Преобразователь инерциальной информации

Преобразователь инерциальной информации

Реферат

 

Изобретение предназначено для использования в измерительной технике для измерения линейных и угловых ускорений. Технический результат - повышение диапазона и точности измерений. Преобразователь содержит чувствительный элемент с шестью степенями свободы относительно трех взаимно перпендикулярных осей, датчики линейного и углового положений по каждой оси, два магнитоэлектрических силовых преобразователя, два дифференциальных усилителя, два усилителя, три резистора. По крайней мере по одной оси дополнительно введен инвертирующий усилитель постоянного тока, к входу которого подключен выход первого усилителя, соединенного с датчиком линейного положения, а к выходу подключены последовательно одна из компенсационных катушек и второй резистор. К выходу второго усилителя подключен третий резистор. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Данное изобретение относится к области измерительной техники, а именно к компенсационным преобразователям линейных и угловых ускорений.

Известен преобразователь инерциальной информации, содержащий основание, чувствительный элемент, преобразователи линейного и углового положений, электростатические силовые преобразователи, усилители, к входам которых подключены выходы преобразователей положения, а к выходам - электростатические силовые преобразователи [1].

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь инерциальной информации [2] , содержащий основание, чувствительный элемент с шестью степенями свободы относительно трех взаимно перпендикулярных осей, датчик линейного положения чувствительного элемента по каждой оси, датчик углового положения чувствительного элемента относительно каждой оси, два силовых преобразователя магнитоэлектрического типа по каждой оси, которые выполнены с расположением действия их силы в одинаковом направлении вдоль данной оси по разные стороны от данной оси относительно друг друга и каждый из которых содержит компенсационную катушку на чувствительном элементе и магнитную систему с постоянным магнитом; содержащий первый дифференциальный усилитель по каждой оси, к входу которого подключен датчик, линейного положения по данной оси, второй дифференциальный усилитель по каждой оси, к входу которого подключен датчик углового положения относительно данной оси, первый и второй усилители по каждой оси, первый, второй и третий резисторы, причем по каждой оси выход первого дифференциального усилителя подключен к входу первого усилителя, к входу второго усилителя подключен выход второго дифференциального усилителя, к выходу первого усилителя подключен первый вывод компенсационной катушки одного силового преобразователя, к второму выводу которой подключен первый вывод первого резистора, к первому выводу компенсационной катушки второго силового преобразователя подключен первый вывод второго резистора; второй вывод первого резистора, второй вывод второго резистора и первый вывод третьего резистора соединены вместе.

Недостатком такого преобразователя инерциальной информации является ограничение верхнего предела диапазона измерений напряжением питания усилителей.

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона и точности измерений.

Данный технический результат достигается в преобразователе инерциальной информации, содержащем основание, чувствительный элемент с шестью степенями свободы относительно трех взаимно перпендикулярных осей, датчик линейного положения чувствительного элемента по каждой оси, датчик углового положения чувствительного элемента относительно каждой оси, два силовых преобразователя магнитоэлектрического типа по каждой оси, которые выполнены с расположением действия их силы в одинаковом направлении вдоль данной оси по разные стороны от данной оси относительно друг друга и каждый из которых содержит компенсационную катушку на чувствительном элементе и магнитную систему с постоянным магнитом; содержащем первый дифференциальный усилитель по каждой оси, к входу которого подключен датчик линейного положения по данной оси, второй дифференциальный усилитель по каждой оси, к входу которого подключен датчик углового положения относительно данной оси; первый и второй усилители по каждой оси, первый, второй и третий резисторы, причем по каждой оси выход первого дифференциального усилителя подключен к входу первого усилители, к входу второго усилителя подключен выход второго дифференциального усилителя, к выходу первого усилителя подключен первый вывод компенсационной катушки одного силового преобразователя, к второму выводу которой подключен первый вывод первого резистора, к первому выводу компенсационной катушки второго силового преобразователя подключен первый вывод второго резистора; второй вывод первого резистора, второй вывод второго резистора и первый вывод третьего резистора соединены вместе, тем, что по крайней мере по одной оси дополнительно введен инвертирующий усилитель постоянного тока, к входу которого подключен выход первого усилителя, к выходу инвертирующего усилителя постоянного тока подключен второй вывод компенсационной катушки, подключенной к второму резистору, к второму выводу третьего резистора подключен выход второго усилителя.

