4. Сигнал с 4, в виде напряжения, поступает на вход второго изодромного звена 5. Изодромные звенья 4 и 5 обеспечивают не только устойчивость, но и астатизм по отклонению и по скорости. Сигнал с выхода второго изодромного звена 5 поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, сигнал с выхода которого в виде тока поступает на вход датчика момента 7, который развивает момент для компенсации инерционного момента, вызванного действием ускорения. Выходной сигнал с усилителя 3 служит оценкой величины действующего ускорения в аналоговой форме. Сигнал с выхода усилителя 3, в виде напряжения, поступает на первый вход первого дискретизатора 8, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 15. Первый дискретизатор 8 фиксирует величину аналогового сигнала с усилителя 3 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 8, фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 15. Со второго выхода первого дискретизатора 8 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 15 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Сумматор 9, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 8, а на второй вход сумматора 9 поступает со второго выхода схемы синхронизации 15 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов 8 и 15, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 9 поступает на первый вход второго дискретизатора 10, на второй вход дискретизатора 10 поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 15. Второй дискретизатор 10 запоминает информацию с выхода сумматора 9 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 10 поступает на первый вход компаратора 11, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 10 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 15. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 10 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 15, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе 11 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 11 (фиг. 2б), в виде уровня, поступает на первый вход трехразрядного сдвигового регистра 12, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с пятого выхода схемы синхронизации 15 (фиг. 2а). На первый вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы счета U₃ (фиг. 2d) при состоянии счетчика 111, на второй вход 13 (фиг. 2е) импульсы U₄ ″1″ при состоянии счетчика 011, 001, 000. На третий вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы установки счетчика 13 в начальное состояние ″+1″ (фиг. 2г) при состоянии счетчика 110. Запись этой информации осуществляется по импульсу записи информации U₁ (фиг. 2b) при состоянии счетчика 100. Выход информации с итогового регистра 14 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.Under the action of acceleration on the sensing element 1, made in the form of a pendulum, the inertial moment acts. Under the influence of this moment, the sensor 1 deviates. The value of this angle is recorded by the angle sensor 2, the signal from which is supplied to the input of amplifier 3 in the form of voltage, and then to the input of the first isodromic link 4. The signal from 4, in the form of voltage, is fed to the input the second isodromic link 5. The isodromic links 4 and 5 provide not only stability, but also astatism in deviation and speed. The signal from the output of the second isodromic link 5 is fed to the input of the voltage-current converter 6, the signal from the output of which is supplied as a current to the input of the torque sensor 7, which develops a moment to compensate for the inertial moment caused by the action of acceleration. The output signal from amplifier 3 serves as an estimate of the magnitude of the effective acceleration in analog form. The signal from the output of amplifier 3, in the form of voltage, is supplied to the first input of the first sampler 8, the second input of which receives a control signal in the form of pulses from the first output of the synchronization circuit 15. The first sampler 8 captures the value of the analog signal from amplifier 3 for the time of conversion. The voltage at the output of the first sampler 8 is fixed with the arrival of each pulse from the synchronization circuit 15. From the second output of the first sampler 8, the signal is fed to the input of the synchronization circuit 15 and is used to form the sign of the incoming information, which biases the parametric compensation signal in the positive or negative region. The adder 9, the first input of which receives a signal in the form of a step voltage from the first output of the first sampler 8, and the second input of the adder 9 receives from the second output of the synchronization circuit 15 a triangular parametric signal, adds the signal from outputs 8 and 15, shifted depending on sign up or down. The signal from the output of the adder 9 is fed to the first input of the second sampler 10, the second signal of the sampler 10 receives a control signal from the third output of the synchronization circuit 15. The second sampler 10 stores information from the output of the adder 9 for the duration of the conversion. The signal from the output of the second sampler 10 is fed to the first input of the comparator 11, in which the signal from the output of the second sampler 10 in analog form is compared with a signal of a triangular shape, isolated from the frequency and amplitude of a rectangular signal from the fourth output of the synchronization circuit 15. If the signal with the output of the second sampler 10 is more than the triangular voltage from the output of the synchronization circuit 15, then the output of the comparator 11 will be a high logical level, if less, then the output 11 will be a low logical level Level of. The signal from the output of the comparator 11 (Fig. 2b), in the form of a level, is supplied to the first input of a three-digit shift register 12, to the second input of which clock pulses from the fifth output of the synchronization circuit 15 are received (Fig. 2a). The first input of the reverse counter 13 receives the count pulses U ₃ (Fig. 2d) with the state of the counter 111, the second input 13 (Fig. 2e) pulses U ₄ ″ 1 ″ with the state of the counter 011, 001, 000. The third input of the reverse counter 13, impulses are received to set the counter 13 to the initial state ″ +1 ″ (Fig. 2d) with the state of the counter 110. This information is recorded by the pulse of recording information U ₁ (Fig. 2b) with the state of the counter 100. The output from the final register 14 is output digital code compensation accelerometer.

На фиг. 3 представлен граф работы трехразрядого сдвигового регистра 12 при переходе информации с компаратора 11 с высокого логического уровня на низкий (U₁₁=″1″, U₁₁=″0″).In FIG. 3 is a graph of work trehrazryadogo shift register 12 at the transition information from the comparator 11 with a logic high level to a low (U ₁₁ = "1", U ₁₁ = "0").

Введение в цифровой канал трехразрядного сдвигового регистра, осуществляющего управление потоком входной информации, позволяет создавать устройство с расширенной полосой пропускания, значительным быстродействием. Расширение полосы и увеличение быстродействия обеспечивается с тем, что начальная установка реверсивного счетчика 13 не на ″0″, а на ″+1″. Применение последовательно соединенных изодромных звеньев 4 и 5 позволяет свести к нулю коэффициенты ошибок системы, а следовательно, повысить точность компенсационного акселерометра.The introduction of a three-digit shift register into the digital channel, which controls the flow of input information, allows you to create a device with an expanded bandwidth, significant speed. The expansion of the band and the increase in performance is ensured so that the initial installation of the reverse counter 13 is not at ″ 0 ″, but at ″ +1 ″. The use of isodromic links 4 and 5 connected in series makes it possible to reduce the error coefficients of the system to zero, and therefore, increase the accuracy of the compensation accelerometer.

Claims

A compensation accelerometer comprising an analog channel including a sensing element, an angle sensor, an amplifier, as well as a voltage-current converter and a torque sensor connected in series, and a digital channel including a synchronization circuit and a first sampler, adder, second sampler connected in series with the information inputs, a comparator, as well as a series-connected reverse counter and a final register, the second inputs of the first sampler, adder, second the cretizer and the comparator are connected respectively to the first, second, third and fourth outputs of the synchronization circuit, the second output of the first sampler is connected to the input of the synchronization circuit, and the output of the final register is a digital code output, characterized in that voltage is input from the amplifier output to the input of the converter current is connected in series between two isodromic links, and the output of the amplifier is connected to the input of the first sampler.