RU2809588C1

RU2809588C1 - Device for measuring accelerations

Info

Publication number: RU2809588C1
Application number: RU2023122533A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вениаминович Кулешов; Лев Викторович Кузовлев; Ирина Евгеньевна Первак; Николай Львович Коржук; Всеволод Николаевич Коржук
Filing date: 2023-08-29
Publication date: 2023-12-13

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: essence of the invention is that an analogue negative feedback is introduced into the device for measuring acceleration from the output of a nonlinear amplifier with a saturation zone to one of its inputs through a low-frequency filter and an integrator, and the input of the nonlinear amplifier with a saturation zone is connected to the output of the angle sensor, as well as the output of the nonlinear amplifier with saturation band is connected to the comparator, and the output of the up/down binary counter is the digital output of the device.

EFFECT: broadening the bandwidth and improving the measurement accuracy.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации, навигации, наведения и медицине.The invention relates to measuring technology and is intended for use in compensation-type devices in stabilization, navigation, guidance and medicine systems.

Известен акселерометр (А.С. №742801, опубл. в бюл. изобр. №23, 1980), содержащий 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 - к управляющему входу электронного ключа.An accelerometer is known (A.S. No. 742801, published in Bulletin No. 23, 1980), containing a sensing element, an angle sensor, an integrating feedback amplifier, a torque sensor, an additional integrating amplifier, an electronic key, and a threshold element. Moreover, 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 is connected through a threshold element and an additional integrating amplifier to the control input of the electronic key.

Недостатком акселерометра является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы. Точность работы акселерометра зависит от интегрирующих аналоговых усилителей, порогового элемента и электронного ключа, включенных в обратную связь. Основная погрешность устройства для измерения ускорений связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.The disadvantage of the accelerometer is the low measurement accuracy, since the choice of gain with strict negative feedback is limited by the condition of system stability. The accuracy of the accelerometer depends on the integrating analog amplifiers, threshold element and electronic key included in the feedback. The main error of the device for measuring acceleration is associated with the finite charging time of the capacitor of the integrating amplifier. This error leads to the aperture error inherent in such a sampling and processing scheme.

Наиболее близким по техническому решению является компенсационный акселерометр для измерения ускорений (патент РФ №2513667 C1, G01P 15/13, опубл. в бюл. №11, 20.04.2014), содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход - с выходом генератора вспомогательной частоты, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазового детектора отрицательной обратной связи, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход фазового детектора отрицательной обратной связи через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент, интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией (где T₁<T₂, постоянные времени) и один из входов сумматора соединен с выходом интегро-дифференцирующего звена через звено запаздывания с передаточной функцией (где K и T - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания) и выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено с передаточной функцией (где T₁>T₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.The closest technical solution is a compensation accelerometer for measuring accelerations (RF patent No. 2513667 C1, G01P 15/13, published in Bulletin No. 11, 04/20/2014), containing a sensitive element, the angular position of which is fixed by an angle sensor, amplifier, input which is connected to the output of the angle sensor, a phase detector of negative feedback, integrating negative feedback from the output of the comparator to the input of the torque sensor through a comparator, a level converter, two standby synchronous generators, a reversing binary counter, a comparison circuit, a trigger, an electronic a switch, the input of which is connected to the output of the current generator, a summing binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, and the input is connected to the output of the auxiliary frequency generator, a reference voltage generator, the outputs of which are connected to the inputs of the angle sensor and the negative feedback phase detector , additional inputs of the comparator, waiting for synchronous generators, a reversing binary counter are connected to the auxiliary frequency generator, local negative feedback is introduced from the output of the amplifier to the input of the phase detector of negative feedback through an adder, a threshold element, an integro-differentiating link with a transfer unit connected in series along the information inputs function (where T ₁ <T ₂ , time constants) and one of the inputs of the adder is connected to the output of the integro-differentiating link through a delay link with a transfer function (where K and T are the transfer coefficient and the time constant of the delay link) and the output of the negative feedback phase detector is connected to the input of the comparator through a differentiating link with a transfer function (where T ₁ >T ₂ are the time constants of the lag link), and the output of the upstream binary counter is the digital output of the compensation accelerometer.

Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.The disadvantage of a compensation accelerometer is its low bandwidth and low measurement accuracy.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности измерения.The technical objective of the present invention is to expand the bandwidth and increase the measurement accuracy.

