преобразователь инерциальной информации
Классы МПК: | G01C21/12 выполняемые на объекте, для которого производятся навигационные измерения; апериодические вычисления G01P15/13 путем измерения силы, необходимой для возвращения инерционной массы в нулевое положение |
Автор(ы): | Баженов В.И., Бахонин К.А., Ефанов А.А., Никовский Е.А. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-12-29 публикация патента:
27.03.1999 |
Преобразователь предназначен для измерения линейных и угловых ускорений. Техническим результатом изобретения является разделение сигналов линейного и углового ускорения в самом преобразователе инерциальной информации посредством простых средств. Преобразователь содержит основание, чувствительный элемент из шести частей, расположенных попарно по трем взаимно перпендикулярным осям, датчики линейного и углового ускорений, силовые преобразователи магнитоэлектрического типа с компенсационными катушками, дифференциальные и суммирующие усилители. В преобразователь введены первый, второй и третий резисторы по каждой из трех осей, причем каждый из первых и вторых резисторов подключен к одному из выводов одной из компенсационных катушек силовых преобразователей по каждой оси и к выводу третьего резистора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Преобразователь инерциальной информации, содержащий основание, чувствительный элемент из шести одинаковых частей, расположенных попарно по каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, узлы ориентации чувствительного элемента в основании, датчики линейного положения чувствительного элемента по каждой оси, датчики 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 в узле ориентации; 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 суммирующие усилители по каждой оси с общей линией на выходе, причем по каждой оси выходы первого и второго дифференциальных усилителей подключены к суммирующимвходам первого суммирующего усилителя, к суммирующему входу второго суммирующего усилителя подключен выход одного из дифференциальных усилителей, к инверсному входу второго суммирующего усилителя подключен выход другого дифференциального усилителя, к выходу первого суммирующего усилителя подключен один вывод компенсационной катушки одного силового преобразователя, к выходу второго суммирующего усилителя - один вывод компенсационной катушки другого силового преобразователя из двух силовых преобразователей, размещенных по одной оси, отличающийся тем, что для каждой оси введены первый, второй и третий резисторы, один вывод первого резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки одного силового преобразователя, один вывод второго резистора - к второму выводу компенсационной катушки другого силового преобразователя из двух силовых преобразователей по одной оси, вторые выводы первого и второго резисторов подсоединены к одному выводу третьего резистора, второй вывод третьего резистора соединен с общей линией выхода суммирующих усилителей, по каждой оси датчик линейного положения и вход первого дифференциального усилителя подключены с противоположной фазой сигнала по сравнению с фазой сигнала при подключении входа второго дифференциального усилителя и датчика углового положения, компенсационные катушки выполнены с одинаковым направлением витков от начала компенсационной катушки до ее конца, по каждой оси компенсационная катушка одного силового преобразователя подключена к выходу одного суммирующего усилителя своим началом, а компенсационная катушка другого силового преобразователя подключена к выходу другого суммирующего усилителя своим концом. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что сопротивление R1 и R2 соответственно первого и второго резисторов выполнены на основании соотношения
где Uа макс - максимальный выходной сигнал по напряжению преобразователя инерциальной информации на верхнем пределе диапазона измеряемых линейных ускорений;
Iм - ток первого или второго резисторов на верхнем пределе диапазона измеряемых линейных ускорений при отсутствии угловых ускорений. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что сопротивление R3 третьего резистора выполнено в соответствии с соотношением
где U макс - выходной сигнал по напряжению преобразователя инерциальной информации на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых ускорений;
|I1-I2|макс - модуль максимальной разности токов I1 и I2 первого и второго резисторов на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых ускорений. 4. Преобразователь по п.1 или 2, отличающийся тем, что первый и второй резисторы выполнены с равными сопротивлениями.
