RU2555215C1 - Compensation-type accelerometer - Google Patents
Compensation-type accelerometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2555215C1 RU2555215C1 RU2014107221/28A RU2014107221A RU2555215C1 RU 2555215 C1 RU2555215 C1 RU 2555215C1 RU 2014107221/28 A RU2014107221/28 A RU 2014107221/28A RU 2014107221 A RU2014107221 A RU 2014107221A RU 2555215 C1 RU2555215 C1 RU 2555215C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- binary counter
- inputs
- negative feedback
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной техники и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах для измерения механических величин компенсационного типа.The invention relates to measuring equipment and is intended for use in compensation type devices with a digital output in stabilization, navigation and guidance systems. It can find application in devices for measuring mechanical values of the compensation type.
Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, кл. 6 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, class 6 G01P 15/13, publ. 10.12.97) containing a sensing element including two stationary electrodes and a movable plate, three amplifiers, two resistors, with the output of the first the amplifier is 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 when exposed to electrical noise, a reference voltage source, an electric signal generator, two transistor pairs, three resistors, two capacitors are introduced into it, which allow compensation of electrical noise due to the coverage of the amplifier with negative feedback.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связи 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 компенсационный акселерометр (описанное в пат. РФ. Компесационный акселерометр, RU 2397498 С1, опубл. в бюл. изобретений 20.08.2010 г., №23), содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, интегрирующий усилитель, датчик момента, электронный ключ, пороговый элемент, дополнительный интегрирующий усилитель, включенные в отрицательную обратную связь, введены отрицательные обратные связи, одна с выхода датчика угла на вход сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, фазовый детектор отрицательной обратной связи, преобразователь напряжение-ток, другая с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход сумматора через последовательно соединенные по информационным входам сглаживающий фильтр, дополнительный интегрирующий усилитель, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, пороговый элемент, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, второй вход схемы сравнения соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика, и дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, суммирующего двоичного счетчика, реверсивного двоичного счетчика соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы датчика угла, фазового детектора отрицательной обратной связи соединены с выходом генератора опорного напряжения, и выход сумматора соединен с входом датчика момента, выходы с реверсивного двоичного счетчика и преобразователя напряжение-ток являются соответственно цифровым и аналоговым выходом компенсационного акселерометра.The closest in technical solution is a compensation accelerometer (described in US Pat. RF. Compensation accelerometer, RU 2397498 C1, publ. In the invention bulletin 20.08.2010, No. 23), containing a sensitive element, the angular position of which is fixed by an angle sensor, integrating amplifier, torque sensor, electronic key, threshold element, additional integrating amplifier included in the negative feedback, negative feedbacks are introduced, one from the output of the angle sensor to the input of the adder through sequentially connecting the integrating amplifier, phase negative feedback detector, voltage-current converter, and the other from the output of the negative feedback phase detector to the adder input through a smoothing filter sequentially connected to the information inputs, an additional integrating amplifier, comparator, level converter, a couple of synchronous latches generators, reversible binary counter, comparison circuit, threshold element, electronic key, the input of which is connected to the output of the generator current, the second input of the comparison circuit is connected to the output of the summing binary counter, and the additional inputs of the comparator, waiting for synchronous generators, the summing binary counter, the reversing binary counter are connected to the output of the auxiliary frequency generator, the additional inputs of the angle sensor, the phase detector of negative feedback are connected to the output the reference voltage generator, and the output of the adder is connected to the input of the torque sensor, the outputs from the reversible binary counter and voltage converter current are respectively the digital and analog output of the compensation accelerometer.
Недостатком подобного компенсационного акселерометра 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. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.The disadvantage of such a compensation accelerometer is the low accuracy of the measurement, due to the accuracy of the integrating analog amplifiers and the threshold element. In addition, the accuracy of the measurement depends on the parameters of the electronic key circuit that selects the information. The main error of the device is associated with the finiteness of the charge time of the capacitor of the integrating amplifier. This error leads to an aperture error inherent in a similar sampling and information processing scheme.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.An object of the present invention is to expand the bandwidth of a compensation accelerometer and increase the measurement accuracy.
