устройство для определения ускорения

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСКОРЕНИЯ, содержащее маятниковый чувствительный элемент, датчик углового положения и силовой датчик момента, установленный на оси вращения маятника, электронный блок управления возвратом маятника в исходное положением относительно корпуса, блок двойного дифференцирования, по входу подключенного к выходу датчика угла, а по выходу - к блоку умножения на масштабный коэффициент, отличающееся тем, что в него введен квантователь по времени сигнала с датчика угла, блок коррекции масштабного коэффициента и блок деления, вход делимого которого подключен к выходу блока умножения на масштабный коэффициент, а вход делителя - выходу блока коррекции, по входу подключенного к выходу квантователя, выход которого соединен с входом блока двойного дифференцирования, а выходом устройства является выход блока деления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения ускорения с повышенной точностью, например, летательных аппаратов.

Известен маятниковые позиционные акселерометры с различными подвесами, содержащие инерционную массу, выполненную в виде маятника с осью вращения, фиксированной относительно корпуса, устройство обратной связи, состоящее из датчика угла, силового датчика момента, усилителя обратной связи, а протекающий ток (напряжение) в цепи обратной связи пропорционален ускорению [1]

Общим недостатком таких акселерометров являются ограниченные точность, чувствительность и диапазоны измеряемых ускорений.

Известны импульсно-инерционные акселерометры, чувствительные элементы (ЧЭ) которых выполнены в форме шара, размещенного в полости корпуса, содержащие систему бесконтактной подвески, электронный блок управления возвратом шара в центр полости, систему датчиков перемещения в виде измерительных катушек и цифровые блоки двойного дифференцирования сигналов с датчиков перемещения шара [2]

Недостатками таких устройств являются сложность технологии изготовления и ограниченность базы движения.

Наиболее близкими к предлагаемому устройству по принципу работы и конструктивному исполнению являются маятниковые чувствительные элементы, называемые измерительно-преобразовательными головками (ИПГ), работающие в импульсно-инерционном режиме, включающем режим возврата и удержания ЧЭ в исходном положении под воздействием силового управления и режим измерений и преобразований выходного сигнала с датчика угла, пропорционального углу поворота маятника, путем двойного дифференцирования и умножения на масштабный коэффициент. Такое устройство содержит маятниковый чувствительный элемент, датчик углового положения и силовой датчик момента, установленный на оси вращения маятника, электронный блок управления возвратом маятника, электронный блок управления возвратом маятника в исходное положение относительно корпуса, блок двойного дифференцирования, по входу подключенный к выходу датчика угла, а по выходу к блоку умножения на масштабный коэффициент [3]

Недостатками такого устройства являются малый угол поворота и снижение точности измерения ускорения при увеличении угла поворота маятника.

Целью изобретения является повышение точности определения ускорения при увеличении диапазона угла поворота маятника.

Цель достигается тем, что в устройство введен квантователь выходного сигнала с датчика угла, блок коррекции масштабного коэффициента и блок деления, вход делимого которого подключен к выходу блока умножения на масштабный коэффициент, а вход делителя к выходу блока коррекции, по входу подключенного к выходу квантователя, выход которого соединен с входом блока двойного дифференцирования, а выходом устройства является выход блока деления.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 структурная схема блока коррекции.

Устройство состоит из маятникового чувствительного элемента (ЧЭ) 1, датчика 2 угла поворота ЧЭ, силового датчика 3 момента, электронного блока 4 управления возвратом ЧЭ в исходное положение, квантователя 5 по времени, блок 6 двойного дифференцирования, блока 7 умножения на масштабный коэффициент, блока 8 коррекции масштабного коэффициента, блока 9 деления.

Чувствительный элемент 1 представляет собой неуравновешенный маятник с массой m, находящийся на расстоянии l от оси вращения, установленной на подвесах с минимальным трением. На оси вращения маятника установлены, например, силовой электромагнитный датчик 3 момента, обеспечивающий управление возвратом маятника в исходное положение при протекании тока по обмотке, и фотодатчика 2, с которого снимается напряжение U (ток), пропорциональное углу поворота маятника.

Электронный блок 4 по сигналу "Возврат" вырабатывает, например, релейное управление для возврата ЧЭ в исходное положение путем подключения силового датчика 3 момента к источнику тока на определенное время, квантователь 5 осуществляет амплитудно-импульсную модуляцию с периодом Т. Функцию квантователя может выполнять и аналого-цифровые преобразователи.

Блок 6 двойного дифференцирования реализует, например, зависимость

U₁= {U(KT)-2U[(K-1)T]+U[(K-2)T] U(KT)

Блок 7 умножения обеспечивает получение

U₂ K₁U₁ (2) где К₁ масштабный коэффициент, например, равный J/ml,

J момент инерции;

ml маятниковость маятника.

Блок 8 коррекции масштабного коэффициента реализует зависимость

K₂ 2cos(U(K-1)T cos (U([K-2)T]), (3) где U[(K-1)T] и U[(K-2)T] прошлое дискретное значение сигнала с датчика 2 угла.

На фиг. 2 изображена структурная схема блока коррекции, соответствующая зависимости (3). Блок коррекции содержит элементы задержки Т (памяти) на Т_с, два блока вычисления косинуса, умножитель на коэффициент два и сумматор с прямым и инверсным входами.

Блок 9 деления вырабатывает значение действующего на ЧЭ ускорения путем деления сигнала U₂ на сигнал K₂ с корректирующего блока.

Устройство работает следующим образом.

По команде "Возврат" блок 4 управления подключает источник питания к датчику 3 момента и маятник, преодолевая внешнее воздействие, поворачивается на некоторый угол вплоть до соприкосновения с корпусом и может удерживаться в исходном положении до снятия команды "Возврат". По заднему фронту этой команды запускается квантователь 5 с небольшой временной задержкой, необходимой для исключения влияния тока самоиндукции на движение маятника, возникающего в обмотке датчика момента при отключении питания. Это время задержки ₃ (3-4) , где L/R постоянное время за счет индуктивности L обмотки и активного сопротивления R контура протекания тока самоиндукции. С выхода квантователя 5 следуют импульсы через каждое Т_с, амплитуда которых равна значению выходного сигнала с датчика угла.

При поступлении с квантователя первых трех и последующих импульсов в виде

U[(K-2)T] U[(K-1)T] U(KT),

U[(K+1)T] U[(K+2] T] на вход блок 6 с его выхода следуют импульсы, по амплитуде равные двойной производной. Эти импульсы поступают через блок 7 умножения на вход делимого блока 9 деления, а на вход делителя корректирующий импульс с блока 8, реализующий зависимость (3). С выхода делителя за время движения маятника из исходного начального положения в конечное положение, следуют один или несколько импульсов, по амплитуде равных измеряемому ускорению.

Очевидно, зависимости (1), (2), (3) и деление могут быть реализованы и цифровым спецвычислителем на основе микропроцессора. В этом случае за время движения маятника можно несколько раз определять ускорение, а для дальнейшего повышения точности вычислять среднее значение. Для этого требуется увеличить угол поворота маятника и уменьшить период дискретности Т до минимального возможных значений. При этом вначале следует накопить как можно больше информации о значениях угла поворота маятника через каждые Т_с, а затем ее отработать по зависимостям (1) (3) и усреднить.