Описание изобретения к патенту
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]. Недостатком такого преобразователя инерциальной информации является малый диапазон измерений вследствие ограничения величины напряжения, прилагаемого к электростатическому силовому преобразователю на верхнем пределе измерений. Наиболее близким по технической сущности является преобразователь инерциальной информации [2] , содержащий основание, чувствительный элемент из шести одинаковых частей, расположенных попарно по каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, узлы ориентации чувствительного элемента в основании, датчики линейного положения чувствительного элемента по каждой оси, датчики 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 в узле ориентации; 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 суммирующие усилители по каждой оси с общей линией на выходе, причем по каждой оси выходы первого и второго дифференциальных усилителей подключены к суммирующим входам первого суммирующего усилителя, к суммирующему входу второго суммирующего усилителя подключен выход одного из дифференциальных усилителей, к инверсному входу второго суммирующего усилителя подключен выход другого дифференциального усилителя, к выходу первого суммирующего усилителя подключен один вывод компенсационной катушки одного силового преобразователя, к выходу второго суммирующего усилителя подключен один вывод компенсационной катушки другого силового преобразователя из двух силовых преобразователей, размещенных по одной оси. Для разделения сигналов линейного и углового ускорений в таком преобразователе инерциальной информации требуются специальные технические средства, такие как суммирующие устройства и устройства вычитания. Техническим результатом настоящего изобретения является разделение сигналов линейного и углового ускорений в самом преобразователе инерциальной информации посредством простых средств. Данный технический результат достигается в преобразователе инерциальной информации, содержащем основание, чувствительный элемент из шести одинаковых частей, расположенных попарно по каждой из трех взаимно перпендикулярных осей, узлы ориентации чувствительного элемента в основании, датчики линейного положения чувствительного элемента по каждой оси, датчики 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 в узле ориентации; 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 суммирующие усилители по каждой оси с общей линией на выходе, причем по каждой оси выходы первого и второго дифференциальных усилителей подключены к суммирующим входам первого суммирующего усилителя, к суммирующему входу второго суммирующего усилителя подключен выход одного из дифференциальных усилителей, к инверсному входу второго суммирующего усилителя подключен выход другого дифференциального усилителя, к выходу первого суммирующего усилителя подключен один вывод компенсационной катушки одного силового преобразователя, к выходу второго суммирующего усилителя подключен один вывод компенсационной катушки другого силового преобразователя из двух силовых преобразователей, размещенных по одной оси, тем, что для каждой оси введены первый, второй и третий резисторы, один вывод первого резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки одного силового преобразователя, один вывод второго резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки другого силового преобразователя из двух силовых преобразователей по одной оси, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к одному выводу третьего резистора, второй вывод третьего резистора соединен с общей линией выхода суммирующих усилителей, по каждой оси датчик линейного положения и вход первого дифференциального усилителя подключены с противоположной фазой сигнала по сравнению с фазой сигнала при подключении входа второго дифференциального усилителя и датчика углового положения, компенсационные катушки выполнены с одинаковым направлением витков от начала компенсационной катушки до ее конца, по каждой оси компенсационная катушка одного силового преобразователя подключена к выходу одного суммирующего усилителя своим началом, а компенсационная катушка другого силового преобразователя подключена к выходу другого суммирующего усилителя своим концом. В одном частном случае выполнения преобразователя инерциальной информации сопротивления R1 и R2 соответственно первого и второго резисторов выполнены на основании соотношения:где Uа макс -максимальный выходной сигнал по напряжению преобразователя инерциальной информации на верхнем пределе диапазона измеряемых линейных ускорений;
Iм - ток первого или второго резисторов на верхнем пределе диапазона измеряемых линейных ускорений при отсутствии угловых ускорений. В другом частном случае выполнения преобразователя инерциальной информации сопротивление R3 третьего резистора выполнено в соответствии с соотношением:
где U макс - выходной сигнал по напряжению преобразователя инерциальной информации на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых ускорений;
