устройство для измерения параметров ударного импульса

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель; второй пьезоакселерометр и второй усилитель; третий пьезоакселерометр и третий усилитель; аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти; генератор; автономный однополярный источник питания; первый преобразователь напряжения питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные четвертый акселерометр и четвертый усилитель; четыре нормирующих усилителя, соединенных первыми входами соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого усилителей, а выходами соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами аналого-цифрового преобразователя; второй преобразователь напряжения питания, соединенный вторым и третьим входами соответственно со вторым и первым выходами автономного однополярного источника питания и четвертым и третьим входами первого преобразователя напряжения питания; регистр объединения полубайтов, соединенный первым и вторым входами со вторым выходом аналого-цифрового преобразователя; второй блок памяти, соединенный первым входом с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, первым входом первого блока памяти и выходом регистра объединения полубайтов; последовательно соединенные регистр считывания, вход которого соединен с выходом регистра объединения полубайтов, и коммутатор; микроконтроллер, первый вход которого соединен с выходом генератора, второй вход соединен со вторым выходом коммутатора; формирователь управляющих сигналов, соединенный первым выходом с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, пятым выходом с третьим входом регистра объединения полубайтов, вторым и третьим выходами соответственно со вторым и третьим входами первого и второго блоков памяти; контроллер оперативной памяти, соединенный первым выходом с шестыми входами блоков памяти, третьим и вторым выходами соответственно с четвертыми входами первого и второго блоков памяти, вторым входом с первым выходом автономного однополярного источника питания, а первым входом с первым выходом формирователя управляющих сигналов; регистр начальных установок, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора; управляемый делитель частоты, первый и второй входы которого соединены соответственно с седьмым и восьмым выходами регистра начальных установок, третий вход соединен с выходом генератора, а выход с первым входом формирователя управляющих сигналов, соединенного вторым и третьим входами соответственно с первым и вторым выходами регистра начальных установок, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьими и вторыми входами первого и второго нормирующих усилителей, а пятый и шестой выходы соединены соответственно с третьими и вторыми входами третьего и четвертого нормирующих усилителей; счетчик адреса, соединенный входом с четвертым выходом формирователя управляющих сигналов, а выходом с пятыми входами первого и второго блоков памяти; формирователь интерфейса, соединенный входом с третьим входом-выходом микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с шестыми входами первого и второго блоков памяти, а первый выход с первым входом первого преобразователя напряжения питания, соединенного вторым выходом с первым входом второго преобразователя напряжения питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области гравиинерциальных измерений, а именно к измерению параметров ударных импульсов.

При проведении испытаний различной аппаратуры на воздействие ударных перегрузок возникает задача измерения их параметров: значения перегрузки, длительности ударного импульса, формы ударного импульса, скорости нарастания и спада амплитуды ударного импульса, спектра непосредственно на корпусе испытуемого прибора. Для этого необходимо использование малогабаритных автономных регистраторов ударных воздействий.

Известно устройство для контроля формы ударного импульса (см. авторское свидетельство СССР, №490019, 1973 г., кл. G01Р 15/00), содержащее пьезоакселерометр, предусилитель, фильтр, усилитель, блок регистрации с индикатором, блок памяти, а также второй усилитель с переменным коэффициентом усиления, двухуровневую схему сравнения и схему сигнализации. Это устройство предназначено для сравнения формы измеряемого ударного импульса с формой заданного эталонного импульса и не позволяет детально контролировать другие параметры ударного импульса - длительность, скорость нарастания и спада амплитуды, спектр и т.д.

