RU2444018C2 - Apparatus for measuring acceleration - Google Patents
Apparatus for measuring acceleration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2444018C2 RU2444018C2 RU2010110366/28A RU2010110366A RU2444018C2 RU 2444018 C2 RU2444018 C2 RU 2444018C2 RU 2010110366/28 A RU2010110366/28 A RU 2010110366/28A RU 2010110366 A RU2010110366 A RU 2010110366A RU 2444018 C2 RU2444018 C2 RU 2444018C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- voltage
- local
- feedback
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации, навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин (угловых скоростей) компенсационного типа.The invention relates to measuring equipment and can be used as an element in stabilization systems, navigation. It can find application in devices for measuring mechanical quantities (angular velocities) of the compensation type.
Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК6 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, IPC 6 G01P 15/13, publ. 10.12.97) containing a sensing element including two fixed electrodes and a movable plate, three amplifiers, two resistors, and the output of the first amplifier 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, under the influence of electrical interference, a reference voltage source, an electric signal generator, two transistor pairs, three resistors, two capacitors are introduced into it, which allow, due to the coverage of the amplifier with negative feedback, to compensate for electrical interference.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления, с жесткой отрицательной обратной связью, 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 устройство (патент RU №2325662, МПК7 G01P 15/13, опубл. 27.05.2008, бюл. №15), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и первый преобразователь напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи и второй преобразователь напряжение - ток, отрицательную обратную связь, охватывающую все устройство, с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, при этом второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор и второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторыми входами схемы собирания и знакового переключателя, выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, введены первое и второе дифференцирующие звенья, в положительную обратную связь, с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход первого преобразователя напряжение - ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих звеньев, а вход второго дифференцирующего звена соединен с выходом первого дифференцирующего звена и параметрическое дифференцирующее звено второго рода, в отрицательную обратную связь, с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора, и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройств.The closest in technical solution is the device (patent RU No. 2225662, IPC 7 G01P 15/13, publ. 05/27/2008, bull. No. 15), containing a sensing element, an angle sensor, an amplifier, local positive feedback from the amplifier output to the input a torque sensor through a series-connected phase detector of positive feedback and a first voltage-current converter, local negative feedback from the amplifier output to the input of a torque sensor through a series-connected phase detector of negative feedback and A second voltage-current converter, negative feedback covering the entire device, from the amplifier output to the moment sensor input through a series-connected negative feedback phase detector, a comparator, a first standby synchronous generator, a reversible binary counter, an additional code to direct converter, a collection circuit ( OR), a binary multiplier, a smoothing filter, a sign switch, while the second output of the comparator is connected to the second input of the reversible binary counter via the WTO the waiting synchronous generator and the second output of the reversible binary counter are connected to the second inputs of the collecting circuit and the sign switch, the outputs of the reference voltage generator are connected to the inputs of the angle sensor and phase detectors of positive and negative feedbacks, the outputs of the synchronization circuit are connected to the inputs of the comparator and the waiting synchronous generators, the first and second differentiating links are introduced into positive feedback from the output of the phase detector of positive feedback to the input of the first voltage generator is the current through the adder, the inputs of which are connected to the outputs of the first and second differentiating links, and the input of the second differentiating link is connected to the output of the first differentiating link and a parametric differentiating link of the second kind, into negative feedback, from the output of the negative feedback phase detector comparator, and the output of the collection circuit (OR) is the output of the digital code of the devices.
Недостатком устройства является невысокая точность измерения и малая полоса пропускания.The disadvantage of this device is the low measurement accuracy and low bandwidth.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания и повышение точности измерения.An object of the present invention is to expand the bandwidth and increase the accuracy of the measurement.
Это достигается за счет того, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отрицательную обратную связь, датчик момента, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, местную положительную обратную связь с фазовым детектором положительной обратной связи, первым и вторым дифференцирующими звеньями и преобразователем напряжение - ток, местную отрицательную обратную связь с преобразователем напряжение - ток и фазовым детектором местной отрицательной обратной связи, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовыми детекторами местных положительной и отрицательных обратных связей, а также сумматор, введены отрицательная обратная связь с выхода второго сумматора на вход датчика момента через интегрирующее звено с передаточной функцией 
Введение в устройство последовательно соединенных дифференцирующих звеньев по первой и второй производной в местную положительную обратную связь, дифференцирующих звеньев в прямую цепь с результирующей передаточной функцией W{s)=T0 2·s2+2·ζ0·T0·s+1, отрицательной интегрирующей обратной связи со звеном
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - структурная схема; на фиг.3 - графики переходного процесса в предлагаемом устройстве и в прототипе.Figure 1 shows a functional diagram of a device; figure 2 is a structural diagram; figure 3 - graphs of the transition process in the proposed device and in the prototype.
Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2, выход с датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один из выходов усилителя 3 соединен с входом фазового детектора местной отрицательной обратной связи 4 (ФДООС). Выход ФДООС 4 соединен с входом первого преобразователя напряжение - ток 5, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора 6. Выход усилителя 3 соединен также с входом фазового детектора местной положительной обратной связи 7 (ФДПОС). Выход ФДПОС 7 соединен с входом первого дифференцирующего звена 8, один из выходов дифференцирующего звена 8 соединен с входом второго дифференцирующего звена 9. Выходы с первого и второго дифференцирующих звеньев 8 и 9 соединены с входом второго преобразователя напряжение - ток 10. Выход с преобразователя напряжение - ток 10 соединен с одним из входов первого сумматора 6. Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 7 соединены с выходом генератора опорного напряжения 11 (ГОН). Выход первого сумматора 6 соединен с одним из входов датчика момента 12. Выход усилителя 3 соединен с входом третьего дифференцирующего звена 13, один из выходов которого соединен как с входом четвертого дифференцирующего звена 14, так с одним из входов второго сумматора 15. Вход второго сумматора 15 соединен также с выходом усилителя 3. Выход второго сумматора 15 соединен с входом интегрирующего звена 16, выход которого соединен с одним из входов датчика момента 12. Выход с интегрирующего звена 16 является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.The proposed device contains a
Внутреннее содержание ФДООС, ФДГЮС, дифференцирующих звеньев, интегрирующего звена, усилителя, генератора опорного напряжения, фазовых детекторов и сумматоров описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.The internal contents of FDOOS, FDGUS, differentiating links, integrating link, amplifier, reference voltage generator, phase detectors and adders are described in the book: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. M.: Mir, t.1-3, 1993.
Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный mlW (l, m - длинна и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 11. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДГЮС 7. ФДПООС 4, ФДПОС 7 и ГОН 11 выделяют фазу отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 7 - в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 7, в виде напряжения, поступает на вход первого дифференцирующего звена 8 (на выходе 8 сигнал пропорционален первой производной отклонения чувствительного элемента 1), один из выходов которого соединен с входом второго дифференцирующего звена 9 (вторая производная отклонения чувствительного элемента 1). Сигналы с выходов дифференцирующих звеньев 8 и 9, в виде напряжения, поступают на входы второго преобразователя напряжение - ток 10, на выходе которого будет сигнал в виде суммы сигналов по первой и второй производной от отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал со второго преобразователя напряжение - ток 10 поступает на один из входов первого сумматора 6. На другой вход первого сумматора 6 подается сигнал с выхода ФДООС 4 через первый преобразователь напряжение - ток 5. Сигнал с выхода первого сумматора 6 поступает на один из входов датчика момента 12. Сигнал с выхода усилителя 3 поступает как на один из входов второго сумматора 15, так и вход третьего дифференцирующего звена 13. Сигнал по первой производной с третьего дифференцирующего звена 13, с передаточной функцией (W(s)=2·ζ0·T0·s), поступает как на вход четвертого дифференцирующего звена 14, с передаточной функцией (W(s)=T0·s/2·ζ0), так и на вход второго сумматора 15. На выходе второго сумматора 15 реализуется эквивалентное звено с передаточной функцией W(s)=T0 2·s2+2·ζ0·T0·s+1 (фиг.2, где s, T0, ζ0 - соответственно оператор преобразования Лапласа, постоянная времени и относительный коэффициент демпфирования). Выходной сигнал со второго сумматора 15 поступает на вход интегрирующего звена 16, с передаточной функцией (
Введение в устройство для измерения ускорений местной положительной обратной связи со звеньями с суммарной передаточной функцией W(s)=k1·s2+k2·s (где k1, k2 - коэффициенты пропорциональности) звеньев с передаточными функциями W(s)=2·ζ0·T0·s, W(s)=T0·s/2·ζ0 в прямую цепь, отрицательной обратной связи с интегрирующим звеном
Динамику работы предлагаемого устройства для измерения ускорений можно пояснить с помощью структурной схемы (фиг.2). Замкнутая передаточная функция контура местной отрицательной обратной связи запишется в виде:The dynamics of the proposed device for measuring acceleration can be explained using the structural diagram (figure 2). The closed transfer function of the local negative feedback loop is written as:
Замкнутая передаточная функция устройства с местными обратными связями разных знаков запишется как:The closed transfer function of the device with local feedback of different signs is written as:
Для обеспечения устойчивости в устройстве для измерения ускорений необходимо наложить ограничения на выбор параметров:To ensure stability in the device for measuring accelerations, it is necessary to impose restrictions on the choice of parameters:
T1 2>k11·k1 и 2·ζ1·T1>k1·k2.T 1 2 > k 11 · k 1 and 2 · ζ 1 · T 1 > k 1 · k 2 .