Поставленная задача решена за счет того, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, соединенный с выходом датчика угла через интегрирующий усилитель, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазового детектора отрицательной обратной связи, последовательно соединенные по информационным входам с выхода компаратора на вход схемы сравнения, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, а также суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, пороговый элемент, выход которого соединен с одним из входов датчика момента через электронный ключ, а вход с выходом схемы сравнения, генератор тока соединенный с входом электронного ключа, генератор вспомогательной частоты, соединенный с входами компаратора, пары ждущих синхронных генераторов, суммирующего двоичного счетчика и реверсивного двоичного счетчика, введены с выходов фазового детектора отрицательной обратной связи на один из входов датчика момента фильтр с передаточной функцией , (где Т - постоянная времени, n - параметр, связанный с запасом по фазе Δφ зависимостью , s - оператор преобразования Лапласа), и на вход компаратора стабилизирующая цепь, содержащая два контура, с отставанием по фазе, с передаточной функцией (где T2>T1, Т1, T2 - постоянные времени стабилизирующей цепи), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.The problem is solved due to the fact that in the compensation accelerometer containing a sensitive element, the angular position of which is fixed by the angle sensor, a negative feedback phase detector connected to the output of the angle sensor through an integrating amplifier, a reference voltage generator, the outputs of which are connected to the inputs of the angle sensor and negative feedback phase detector, connected in series through information inputs from the output of the comparator to the input of the comparison circuit, level converter, steam waiting synchronous generators, a reversible binary counter, as well as a summing binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, a threshold element, the output of which is connected to one of the inputs of the torque sensor via an electronic key, and the input to the output of the comparison circuit, the current generator connected to the electronic key input, an auxiliary frequency generator connected to the comparator inputs, pairs of standby synchronous generators, a summing binary counter and a reversible binary counter are input in the phase detector of negative feedback to one of the inputs of the torque sensor filter with transfer function , (where T is the time constant, n is the parameter associated with the phase margin Δφ as , s is the Laplace transform operator), and to the input of the comparator a stabilizing circuit containing two circuits, with a phase lag, with a transfer function (where T 2 > T 1 , T 1 , T 2 are the time constants of the stabilizing circuit), and the output of the reversible binary counter is the digital output of the compensation accelerometer.
Введение в компенсационный акселерометр двух отрицательных обратных связей, одна из которых содержит фильтр, а другая стабилизирующую цепь, с двумя контурами с отставанием по фазе, позволяет создать устройство для измерения ускорений повышенной точности, работающее в автоколебательном режиме, с астатизмом по отклонению и по скорости, с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием. Кроме того, введение в компенсационный акселерометр стабилизирующей цепи позволяет исключить появление апериодической составляющей, что в конечном итоге влияет на точность измерения ускорения.The introduction into the compensation accelerometer of two negative feedbacks, one of which contains a filter and the other a stabilizing circuit, with two circuits with a phase lag, allows you to create a device for measuring accelerations of increased accuracy, operating in self-oscillating mode, with astatism in deviation and speed, with expanded bandwidth and significant performance. In addition, the introduction of a stabilizing circuit into the compensation accelerometer eliminates the appearance of an aperiodic component, which ultimately affects the accuracy of the acceleration measurement.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра, на фиг.2 приведена схема моделирования компенсационного акселерометра, на фиг.3 - результаты моделирования компенсационного акселерометра.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a functional diagram of a compensation accelerometer, Fig. 2 shows a simulation diagram of a compensation accelerometer, and Fig. 3 shows the simulation results of a compensation accelerometer.
Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом интегрирующего усилителя 3. Выход интегрирующего усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС). Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4 соединены с выходом генератора опорного напряжения 5 (ГОН). Один из выходов ФДООС 4 соединен с входом фильтра 6 с передаточной функцией (где Т - постоянная времени, n - параметр, связанный с запасом по фазе Δφ зависимостью , s - оператор преобразования Лапласа). Другой выход ФДООС 4 соединен с входом стабилизирующей цепи 7. Стабилизирующая цепь 7 содержит два контура с отставанием по фазе с передаточной функцией (где T2>T1, Т1,Т2 - постоянные времени стабилизирующей цепи). Выход стабилизирующей цепи 7 соединен с входом компаратора 8. Выход компаратора 8 соединен с входом преобразователя уровня 9, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 10 и 11. Выходы ЖСГ 10 и 11 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 12. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 соединен с входом схемы сравнения 13. Другой вход схемы сравнения 13 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 14. Выход схемы сравнения 13 соединен с входом с порогового элемента 15. Выход порогового элемента 15 соединен с входом электронного ключа 16, другой вход электронного ключа 16 соединен с выходом генератора тока 17. Выход электронного ключа 16 соединен с одним из входов датчика момента 18, другой вход которого соединен с выходом фильтра 6. Дополнительные входы компаратора 8, ЖСГ 10 и 11, реверсивного двоичного счетчика 12, суммирующего двоичного счетчика 14 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 19.The compensation accelerometer contains a
Внутреннее содержание ФДООС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, порогового элемента, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора, интегрирующего усилителя, дифференцирующих фильтров и интегратора приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т1-3, 1993; Н.Т. Кузовков. Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1968.The internal contents of the PDEOS, the comparator, waiting synchronous generators, a reversible binary counter, a comparison circuit, a threshold element, a summing binary counter, a level converter, an adder, an integrating amplifier, differentiating filters and an integrator are given in the book: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. M .: Mir, t1-3, 1993; N.T. Bodywork. Dynamics of automatic control systems. M .: Engineering, 1968.
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный m·l·W (где m, l - масса и длина маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 5. Сигнал с датчика угла 2, после усиления интегрирующим усилителем 3, поступает на вход ФДООС 4. С помощью ФДООС 4 и ГОН 5 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1, и на выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода ФДООС 4 в виде напряжения поступает на вход фильтра 6, а затем на один из входов датчика момента 18. Один из выходов ФДООС 4 соединен с входом стабилизирующей цепи 7. Стабилизирующая цепь 7, содержащая два контура с отставанием по фазе, обеспечивает малое быстродействие при малом входном ускорении и высокое быстродействие при значительном ускорении (фиг.3). Выход стабилизирующей цепи 7 соединен с входом компаратора 8. В компараторе 8 происходит сравнение сигнала с выхода стабилизирующей цепи 7 с сигналом выделенного стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 19. Если сигнал с выхода 7 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 19, то на выходе компаратора 8 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 8 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 8 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 8 в виде уровня поступает на вход преобразователя уровня 9, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 10 и 11, которые с помощью генератора вспомогательной частоты 19 выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 9), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 12 по сигналу с генератора вспомогательной частоты 19 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 10, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 11. Реверсивный двоичный счетчик 12 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 13 и суммирующим двоичным счетчиком 14. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 13 сигнал с выхода 13 поступает на вход порогового элемента 15, а затем в виде уровня на вход электронного ключа 16. Стабилизацию параметров электронного ключа 16 осуществляет генератор тока 17. На выходе электронного ключа 16 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 13. На вход датчика момента 18 поступают сигналы как с выхода фильтра 6, так и с выхода электронного ключа 16. Сигнал, поступающий на токовую обмотку датчика момента 18, будет со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 12. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра. Отрицательная обратная связь, реализованная с выхода датчика угла 2 на вход датчика момента 18 и содержащая интегрирующий усилитель 3, ФДООС 4 и фильтр 6, с передаточной функцией , осуществляет стабилизацию параметров компенсационного акселерометра. Отрицательная обратная связь, введенная с выхода датчика угла 2 на один из входов датчика момента 18 и содержащая интегрирующий усилитель 3, ФДООС 4, стабилизирующую цепь 7, содержащую два контура, с отставанием по фазе, передаточной функцией , компаратор 8, преобразователь уровня 9, пару ЖСГ 10 и 11, реверсивный двоичный счетчик 12, схему сравнения 13, пороговый элемент 15, электронный ключ 16, обеспечивает различное быстродействие компенсационного акселерометра при различном входном воздействии и астатизм по отклонению и по скорости.Compensation accelerometer works as follows. Under the action of the acceleration W on the
Моделирование аналоговой модели компенсационного акселерометра (фиг.2) при параметрах: Т=0.2 с, при ширине зоны неоднозначности порогового элемента, равной ±0.01, и результаты моделирования представлены на фиг.3. Из анализа переходных процессов следует, что устройство устойчиво (устойчивость обеспечивает фильтр 6) и на выходе модели имеем дискретные сигналы, частота которых зависит от параметров устройства.Modeling an analog model of a compensation accelerometer (Fig. 2) with parameters: T = 0.2 s, with the width of the ambiguity zone of the threshold element equal to ± 0.01, and the simulation results are presented in Fig. 3. From the analysis of transients it follows that the device is stable (filter 6 provides stability) and at the model output we have discrete signals whose frequency depends on the device parameters.