Известно также устройство для измерения длительности ударных импульсов (см. авторское свидетельство СССР, №550880, 1973, кл. G01P 15/00), состоящее из пьезоакселерометра, согласующего усилителя, фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом коммутатора и схемой запоминания пикового значения амплитуды ускорения. Выходы коммутатора связаны с блоком многоканальной памяти, а он, в свою очередь, связан со вторым коммутатором. Выход коммутатора через буферный усилитель и сглаживающий фильтр подключен к самописцу уровня и пороговому устройству регистратора длительности. Схема запоминания пикового значения соединена с аналого-цифровым преобразователем и через потенциометр с пороговым устройством. Блок памяти с коммутаторами и регистратор длительности, состоящий из вентиля, счетчика и индикатора управляются от синхронизатора. Устройство обеспечивает возможность измерения длительности ударного импульса и пикового значения его амплитуды.

Недостаток этого устройства заключается в том, что оно не позволяет запомнить форму ударного импульса с целью проведения всестороннего анализа для определения его параметров: длительности, амплитуды, формы, скорости нарастания и спада амплитуды, спектра и т.д. Кроме того, устройство не может быть реализовано с малыми габаритами и малым энергопотреблением, т.к. оно содержит самописец и другие крупногабаритные энергоемкие узлы. Наличие таких узлов не позволяет измерять с помощью данного устройства параметры коротких ударных импульсов в экстремальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения параметров ударного импульса (см. патент РФ №2237903, кл. G01P 15/09), содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель, а также аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, последовательно соединенные второй пьезоакселерометр и второй усилитель; последовательно соединенные третий пьезоакселерометр и третий усилитель; усилители выполнены с двумя входами, аналого-цифровой преобразователь - с четырьмя входами, три из которых соединены, соответственно, с выходами усилителей; последовательно соединенные автономный однополярный источник питания и преобразователь напряжения питания; последовательно соединенные источник опорного напряжения и усилитель тока, соединенный выходом со вторыми входами первого, второго и третьего усилителя; последовательно соединенные генератор и устройство управления; переключатель напряжения, соединенный первым и вторым входами, соответственно, с выходом автономного однополярного источника питания и выходом преобразователя напряжения питания, а выходом - с первым входом блока памяти, второй вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя и вторым входом устройства управления, выход которого соединен со вторым входом преобразователя напряжения питания; выход источника опорного напряжения соединен с четвертым входом аналого-цифрового преобразователя. Это устройство позволяет измерять следующие характеристики ударных импульсов: форму, амплитуду, длительность, скорость нарастания и спада амплитуды, спектр удара и т.д.

Недостаток прототипа заключается в том, что это устройство имеет неизменное значение диапазона измерения амплитуды входных ударных воздействий. Это приводит к тому, что при уровнях входных сигналов менее 10% от амплитудного диапазона в 5-10 раз увеличивается погрешность измерения амплитуды ударного импульса. Кроме того, в нем не обеспечивается возможность регистрации ударных воздействий с различными частотами квантования и, соответственно, различными длительностями их записи.

В результате оказывается невозможным идентифицировать параметры как коротких, длительностью 100-200 мкс, так и длинных ударных импульсов, длительностью до нескольких миллисекунд, с одинаковыми погрешностями измерения.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является уменьшение погрешности измерения за счет изменения программно-управляемым способом диапазонов измеряемых амплитуд ударных импульсов и частоты преобразования входных импульсов и, соответственно, длительностей записи ударных воздействий (при неизменном объеме памяти).