В одном частном случае в преобразователе инерциальной информации напряжения питания первого усилителя и инвертирующего усилителя постоянного тока выполнены равными.

Во втором частном случае в преобразователе инерциальной информации коэффициент усиления инвертирующего усилителя постоянного тока выполнен равным 1.

Путем введения дополнительно по оси преобразователя инерциальной информации инвертирующего усилителя постоянного тока с подключением к его входу выхода первого усилителя, подключения к выходу инвертирующего усилителя второго вывода компенсационной катушки, соединенной с вторым резистором, подключения к второму выводу третьего резистора второго усилителя обеспечивается получение на выходе первого усилителя напряжения противоположной полярности по сравнению с напряжением на выходе инвертирующего усилителя постоянного тока. При этом максимальное суммарное напряжение между выходами первого усилителя и инвертирующего усилителя постоянного тока будет близким к суммарному напряжению питания первого усилителя и инвертирующего усилителя постоянного тока. Обеспечивая получение максимального напряжения на первом и втором резисторах, можно повысить точность измерения линейного ускорения за счет повышения разрешающей способности. Увеличивая протекающий через компенсационные катушки ток, можно обеспечить повышение верхнего предела диапазона измерений линейного ускорения.

На фиг.1 приведен общий вид преобразователя инерциальной информации.

На фиг. 2 представлена электрическая схема преобразователя инерциальной информации.

В преобразователе инерциальной информации (фиг.1), имеющем состоящее из двух частей 1' и 1'' основание с осью симметрии 2-2, перпендикулярной ей осью 3-3 и третьей осью, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3, по оси 2-2 установлены узлы ориентации 4', 4''. В основании между узлами ориентации расположен чувствительный элемент 5 из электропроводного материала, состоящий из шести одинаковых частей, две из которых 6' и 6'' расположены по оси 2-2, две - по оси 3-3 и еще две - по оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3.

В каждом узле ориентации 4', 4'' соответственно в электроизоляционных трубках 7', 7'' установлены первые электроды 8', 8'', вторые электроды 9', 9'', третьи электроды 10', 10'' и четвертые электроды 11', 11'' емкостных датчиков линейного и углового положений чувствительного элемента 5.

По оси 2-2 установлены два силовых преобразователя магнитоэлектрического типа, содержащих соответственно магнитные системы 12', 12'' с постоянными магнитами 13', 13'' в узлах ориентации 4', 4'' и компенсационные катушки 14', 14'' кольцевой формы на частях 6', 6'' чувствительного элемента 5.

Оси компенсационной катушки 14' и постоянного магнита 13' направлены по оси 15', параллельной оси 2-2 и расположенной от нее на расстоянии l по направлению оси 3-3. Оси компенсационной катушки 14'' и постоянного магнита 13'' направлены по оси 15", параллельной оси 2-2 и расположенной от нее на расстоянии l по направлению оси 3-3. Оси 15' и 15'' расположены по отношению друг к другу по разные стороны от оси 2-2.

Аналогично выполнены узлы ориентации с датчиками линейного и углового положений и силовыми преобразователями по двум другим осям. Так, например, по оси 3-3 расположены два силовых преобразователя с компенсационными катушками 16', 16'' на чувствительном элементе 5.

Компенсационные катушки 14', 14'', 16', 16'' выполнены в виде обмоток с одинаковым, например правым, направлением витков. На чувствительном элементе 5 компенсационные катушки 14', 14'', 16', 16'' установлены так, что, например, их начала расположены одинаково относительно частей 6', 6'' и других аналогичных частей чувствительного элемента 5.

Датчик линейного положения (фиг.2) по оси 3-3 выполнен по мостовой схеме и содержит конденсатор C1, образованный соединенными вместе электродами 8', 8'' и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 5, а также конденсатор С2, образованный соединенными вместе электродами 9', 9'' и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 5. В два других плеча моста включены комплексные сопротивления Z₁, Z₂.