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, вход которого соединен с генератором опорного напряжения, датчик момента, один из входов которого соединен с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, а также суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход - с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, преобразователя уровня, двух ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, выход схемы сравнения соединен с электронным ключом через триггер, введена аналоговая отрицательная обратная связь с выхода нелинейного усилителя с зоной насыщения на один из его входов через низкочастотный фильтр и интегратор, и вход нелинейного усилителя с зоной насыщения соединен с выходом датчика угла, а также выход нелинейного усилителя с зоной насыщения соединен с компаратором, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.This is achieved by the fact that a device for measuring acceleration contains a sensitive element, the deviation of which is recorded by an angle sensor, the input of which is connected to a reference voltage generator, a torque sensor, one of the inputs of which is connected to the output of an electronic key, the input of which is connected to a current generator, a comparator , connected to the input of the comparison circuit through a level converter connected in series across the information inputs, two standby synchronous generators, a reversing binary counter, as well as a summing binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, and the input is connected to the output of the auxiliary frequency generator, additional the inputs of a comparator, a level converter, two standby synchronous generators, a reversing binary counter are connected to an auxiliary frequency generator, the output of the comparison circuit is connected to an electronic switch via a trigger, analog negative feedback is introduced from the output of a nonlinear amplifier with a saturation zone to one of its inputs through a low-pass filter both the integrator and the input of the nonlinear amplifier with a saturation zone are connected to the output of the angle sensor, and the output of the nonlinear amplifier with a saturation zone is connected to the comparator, and the output of the up/down binary counter is the digital output of the device.

На фигуре изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений.The figure shows a functional diagram of a device for measuring accelerations.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2. Вход датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с входом нелинейного усилителя с зоной насыщения 4. Выход нелинейного усилителя с зоной насыщения 4 соединен с входом низкочастотного фильтра 5. Выход низкочастотного фильтра 5 соединен с входом интегратора 6. Выход интегратора 6 соединен с одним из входов нелинейного усилителя с зоной насыщения 4. Другой выход нелинейного усилителя с зоной насыщения 4 соединен с входом компаратора 7, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 8. Выход преобразователя уровня 8 соединен с входами двух ждущих синхронных генераторов 9 и 10. Выходы ждущих синхронных генераторов 9 и 10 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 11. Выход реверсивного двоичного счетчика И соединен с входом схемы сравнения 12. Другой вход схемы сравнения 12 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 13. Выход схемы сравнения 12 соединен с входом триггера 14. Выход триггера 14 соединен с входом электронного ключа 15, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 16. Выход электронного ключа 15 соединен с входом датчика момента 17. Датчик момента 17, соединенный кинематически с чувствительным элементом 1, компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения. Дополнительные входы компаратора 7, преобразователя уровня 8, ждущих синхронных генераторов 9 и 10, реверсивного двоичного счетчика 11, суммирующего двоичного счетчика 13, соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 18.The device for measuring acceleration contains a sensitive element 1, the angular deviation of which is recorded by an angle sensor 2. The input of the angle sensor 2 is connected to the output of the reference voltage generator 3. The output of the angle sensor 2 is connected to the input of a nonlinear amplifier with a saturation zone 4. The output of a nonlinear amplifier with a saturation zone 4 connected to the input of low-pass filter 5. The output of low-pass filter 5 is connected to the input of integrator 6. The output of integrator 6 is connected to one of the inputs of the nonlinear amplifier with saturation zone 4. The other output of the nonlinear amplifier with saturation zone 4 is connected to the input of comparator 7, the output of which is connected to input of the level converter 8. The output of the level converter 8 is connected to the inputs of two waiting synchronous generators 9 and 10. The outputs of the waiting synchronous generators 9 and 10 are connected to the inputs of the reversing binary counter 11. The output of the reversing binary counter And is connected to the input of the comparison circuit 12. Another input of the circuit comparison 12 is connected to the output of the summing binary counter 13. The output of the comparison circuit 12 is connected to the input of the trigger 14. The output of the trigger 14 is connected to the input of the electronic key 15, the other input of which is connected to the output of the current generator 16. The output of the electronic key 15 is connected to the input of the torque sensor 17 The torque sensor 17, kinematically connected to the sensing element 1, compensates for the angular deviation of the sensing element 1 caused by the action of acceleration. Additional inputs of the comparator 7, level converter 8, waiting synchronous generators 9 and 10, reversing binary counter 11, summing binary counter 13 are connected to the outputs of the auxiliary frequency generator 18.