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения параметров ударного импульса, содержащее последовательно соединенные первый пьезоакселерометр и первый усилитель; второй пьезоакселерометр и второй усилитель; третий пьезоакселерометр и третий усилитель; аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти; генератор; автономный однополярный источник питания; первый преобразователь напряжения питания, дополнительно введены последовательно соединенные четвертый акселерометр и четвертый усилитель; четыре нормирующих усилителя, соединенных первыми входами, соответственно, с выходами первого, второго, третьего и четвертого усилителей, а выходами, соответственно, с первым, вторым, третьим и четвертым входами аналого-цифрового преобразователя; второй преобразователь напряжения питания, соединенный вторым и третьим входами соответственно, со вторым и первым выходами автономного однополярного источника питания и четвертым и третьим входами первого преобразователя напряжения питания; регистр объединения полубайтов, соединенный первым и вторым входами с вторым выходом аналого-цифрового преобразователя; второй блок памяти, соединенный первым входом с первым выходом аналого-цифрового преобразователя, первым входом первого блока памяти и выходом регистра объединения полубайтов; последовательно соединенные регистр считывания, вход которого соединен с выходом регистра объединения полубайтов, и коммутатор; микроконтроллер, первый вход которого соединен с выходом генератора, а второй вход соединен со вторым выходом коммутатора; формирователь управляющих сигналов, соединенный первым выходом с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, пятым выходом с третьим входом регистра объединения полубайтов, вторым и третьим выходами соответственно со вторым и третьим входами первого и второго блоков памяти; контроллер оперативной памяти, соединенный первым выходом с шестыми входами блока памяти, третьим и вторым выходами, соответственно, с четвертыми входами первого и второго блоков памяти, вторым входом с первым выходом автономного однополярного источника питания, а первым входом с первым выходом формирователя управляющих сигналов; регистр начальных установок, первый вход которого соединен с первым выходом коммутатора; управляемый делитель частоты, первый и второй входы которого соединены с седьмым и восьмым выходами регистра начальных установок, третий вход соединен с выходом генератора, а выход с первым входом формирователя управляющих сигналов, соединенного вторым и третьим входами, соответственно, с первым и вторым выходами регистра начальных установок, третий и четвертый выходы которого соединены, соответственно, с третьими и вторыми входами первого и второго нормирующих усилителей, а пятый и шестой выходы соединены, соответственно, с третьими и вторыми входами третьего и четвертого нормирующих усилителей; счетчик адреса, соединенный входом с четвертым выходом формирователя управляющих сигналов, а выходом с пятыми входами первого и второго блоков памяти; формирователь интерфейса, соединенный входом с третьим входом - выходом микроконтроллера, четвертый вход которого соединен с шестыми входами первого и второго блоков памяти, а первый выход с первым входом первого преобразователя напряжения питания, соединенного вторым входом с первым входом второго преобразователя напряжения питания.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Устройство для измерения параметров ударного импульса содержит четыре однокомпонентных пьезоэлектрических преобразователя ударных импульсов (ускорений) в электрический сигнал (пьезоакселерометров) 1-4; четыре усилителя электрического заряда 5-8; четыре нормирующих усилителя (НУ); 9-12 двенадцатиразрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13; первый 14 и второй 15 блоки памяти; регистр объединения полубайтов 16; формирователь управляющих сигналов (ФУС) 17; счетчик адреса 18; контроллер оперативной памяти 19; управляемый делитель частоты 20; регистр начальных установок 21; регистр считывания 22; коммутатор 23; микроконтроллер 24; генератор 25; формирователь интерфейса 26; первый 27 и второй 28 преобразователи напряжения питания; автономный однополярный источник питания (АИП) 29.

Выходы пьезоакселерометров 1-4 подключены к соответствующим входам усилителей заряда 5-8, выходы которых подключены, соответственно, к первым входам НУ 9-12, вторые входы первого 9 и второго 10 НУ соединены, соответственно, с четвертым выходом, а третьего 11 и четвертого 12 НУ с шестым выходом регистра начальных установок 21, третьи входы первого 9 и второго 10 НУ соединены с третьим, а третьего 11 и четвертого 12 НУ с пятым выходом регистра начальных установок 21, седьмой и восьмой выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами управляемого делителя частоты 20.

Выходы НУ 9-12 подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому входам АЦП 13, к пятому входу которого подсоединен первый выход ФУС 17, который также подключен к первому входу контроллера оперативной памяти 19, второй вход которого соединен с первым выходом АИП 29.