|I1-I2|макс - модуль максимальной разности токов I1 и I2 первого и второго резисторов на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых ускорений. В третьем частном случае выполнения преобразователя инерциальной информации первый и второй резисторы выполнены с равными сопротивлениями. Путем введения первого, второго и третьего резисторов, подключения одних выводов первого и второго резисторов к компенсационным катушкам силовых преобразователей, соединения вторых выводов первого и второго резисторов с выводом третьего резистора, подключения датчиков линейного и углового положений и входов дифференциальных усилителей с противоположными фазами сигналов, подключения компенсационных катушек к выходам суммирующих усилителей по разному относительно начала и конца компенсационной катушки на выходе суммирующих усилителей по одной оси получаются сигналы противоположной полярности, ток первого резистора с выхода первого суммирующего усилителя противоположен по направлению току с выхода второго суммирующего усилителя. Поэтому суммарное напряжение на первом и втором резисторах равно сумме напряжения на первом резисторе от тока с выхода первого суммирующего усилителя и напряжения на втором резисторе от тока с выхода второго суммирующего усилителя и пропорционально линейному ускорению. Напряжение на третьем резисторе пропорционально разности токов с выходов первого и второго суммирующих усилителей и представляет собой выходной сигнал преобразователя инерциальной информации в функции от углового ускорения. Таким образом разделение сигналов линейного и углового ускорений осуществляется в самом преобразователе инерциальной информации с помощью трех введенных резисторов. На фиг. 1 приведена конструкция 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", 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 расстояние 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 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 C2, 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 C3, образованный соединенными вместе электродами 10", 11"" и электропроводной поверхностью чувствительного элемента 5, а также конденсатор C4, 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 суммирующим входам первого суммирующего усилителя 19" и второго суммирующего усилителя 19"". Выход второго дифференциального усилителя 18"" подключен к суммирующему входу первого суммирующего усилителя 19" и к инверсному входу второго суммирующего усилителя 19"". К выходу первого суммирующего усилителя 19" подключено начало компенсационной катушки 16" одного силового преобразователя, расположенного по оси 3-3. К выходу второго суммирующего усилителя 19"" подключен конец обмотки компенсационной катушки 16"" второго силового преобразователя, расположенного по оси 3-3. К концу компенсационной катушки 16"" подключен один вывод первого резистора 20 с сопротивлением R1. К началу компенсационной катушки 16" подключен один вывод второго резистора 21 с сопротивлением R2. Свободные выводы резисторов 20 и 21 соединены вместе и к ним подсоединен один вывод третьего резистора 22 с сопротивлением R3. Другой вывод резистора 22 подключен к общей линии выходов суммирующих усилителей 19", 19"". Аналогичные первый, второй и третий резисторы включены в схемы измерения линейного и углового ускорений по двум другим измерительным осям преобразователя инерциальной информации. Преобразователь инерциальной информации работает следующим образом (фиг. 1). При наличии, например, линейного ускорения a вдоль оси 3-3 и углового ускорения относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3, на чувствительный элемент 5 действует инерционная сила F и динамический момент M:
F = ma, (1)
где m - масса чувствительного элемента 5;
M = I, (2)
где J - момент инерции чувствительного элемента 5 относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3. Пусть направление линейного и углового ускорений таковы, что чувствительный элемент 5 поступательно перемещается по направлению к первым электродам 8", 8"" и третьим электродам 10", 10"", и происходит угловое перемещение чувствительного элемента 5, при котором часть 6" чувствительного элемента 5 приближается к первому электроду 8" и третьему электроду 10", а часть 6"" сближается со вторым электродом 9"" и четвертым электродом 11"". Тогда емкость конденсатора C1 (фиг.2) увеличивается, емкость конденсатора C2 уменьшается, происходит разбаланс мостовой схемы датчика линейного положения относительно оси 3-3, и с ее выхода поступает сигнал на вход первого дифференциального усилителя 18", выходной сигнал Ug1 которого пропорционален линейному ускорению:
Ug1 = k1a, (3)
где k1 - коэффициент преобразования каждого из дифференциальных усилителей 18", 18"". Одновременно увеличивается емкость конденсатора C3 и уменьшается емкость конденсатора C4, происходит разбаланс мостовой схемы датчика углового положения относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3. После усиления сигнала разбаланса во втором дифференциальном усилителе 18"" напряжение Ug2 на его выходе пропорционально угловому ускорению:
Ug2 = k1. (4)
После суммирования в первом суммирующем усилителе 19" его выходной сигнал U1 имеет вид:
U1 = k2(Ug1+Ug2) = k1k2(a+1), (5)
где k2 - коэффициент преобразования каждого из суммирующих усилителей 19" и 19"". На выходе второго суммирующего усилителя 19"" вследствие инвертирования одного из его входных сигналов получается напряжение U2:
U2 = k2(Ug1-Ug2) = k1k2(a-). (6)
В магнитоэлектрическом силовом преобразователе при взаимодействии магнитного потока, создаваемого током компенсационной катушки, с магнитным полем постоянного магнита, электрический сигнал преобразуется в механическую силу. Поэтому при наличии на выходе первого суммирующего усилителя 19" выходного напряжения U1 посредством компенсационной катушки 16" создается компенсационная сила Fk1 одного силового преобразователя по оси 3-3:
Fk1 = KU1 = Kk1k2(a+), (7)
где K - коэффициент преобразования каждого силового преобразователя. Посредством компенсационной катушки 16"" второго силового преобразователя по оси 3-3 создается компенсационная сила Fk2:
Fk2 = KU2 = Kk1k2(a-). (8)
Так как фазы подключения датчика линейного положения и датчика углового положения к дифференциальным усилителям 18", 18"" противоположны при одновременном изменении подключения начал и концов компенсационных катушек к суммирующим усилителям 19", 19"", то силы Fk1 и Fk2 направлены в одну сторону. Суммарная компенсационная сила Fk двух силовых преобразователей по оси 3-3:
Fk = Fk1 + Fk2 = 2Kk1k2a. (9)
Компенсационный момент Mk вследствие неравенства сил Fk1 и Fk2 относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3, на плече 2l:
Mk = 2(Fk1-Fk2)l = 4Kk1k2l. (10)
Посредством компенсационной силы Fk уравновешивается инерционная сила F, и чувствительный элемент 5 возвращается в исходное состояние по оси 3-3. Посредством компенсационного момента Mk уравновешивается динамический момент J и ограничивается поворот чувствительного элемента 5 относительно оси, перпендикулярной осям 2-2 и 3-3. Вследствие разных фаз подключения датчиков линейного и углового положений, разного подключения начал и концов компенсационных катушек 16", 16"" полярности напряжений U1 и U2 относительно общей линии выходов суммирующих усилителей 19", 19"" различны. Поэтому различны направления токов I1 и I2 в первом резисторе 20 и втором резисторе 21 соответственно, и ток I3 в третьем резисторе 22
I3 = I1 - I2. (11)
Посредством первого 20, второго 21 и третьего 22 резисторов осуществляется разделение сигналов линейного и углового ускорений. Суммарное напряжение Ua на первом резисторе 20 и втором резисторе 21:
Ua = I1R1 + I2R2, (12)
где R1, R2 - сопротивления первого 20 и второго 21 резисторов соответственно,
где R3 - сопротивление третьего резистора 22.
После подстановки в выражения (3), (14) выражений (5), (6), а затем выражений (13), (14) в (12) получим:
Напряжение U на третьем резисторе 22:
U = I3R3. (16)
С учетом выражения (11) соотношение (16) принимает вид
U = (I1-I2)R3. (17)
Путем подстановки в (13), (14) выражений (5), (16), а затем их в (17) получается:
Примем, что
R1 = R2 = R. (19)
Тогда выражение (15), (18) преобразуется к виду:
Таким образом суммарное напряжение на первом 20 и втором 21 резисторах пропорционально линейному ускорению, а напряжение на третьем резисторе 22 пропорционально угловому ускорению. Сопротивление первого 20 и второго 21 резисторов определяются исходя из максимального выходного сигнала Uа макс на верхнем пределе измеряемых линейных ускорений, когда
I1 = I2 = Iм, (22)
где Iм - ток первого 20 и второго 21 резисторов на верхнем пределе измеряемых линейных ускорений при отсутствии угловых ускорений. Из выражения (12) при Uа = Uа макс и условии (22)
Сопротивление третьего резистора 22 определяется исходя из максимального выходного сигнала U макс на верхнем пределе измеряемых угловых ускорений при максимальной разности токов I1 и I2. При U = U макс из (17) получается
где |I1-I2|макс - модуль максимальной разности токов I1 и I2 на верхнем пределе измеряемых угловых ускорений. Источники информации:
1. Патент Франции N 2511509, кл. G 01 P 15/125. 2. Патент РФ N 2100779, кл. G 01 C 21/12, 1997.
Класс G01C21/12 выполняемые на объекте, для которого производятся навигационные измерения; апериодические вычисления
Класс G01P15/13 путем измерения силы, необходимой для возвращения инерционной массы в нулевое положение
акселерометр - патент 2527660 (10.09.2014) | |
акселерометр - патент 2526589 (27.08.2014) | |
компенсационный акселерометр - патент 2514151 (27.04.2014) | |
компенсационный акселерометр - патент 2513667 (20.04.2014) | |
компенсационный акселерометр - патент 2513665 (20.04.2014) | |
чувствительный элемент микромеханического компенсационного акселерометра - патент 2497133 (27.10.2013) | |
акселерометр - патент 2485524 (20.06.2013) | |
акселерометр - патент 2481588 (10.05.2013) | |
компенсационный акселерометр - патент 2478212 (27.03.2013) | |
компенсационный акселерометр - патент 2478211 (27.03.2013) |