Элементы, входящие в структуру устройства для измерения ускорений, приведены в книгах: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М: Мир, т.1-3, 1993; Н.Т. Кузовков. Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1968, с. 428.The elements included in the structure of the device for measuring acceleration are given in the books: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuit design. M: Mir, vol. 1-3, 1993; N.T. Kuzovkov. Dynamics of automatic control systems. M.: Mechanical Engineering, 1968, p. 428.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения, отклонение чувствительного элемента 1 фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения 3. Сигнал с датчика угла 2, после усиления нелинейным усилителем с зоной насыщения 4, поступает как на вход низкочастотного фильтра 5, так и на вход компаратора 7. Выход низкочастотного фильтра 5 соединен с одним из входов нелинейного усилителя с зоной насыщения 4 через интегратор 6. Низкочастотный фильтр 5 и интегратор 6 включены в отрицательную обратную связь нелинейного усилителя с зоной насыщения 4. Сигнал с выхода нелинейного усилителя с зоной насыщения 4 поступает на вход компаратора 7. В компараторе 7 происходит сравнение сигнала с выхода нелинейного усилителя с зоной насыщения 4 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 18. Если сигнал с выхода нелинейного усилителя с зоной насыщения 4 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 18, то на выходе компаратора 7 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 7 низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 7 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 7, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 8, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 9 и 10, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 18, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 8) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик И производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 9, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 10. Реверсивный двоичный счетчик 11 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 12 и суммирующим двоичным счетчиком 13. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 12, сигнал с выхода схемы сравнения 12 поступает на вход триггера 14. Сигнал с выхода триггера 14, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 15. Стабилизация параметров электронного ключа 15 осуществляется генератором тока 16. На выходе электронного ключа 15 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 12. На датчик момента 17 поступает сигнал с выхода электронного ключа 15 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 11. Датчик момента 17 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 11 является выходом устройства для измерения ускорений в виде цифрового кода.The device for measuring acceleration works as follows. Under acceleration, the deviation of the sensitive element 1 is recorded by angle sensor 2, the excitation windings of which are connected to the output of the reference voltage generator 3. The signal from angle sensor 2, after amplification by a nonlinear amplifier with saturation zone 4, is supplied to both the input of low-pass filter 5 and comparator input 7. The output of the low-pass filter 5 is connected to one of the inputs of the nonlinear amplifier with saturation zone 4 through integrator 6. Low-pass filter 5 and integrator 6 are included in the negative feedback of the nonlinear amplifier with saturation zone 4. Signal from the output of the nonlinear amplifier with saturation zone 4 arrives at the input of comparator 7. In comparator 7, the signal from the output of the nonlinear amplifier with saturation zone 4 is compared with the signal isolated from the stable frequency and amplitude signal from the output of the auxiliary frequency generator 18. If the signal from the output of the nonlinear amplifier with saturation zone 4 is greater triangular voltage from the output of the auxiliary frequency generator 18, then the output of comparator 7 will be a high logical level, if less, then the output of comparator 7 will be a low logical level. The level of the signal from the output of the comparator 7 depends on the deflection phase of the sensitive element 1. The signal from the output of the comparator 7, in the form of a level, is supplied to the input of the level converter 8, and then to the inputs of the waiting synchronous generators 9 and 10, which, with the help of the auxiliary frequency generator 18 , produce signals in the form of a pulse for each influence of the input signal (from the output of the level converter 8) equal to “1”. The reversible binary counter AND counts single pulses arriving from the output of the waiting synchronous generator 9, and subtracts the pulses coming from the output of the waiting synchronous generator 10. The reversing binary counter 11 represents positive information in direct code, and negative information in additional code, and converts additional The code is carried out by a comparison circuit 12 and a summing binary counter 13. After a logical comparison of the signals in the comparison circuit 12, the signal from the output of the comparison circuit 12 is supplied to the input of the trigger 14. The signal from the output of the trigger 14, in the form of a level, is supplied to the input of the electronic key 15. Stabilization parameters of the electronic key 15 are carried out by a current generator 16. At the output of the electronic key 15 there will be pulses, the number of which is proportional to the binary code arriving at the input of the comparison circuit 12. The torque sensor 17 receives a signal from the output of the electronic key 15 with the sign of the sign bit of the reversing binary counter 11. The torque sensor 17 compensates for the angular deviation of the sensitive element 1. The output of the reversible binary counter 11 is the output of the device for measuring acceleration in the form of a digital code.

Введение в отрицательную обратную связь нелинейного усилителя с зоной насыщения, низкочастотного фильтра и интегратора, позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом, работающее в режиме устойчивых автоколебаний, увеличить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерений и расширить полосу пропускания.The introduction of a nonlinear amplifier with a saturation zone, a low-pass filter and an integrator into the negative feedback makes it possible to create a device for measuring accelerations with astatism, operating in the mode of stable self-oscillations, increasing the open-loop transmission coefficient, increasing the accuracy of measurements and expanding the bandwidth.

Claims

A device for measuring acceleration, containing a sensitive element, the deviation of which is recorded by an angle sensor, the input of which is connected to a reference voltage generator, a torque sensor, one of the inputs of which is connected to the output of an electronic key, the input of which is connected to a current generator, a comparator connected to the input of a comparison circuit through a level converter connected in series at the information inputs, two waiting synchronous generators, a reversing binary counter, as well as a summing binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, and the input is connected to the output of the auxiliary frequency generator, additional inputs of the comparator, level converter, two waiting synchronous generators, a reversing binary counter are connected to an auxiliary frequency generator, the output of the comparison circuit is connected to an electronic switch through a trigger, characterized in that it contains analog negative feedback from the output of a nonlinear amplifier with a saturation zone to one of its inputs through a low-frequency filter both the integrator and the input of the nonlinear amplifier with a saturation zone are connected to the output of the angle sensor, and the output of the nonlinear amplifier with a saturation zone is connected to the comparator, and the output of the up/down binary counter is the digital output of the device.