Первый выход АЦП 13 подключен к первым входам блоков памяти 14 и 15, а также ко входу регистра считывания 22, а второй выход АЦП 13 подключен к первому и второму входам регистра объединения полубайтов 16, выход которого подключен к первым входам блоков памяти 14 и 15. Первый вход ФУС 17 соединен с выходом управляемого делителя частоты 20, а второй и третий входы ФУС 17 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами регистра начальных установок 21. Второй выход ФУС 17 соединен со вторыми входами блоков памяти 14 и 15, а третий выход ФУС 17 соединен с третьими входами блоков памяти 14 и 15. Четвертый выход ФУС 17 соединен с входом счетчика адреса 18, а пятый выход ФУС 17 соединен с третьим входом регистра объединения полубайтов 16. Выходная шина счетчика адреса 18 соединена с пятыми входами первого 14 и второго 15 блоков памяти. Первый выход контроллера оперативной памяти 19 соединен с шестыми входами первого 14 и второго 15 блоков памяти и с четвертым входом микроконтроллера 24; второй выход контроллера оперативной памяти 19 соединен с четвертым входом второго блока памяти 15, а третий его выход соединен с четвертым входом первого блока памяти 14. Выход регистра считывания 22 соединен со входом коммутатора 23, первый выход которого соединен с первым входом регистра начальных установок 21, а второй его выход соединен со вторым входом микроконтроллера 24. Первый вход микроконтроллера 24 соединен с выходом генератора 25 и третьим входом управляемого делителя частоты 20. Третий выход микроконтроллера 24 соединен с формирователем интерфейса 26, а на пятый вход микроконтроллера 24 подается внешний сигнал "запись". Первый выход микроконтроллера 24 соединен с первым входом преобразователя напряжения питания 27. Выход формирователя интерфейса 26 соединен с персональным компьютером (ПК). На второй вход преобразователя напряжения питания 27 подается внешний сигнал "пуск", третий его вход соединен с третьим входом преобразователя напряжения питания 28, первым выходом АИП 29 и вторым входом контроллера оперативной памяти 19. Первый выход преобразователя напряжения питания 27 имеет обозначение +U, второй его выход соединен с первым входом преобразователя напряжения питания 28. Второй выход АИП 29 соединен, соответственно, с четвертым входом преобразователя напряжения питания 27 и вторым входом преобразователя напряжения питания 28. Выход преобразователя напряжения питания 28 имеет обозначение -U.

Все блоки размещены в общем прочном металлическом корпусе. При этом АИП 29 и электронные элементы защищены от ударных нагрузок путем помещения их в резиноподобный компаундный модуль.

Устройство для измерения параметров ударного импульса работает следующим образом. Перед установкой устройства на объект испытаний извне посредством кратковременного командного сигнала "пуск" включаются преобразователи напряжения питания 27 и 28, преобразующие напряжение питания АИП 29 в рабочее напряжение питания плюс 5 В и минус 5 В соответственно и осуществляющие питание всех электронных элементов устройства. После подачи рабочего напряжения включается микроконтроллер 24, который, работая по программе, управляет работой преобразователей напряжения питания 27 и 28 после прекращения действия командного сигнала "пуск". В микроконтроллер 24 по информационной линии связи через формирователь интерфейса 26 с помощью управляющей программы записываются с внешнего персонального компьютера необходимые исходные установки: частота преобразования АЦП 13; значение коэффициента преобразования нормирующих усилителей 9-12; номер поддиапазона преобразования по каждому каналу; чувствительность используемых внешних пьезоакселерометров 1-4. По окончании записи исходных установок управляющая программа посылает в микроконтроллер 24 команду на отключение всего устройства, после получения которой преобразователи напряжения питания 27 и 28 отключаются и микроконтроллер 24 остается подключенным через контроллер оперативной памяти 19 к АИП 29. Все установки сохраняются в памяти микроконтроллера 24. Затем устройство отключается от внешнего персонального компьютера.

После установки на объект испытаний устройство работает с использованием двух кратковременных внешних командных сигналов: "пуск" и "запись".