Датчик углового положения относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3, содержит конденсатор С3, образованный соединенными вместе электродами 10', 11'' и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 5, а также конденсатор С4, образованный соединенными вместе электродами 10'', 11' и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 5.

В два плеча мостовой схемы датчика углового положения включены комплексные сопротивления Z₃, Z₄. Датчики линейного и углового положений запитываются от источника 17 переменной ЭДС.

Выход датчика линейного положения подключен к входу первого дифференциального усилителя 18', а выход датчика углового положения - к входу второго дифференциального усилителя 18''. Причем датчик линейного положения и вход первого дифференциального усилителя 18' соединены с противоположной фазой сигнала по сравнению с фазой сигнала при соединении датчика углового положения с входом второго дифференциального усилителя 18''. Выход первого дифференциального усилителя 18' подключен к входу первого усилителя 19'. Выход второго дифференциального усилителя 18'' подключен к входу второго усилителя 19''.

К выходу первого усилителя 19' подключены первый выход компенсационной катушки 16' одного силового преобразователя, расположенного по оси 3-3, и вход инвертирующего усилителя постоянного тока 20. К второму выводу компенсационной катушки 16' подключен первый вывод первого резистора R1, к первому выводу компенсационной катушки 16'' подключен первый вывод второго резистора R2. Второй вывод первого резистора R1, второй вывод второго резистора R2, первый вывод третьего резистора R3 соединены вместе. Второй вывод третьего резистора R3 подключен к выходу второго усилителя 19''. Второй вывод компенсационной катушки 16'' второго силового преобразователя по оси 3-3 подключен к выходу инвертирующего усилителя постоянного тока 20.

Первый и второй усилители 19', 19'' выполнены как фазочувствительные усилители с выходным каскадом усилителя, постоянного тока. Первый усилитель 19' запитан напряжением ₁ постоянного тока, инвертирующий усилитель постоянного тока 20 запитан напряжением U₂ постоянного тока. Напряжения U₁ и U₂ могут быть выполнены равными. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя постоянного тока 20 может быть выполнен равным 1.

Схемы соединения, аналогичные схеме соединения фиг.2, могут быть выполнены по остальным осям преобразователя инерциальной информации.

Преобразователь инерциальной информации работает следующим образом (фиг. 1). При наличии линейного ускорения вдоль оси 3-3 и углового ускорения относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3, на чувствительный элемент 5 действуют инерционная сила и динамический момент. Тогда происходит угловое перемещение чувствительного элемента 5, при котором изменяется положение части 6' чувствительного элемента 5 относительно первого электрода 8', третьего электрода 10', второго электрода 9' и четвертого электрода 11', а также положение части 6'' чувствительного элемента 5 относительно первого электрода 8'', третьего электрода 10'', второго электрода 9'', четвертого электрода 11''. При этом изменяются емкости конденсаторов C1, С2, и с выхода датчика линейного положения относительно оси 3-3 поступает сигнал на вход первого дифференциального усилителя 18', выходной сигнал которого пропорционален линейному ускорению по оси 3-3.

Одновременно изменяются емкости конденсаторов С3, С4, и с выхода датчика углового положения относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3, поступает сигнал на вход второго дифференциального усилителя 18'', выходной сигнал которого пропорционален угловому ускорению.

После усиления в первом усилителе 19' выходного сигнала первого дифференциального усилителя 18' на выходе первого усилителя 19' существует напряжение U₃, противоположное по полярности напряжению U₄, полученному на выходе инвертирующего усилителя постоянного тока 20 после прохождения через него сигнала с выхода первого усилителя 19'.