Введение в компенсационный акселерометр двух отрицательных обратных связей позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом, работающее в автоколебательном режиме, с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием.The introduction of two negative feedbacks into the compensation accelerometer allows you to create a device for measuring accelerations with astatism, operating in a self-oscillating mode, with an expanded bandwidth and significant speed.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014107221/28A RU2555215C1 (en) | 2014-02-25 | 2014-02-25 | Compensation-type accelerometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014107221/28A RU2555215C1 (en) | 2014-02-25 | 2014-02-25 | Compensation-type accelerometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2555215C1 true RU2555215C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538324
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014107221/28A RU2555215C1 (en) | 2014-02-25 | 2014-02-25 | Compensation-type accelerometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2555215C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3646818A (en) * | 1970-01-08 | 1972-03-07 | Us Army | Compensated output solid-state differential accelerometer |
US5396439A (en) * | 1991-08-20 | 1995-03-07 | Nec Corporation | Acceleration sensing device having negative feedback loop |
RU2397498C1 (en) * | 2009-02-04 | 2010-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
RU2411522C1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
RU2415442C1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
-
2014
- 2014-02-25 RU RU2014107221/28A patent/RU2555215C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3646818A (en) * | 1970-01-08 | 1972-03-07 | Us Army | Compensated output solid-state differential accelerometer |
US5396439A (en) * | 1991-08-20 | 1995-03-07 | Nec Corporation | Acceleration sensing device having negative feedback loop |
RU2397498C1 (en) * | 2009-02-04 | 2010-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
RU2411522C1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
RU2415442C1 (en) * | 2009-11-05 | 2011-03-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Compensation accelerometre |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2513667C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2415442C1 (en) | Compensation accelerometre | |
RU2449293C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2397498C1 (en) | Compensation accelerometre | |
RU2363957C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2478211C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2724241C1 (en) | Compensatory accelerometer | |
RU2405160C1 (en) | Acceleration measurement device | |
RU2411522C1 (en) | Compensation accelerometre | |
RU2359277C1 (en) | Compensation accelerometre | |
RU2539826C2 (en) | Compensation-type accelerometer | |
RU2555215C1 (en) | Compensation-type accelerometer | |
RU2526589C1 (en) | Accelerometer | |
RU2308038C1 (en) | Device for measuring acceleration | |
RU2696667C1 (en) | Accelerometer | |
RU2513665C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2700339C1 (en) | Compensatory accelerometer | |
RU2541720C1 (en) | Compensation-type accelerometer | |
RU2676177C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2740875C1 (en) | Device for measuring accelerations | |
RU2780407C1 (en) | Device for measuring accelerations | |
RU2676217C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2527660C1 (en) | Accelerometer | |
RU2792706C1 (en) | Compensation accelerometer | |
RU2758196C1 (en) | Acceleration measuring device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160226 |