После повторной подачи на устройство сигнала "пуск" включаются преобразователи напряжения питания 27 и 28 и на схему подается рабочее напряжение. Включается микроконтроллер 24 и управляет по программе работой преобразователей напряжения питания 27 и 28 после прекращения действия сигнала "пуск". Далее, действуя по своей программе, микроконтроллер 24 переписывает заданные ранее исходные установки в регистр начальных установок 21 и формирователь управляющих сигналов 17. После записи исходных установок в ФУС 17 микроконтроллер 24 переходит в режим ожидания сигнала "запись" для продолжения работы. Сигнал "запись" подается за 15-20 мс до ударного воздействия на внешние пьезоакселерометры 1-4. При приходе извне сигнала "запись" микроконтроллер 24 выдает сигнал на начало работы ФУС 17. В соответствии с полученными установками ФУС 17 формирует сигналы, задающие коэффициент передачи нормирующих усилителей 9-12 с переключаемым коэффициентом передачи, а также все необходимые сигналы для управления работой АЦП 13 и для записи результатов измерений с внешних пьезоакселерометров 1-4, которые подверглись ударному воздействию, в блоки памяти 14 и 15. Затем результаты этих измерений считываются из блоков памяти 14 и 15 и через регистр считывания 22, коммутатор 23, микроконтроллер 24 и формирователь интерфейса 26 передаются для обработки во внешний персональный компьютер (ПК).

Для синхронизации работы и формирования последовательности управляющих сигналов для АЦП 13 первого и второго блоков памяти 14 и 15 используется генератор 25. Частота преобразования АЦП 13 формируется из частоты генератора 25 с помощью управляемого делителя частоты 20. Начальная установка значений частоты преобразования АЦП 13 осуществляется от микроконтроллера 24 с помощью регистра начальных установок 21, который управляет работой управляемого делителя частоты 20. Счетчик адреса 18 и контроллер оперативной памяти 19 осуществляют управление работой блоков памяти 14 и 15.

В предлагаемом техническом решении могут использоваться как внешние пьезоэлектрические преобразователи, так и внутренние, устанавливаемые в корпусе устройства. Они подключаются к первым входам усилителей 5-8.

Предлагаемые в устройстве схемотехнические решения позволяют производить увеличение числа информационных каналов. Для этого оно должно дополнительно оснащаться аналогичными четырехканальными преобразователями информации (ПИ). На чертеже элементы, входящие в состав четырехканального преобразователя, помещены в штрихпунктирную область и обозначены как ПИ1. Управление дополнительными ПИ осуществляется по общей шине от микроконтроллера 24. Таким образом, число каналов может быть увеличено до 8, 12 или 16.

В устройстве использована следующая элементная база: в качестве пьезоэлектрических преобразователей 1-4 использованы пьзоакселерометры типа АП; автономный источник питания 29 состоит из четырех аккумуляторов типа НЛЦ-0,9; зарядовые усилители 5-8 выполнены на основе операционных усилителей AD822BR; нормирующие усилители 9-12 на основе микросхемы INA2128U; аналого-цифровой преобразователь 13 типа ADS7862Y; блоки твердотельной памяти 14, 15 типа K6X4008C1F; генератор 25 на основе SG8002JF; преобразователи напряжения питания 27, 28 типа MAX1675EUA и MAX1697UEUT-T; устройство управления, состоящее из функциональных узлов 16-18, 20-23, реализовано на программируемой логической интегральной микросхеме типа EPM7128STI100-10; микроконтроллер 24 на основе микросхемы DS87C520; контроллер оперативной памяти 19 на основе микросхемы DS1321; формирователь интерфейса 26 на основе микросхемы MAX490ESA.

Таким образом, предлагаемое устройство для измерения параметров ударного импульса в сравнении с прототипом позволяет снизить погрешность измерения при уровнях входных сигналов порядка 10% от максимально измеряемых значений не менее чем в 4-5 раз. Кроме того, может изменяться длительность записи ударных воздействий за счет изменения частоты преобразования АЦП программным способом.