Передаточная функция разомкнутой системы устройства для измерения ускорений запишется в виде:The transfer function of the open system of the device for measuring accelerations is written in the form:
W(s)=Ф1(s)·(Т0 2·s2+2·ζ0·T0·s+1), или после ряда преобразований получим:W (s) = Ф1 (s) · (Т 0 2 · s 2 + 2 · ζ 0 · T 0 · s + 1), or after a series of transformations we get:
Если параметры дифференцирующих звеньев, включенных в прямую цепь (фиг.2), выбрать таким образом, чтобы выполнялись следующие равенства: T0 2=T1 2-k11·k1 и 2·ζ0·T0=2·ζ1·T1-k1·k2, то передаточная функция разомкнутой системы будет равна W(s)=k11. После введения в отрицательную обратную связь звена с передаточной функцией
Техническую эффективность предлагаемого устройства можно оценить путем моделирования устройства, которое осуществлено при следующих параметрах: Т=0.2 с, ζ=0.72, koc=0.3, k1=k2=0.001, k3=2·ζ0·T0=0.01, T2=0.1 с, k4=2·ζ0=0.2. Из анализа результатов моделирования (фиг.3) следует, что скорость нарастания переходного процесса в предлагаемом устройстве выше, чем в прототипе, а следовательно, больше частота среза и полоса пропускания.The technical efficiency of the proposed device can be estimated by modeling the device, which was carried out with the following parameters: T = 0.2 s, ζ = 0.72, k oc = 0.3, k 1 = k 2 = 0.001, k 3 = 2 · ζ 0 · T 0 = 0.01 , T 2 = 0.1 s, k 4 = 2 · ζ 0 = 0.2. From the analysis of the simulation results (figure 3), it follows that the slew rate of the transient in the proposed device is higher than in the prototype, and therefore, the cutoff frequency and bandwidth are greater.
Построение устройства для измерения ускорений на базе существующих устройств компенсационного типа, содержащего местную положительную обратную связь с дифференцирующими звеньями, жесткую отрицательную обратную связь, дифференцирующие звенья в прямой цепи с передаточными функциями W(s)=2·ζ0·T0·s и W(s)=T0·s/2·ζ0 и отрицательную обратную связь с интегрирующим звеном, позволяет разрабатывать устройства с расширенной полосой пропускания, высокой точности без изменения конструкции и технологии их изготовления.The construction of a device for measuring accelerations on the basis of existing compensation type devices containing local positive feedback with differentiating links, hard negative feedback, differentiating links in a direct chain with transfer functions W (s) = 2 · ζ 0 · T 0 · s and W (s) = T 0 · s / 2 · ζ 0 and negative feedback with the integrating link, allows you to develop devices with an expanded bandwidth, high accuracy without changing the design and technology of their manufacture.
Claims (1)
(где T2 - постоянная времени интегрирующего звена, s - преобразователь Лапласа), причем входы второго сумматора соединены как с выходом усилителя, так с выходами третьего и четвертого дифференцирующего звена с передаточными функциям W(s)=2·ς0·T0·s и W(s)=T0·s/2·ς0 (где s, T0, ς0 - соответственно оператор преобразования Лапласа, постоянная времени дифференцирующего звена и относительный коэффициент демпфирования), кроме того, выход усилителя соединен также с входом третьего дифференцирующего звена, выход которого соединен с входом четвертого дифференцирующего звена, местная положительная обратная связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через последовательно соединенные фазовый детектор местной положительной обратной связи и первое дифференцирующее звено, один из выходов которого соединен с другим входом второго преобразователя напряжение-ток через второе дифференцирующее звено, местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор местной отрицательной обратной связи, и выходы первого и второго преобразователей напряжение-ток соединены с входами первого сумматора, выход которого соединен с одним из входов датчика момента, а выход с интегрирующего звена является выходом устройства. A device for measuring accelerations containing a sensing element, negative feedback, a torque sensor, an angle sensor whose output is connected to the input of the amplifier, local positive feedback with a phase positive feedback detector, the first and second differentiating links and a voltage-current converter, local negative feedback with a voltage-current converter and a phase detector of local negative feedback, a reference voltage generator, the outputs of which are connected to the inputs pickoff and phase detectors include positive and negative feedbacks, as well as an adder, characterized in that it introduced a negative feedback from the output of the second adder to the input of the torque sensor through the integrating unit with a transfer function