После усиления во втором усилителе 19" сигнала с второго дифференциального усилителя 18'' в точке "а" цепи возникает такой потенциал, что напряжение U_аб между точками "а" и "б" включения первого резистора R1 и напряжение U_ав между точками "а" и "в" включения второго резистора R2 не равны между собой. Поэтому ток J₁ компенсационной катушки 16' не равен току J₂ компенсационной катушки 16''. Так как в компенсационных катушках 16', 16'' протекают неравные токи, то создаваемые первым силовым преобразователем и вторым силовым преобразователем силы не равны. Суммой сил первого и второго силовых преобразователей компенсируется действующая на чувствительный элемент 5 инерционная сила, а напряжение _бв между точками "б" и "в" цепи (суммарное напряжение на первом резисторе R1 и втором резисторе R2) является мерой измеряемого линейного ускорения по оси 3-3 преобразователя инерциальной информации. За счет разности создаваемых первым и вторым силовыми преобразователями сил на плече 2l действия этих сил создается момент, компенсирующий динамический момент, действующий на чувствительный элемент 5 при наличии углового ускорения относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3. Напряжение U_аг между точками "а" и "г" цепи (напряжение на третьем резисторе R3, создаваемое током J₃) является мерой углового ускорения.

При отсутствии углового ускорения, при коэффициенте усиления инвертирующего усилителя постоянного тока 20, равном 1, при напряжениях питания U₁= U₂ на верхнем пределе диапазона измеряемого линейного ускорения выходное напряжение U₃ первого усилителя 19' равно максимальному напряжению U_М и выходное напряжение U₄ инвертирующего усилителя постоянного тока 20 также равно U_М.

При этом |U₃|+|U₄| 2U₁ = 2U₂ Увеличивая напряжение U_бв за счет увеличения сопротивлений первого резистора R1 и второго резистора R2, можно повысить разрешающую способность измерения линейного ускорения.

Увеличивая токи J₁, J₂ за счет уменьшения сопротивлений первого резистора R1 и второго резистора R2, можно повысить диапазон измеряемого линейного ускорения.

Перераспределяя напряжения на компенсационных катушках 16', 16'' и первом R1 и втором R2 резисторах, можно одновременно повышать разрешающую способность и диапазон измерений.

При выполнении схем по другим осям преобразователя инерциальной информации аналогично схеме фиг.2 работа преобразователя инерциальной информации осуществляется аналогично вышеописанному.

Источники информации 1. Патент Франции 2511509, кл. G 01 Р 15/125.

2. Патент РФ 2128395, кл. G 01 С 21/12, 1999 г.

Формула изобретения

1. Преобразователь инерциальной информации, содержащий основание, чувствительный элемент с шестью степенями свободы относительно трех взаимно перпендикулярных осей, датчик линейного положения чувствительного элемента по каждой оси, датчик углового положения чувствительного элемента относительно каждой оси, два силовых преобразователя магнитоэлектрического типа по каждой оси, которые выполнены с расположением направления действия их силы вдоль данной оси по разные стороны от данной оси относительно друг друга и каждый из которых содержит компенсационную катушку на чувствительном элементе и магнитную систему с постоянным магнитом; содержащий первый дифференциальный усилитель по каждой оси, к входу которого подключен датчик линейного положения по данной оси, второй дифференциальный усилитель по каждой оси, к входу которого подключен датчик углового положения относительно данной оси, первый и второй усилители по каждой оси; первый, второй и третий резисторы, причем по каждой оси выход первого дифференциального усилителя подключен к входу первого усилителя, к входу второго усилителя подключен выход второго дифференциального усилителя, к выходу первого усилителя подключен первый вывод компенсационной катушки одного силового преобразователя, к второму выводу которой подключен первый вывод первого резистора, к первому выводу компенсационной катушки второго силового преобразователя подключен первый вывод второго резистора; второй вывод первого резистора, второй вывод второго резистора и первый вывод третьего резистора соединены вместе, отличающийся тем, что по крайней мере по одной оси дополнительно введен инвертирующий усилитель постоянного тока, к входу которого подключен выход первого усилителя, к выходу инвертирующего усилителя постоянного тока подключен второй вывод компенсационной катушки, подключенной к второму резистору, к второму выводу третьего резистора подключен выход второго усилителя.

2. Преобразователь инерциальной информации по п. 1, отличающийся тем, что напряжения питания первого усилителя и инвертирующего усилителя постоянного тока выполнены равными.

3. Преобразователь инерциальной информации по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя постоянного тока равен 1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2