(where T 2 is the time constant of the integrating link, s is the Laplace converter), and the inputs of the second adder are connected both to the output of the amplifier and to the outputs of the third and fourth differentiating links with transfer functions W (s) = 2 · ς 0 · T 0 · s and W (s) = T 0 · s / 2 · ς 0 (where s, T 0 , ς 0 are the Laplace transform operator, the time constant of the differentiating link and the relative damping coefficient), in addition, the amplifier output is also connected to the input the third differentiating link, the output of which is connected to the input of the fourth differential of the supplying link, local positive feedback from the amplifier output to the input of the second voltage-current converter through a series-connected phase detector of local positive feedback and the first differentiating link, one of the outputs of which is connected to the other input of the second voltage-current converter through the second differentiating link, local negative feedback from the amplifier output to the input of the first voltage-current converter through a local negative feedback phase detector And outputs first and second voltage-current converters are connected to inputs of the first adder, whose output is connected to one input of the torque sensor and the output from the integrator is the output device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010110366/28A RU2444018C2 (en) | 2010-03-18 | 2010-03-18 | Apparatus for measuring acceleration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010110366/28A RU2444018C2 (en) | 2010-03-18 | 2010-03-18 | Apparatus for measuring acceleration |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010110366A RU2010110366A (en) | 2011-09-27 |
| RU2444018C2 true RU2444018C2 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=44803511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010110366/28A RU2444018C2 (en) | 2010-03-18 | 2010-03-18 | Apparatus for measuring acceleration |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2444018C2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5396439A (en) * | 1991-08-20 | 1995-03-07 | Nec Corporation | Acceleration sensing device having negative feedback loop |
| RU2098833C1 (en) * | 1996-04-04 | 1997-12-10 | Русланов Александр Семенович | Compensation acceleration meter |
| RU2165625C1 (en) * | 2000-03-14 | 2001-04-20 | Тульский государственный университет | Gear measuring accelerations |
| RU2190226C1 (en) * | 2001-10-23 | 2002-09-27 | Тульский государственный университет | Gear measuring accelerations |
| RU2308038C1 (en) * | 2006-03-06 | 2007-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Device for measuring acceleration |
| RU2325662C1 (en) * | 2006-12-11 | 2008-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Accelerometer |
-
2010
- 2010-03-18 RU RU2010110366/28A patent/RU2444018C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5396439A (en) * | 1991-08-20 | 1995-03-07 | Nec Corporation | Acceleration sensing device having negative feedback loop |
| RU2098833C1 (en) * | 1996-04-04 | 1997-12-10 | Русланов Александр Семенович | Compensation acceleration meter |
| RU2165625C1 (en) * | 2000-03-14 | 2001-04-20 | Тульский государственный университет | Gear measuring accelerations |
| RU2190226C1 (en) * | 2001-10-23 | 2002-09-27 | Тульский государственный университет | Gear measuring accelerations |
| RU2308038C1 (en) * | 2006-03-06 | 2007-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Device for measuring acceleration |
| RU2325662C1 (en) * | 2006-12-11 | 2008-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет (ТулГУ) | Accelerometer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010110366A (en) | 2011-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2513667C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| RU2449293C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| RU2400761C1 (en) | Acceleration measurement device | |
| RU2363957C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| RU2397498C1 (en) | Compensation accelerometre | |
| CN106593428B (en) | Software focusing array lateral control method | |
| CN210005012U (en) | multi-loop digital closed-loop control device for silicon MEMS gyroscope | |
| RU2405160C1 (en) | Acceleration measurement device | |
| RU2478211C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| RU2724241C1 (en) | Compensatory accelerometer | |
| RU2444018C2 (en) | Apparatus for measuring acceleration | |
| RU2631019C1 (en) | Compensation accelerometer | |
| Trusov et al. | A novel capacitive detection scheme with inherent self-calibration | |
| RU2359277C1 (en) | Compensation accelerometre | |
| RU2411522C1 (en) | Compensation accelerometre | |
| RU2308038C1 (en) | Device for measuring acceleration | |
| RU2427845C1 (en) | Acceleration measurement device | |
| RU2541720C1 (en) | Compensation-type accelerometer | |
| Casinovi et al. | Gyroscope sensing and self-calibration architecture based on signal phase shift | |
| RU2539826C2 (en) | Compensation-type accelerometer | |
| RU2325662C1 (en) | Accelerometer | |
| RU2526589C1 (en) | Accelerometer | |
| RU2700339C1 (en) | Compensatory accelerometer | |
| RU2384848C1 (en) | Acceleration measurement device | |
| RU2614205C1 (en) | Compensating accelerometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120319 |