Гироскопический измеритель угловой скорости

 

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом является повышение точности измерения. Измеритель содержит преобразователь углового положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с компенсационной катушкой, усилитель, в выходную цепь которого включены компенсационная катушка и первый резистор, второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле. К точке соединения первого резистора с третьим резистором подключен четвертый резистор. Пятый резистор подключен между входом и выходом одного из каскадов усилителя. Точка соединения первого и второго резисторов соединена с входом первого и второго компараторов. Выходы компараторов соединены с входами логического устройства ИЛИ. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим компенсационным преобразователям угловой скорости.

Известны гироскопические измерители угловой скорости, содержащие в цепи преобразования преобразователь углового положения и упругий элемент в качестве позиционного преобразователя положения в усилие [1].

Наиболее близким по технической сущности является гироскопический измеритель угловой скорости [2], содержащий в цепи преобразования преобразователь углового положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с компенсационной катушкой, подключенный к входу преобразователя углового положения усилитель, в выходную цепь которого включены компенсационная катушка и резистор.

Недостатком такого гироскопического измерителя угловой скорости является наличие пониженной разрешающей способности измерения угловой скорости на нижнем пределе диапазона измерений при широком диапазоне измеряемых угловых скоростей.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловых скоростей.

Данный технический результат достигается в гироскопическом измерителе угловых скоростей, содержащем в цепи преобразования преобразователь углового положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с компенсационной катушкой, подключенный к выходу преобразователя углового положения усилитель, в выходную цепь которого включены компенсационная катушка и первый резистор, тем, что введены второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле, усилитель выполнен с n (n=2,3 ...) каскадами, в том числе с k (k<n) каскадами выходного усилителя постоянного тока, первый вывод компенсационной катушки подключен к выходу последнего каскада выходного усилителя постоянного тока, к второму выводу компенсационной катушки подключен первый вывод второго резистора, к второму выводу которого подключен первый вывод первого резистора, к второму выводу первого резистора подключен первый вывод третьего резистора, к точке соединения первого и третьего резисторов подключен первый вывод четвертого резистора, второй вывод которого подключен к выводу пятого резистора, пятый резистор подключен между входом одного из каскадов выходного усилителя постоянного тока и выходом предыдущего по сравнению с ним каскада усилителя точкой соединения четвертого и пятого резисторов к входу вышеупомянутого каскада выходного усилителя постоянного тока, точка соединения первого и второго резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства ИЛИ, выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства ИЛИ, к выходу логического устройства ИЛИ подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с вторым резистором и точкой соединения первого и третьего резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения первого резистора с вторым резистором и точкой соединения первого и третьего резисторов, первый и третий резисторы выполнены из резистивного материала с температурным коэффициентом сопротивления, не большим 1,5•10^-51/^oС, по интегральной технологии на общей подложке, при верхнем пределе ω₁ низшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый и второй замыкающие контакты реле разомкнуты, при верхнем пределе ω₂(ω₂>ω₁) высшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый и второй замыкающие контакты реле замкнуты, при максимальном выходном напряжении U_у последнего каскада выходного усилителя постоянного тока, при выходном напряжении U_г гироскопического измерителя угловой скорости на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых скоростей и при относительной погрешности δK коэффициента преобразования гироскопического измерителя угловой скорости сопротивления r₁ первого резистора, r₂ второго резистора и r₃ третьего резистора выполнены в соответствии с соотношениями где r_п - переходное сопротивление замкнутого контакта одного из замыкающих контактов реле.

В варианте выполнения гироскопического измерителя угловой скорости четвертый и пятый резисторы выполнены по интегральной технологии на одной подложке.

Путем введения второго и третьего резисторов, первого и второго компараторов, логического устройства ИЛИ и реле, подключения точки соединения первого и второго резисторов к двум противоположным входам первого и второго компараторов, подключения выходов первого и второго компараторов к входам логического устройства ИЛИ, подключения реле к выходу логического устройства ИЛИ, подключения второго замыкающего контакта реле между точкой соединения первого и второго резисторов и точкой соединения первого и третьего резисторов, выполнения сопротивлений первого резистора r₁ и третьего резистора r₃ в соответствии с соотношением где ω₁ - верхний предел низшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый и второй замыкающие контакты реле разомкнуты; ω₂(ω₂>ω₁) - верхний предел высшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый и второй замыкающие контакты реле замкнуты, обеспечивается большая разрешающая способность измерения угловой скорости ω в отношении ω₂/ω₁ в нижнем диапазоне 0<ω≤ω₁ вследствие большей величины напряжения на суммарном сопротивлении первого и третьего резисторов при разомкнутом втором замыкающем контакте реле, когда измеряемая угловая скорость мала настолько, что первый и второй компараторы не подают в логическое устройство ИЛИ сигнал, приводящий к срабатыванию реле.

В результате повышается точность измерения угловой скорости в нижнем диапазоне измеряемых угловых скоростей.

При введении второго резистора, подключении первого замыкающего контакта реле между точкой соединения второго резистора с компенсационной катушкой и точкой соединения первого и третьего резисторов, выполнении сопротивления r₃ третьего резистора, исходя из соотношения где r_п - переходное сопротивление замкнутого контакта одного из замыкающих контактов реле;
δK - относительная погрешность коэффициента преобразования измерителя угловой скорости;
U_y - максимальное выходное напряжение последнего каскада выходного усилителя постоянного тока;
U_г - выходное напряжение гироскопического измерителя угловой скорости на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых скоростей;
при замыкании первого и второго замыкающих контактов для падения напряжения от тока компенсационной катушки на переходном сопротивлении второго замыкающего контакта создается делитель напряжения из второго резистора и переходного сопротивления первого замыкающего контакта.

В результате на выход гироскопического измерителя угловой скорости поступает значительно уменьшенная величина падения напряжения на переходном сопротивлении второго замыкающего контакта реле. Тем самым повышаются стабильность коэффициента преобразования гироскопического измерителя угловой скорости и точность его измерений.

Путем выполнения первого и третьего резисторов из резистивного материала с малым температурным коэффициентом сопротивления по интегральной технологии на общей подложке обеспечиваются идентичность температурных условий обоих резисторов, одинаковое малое температурное изменение их сопротивлений. В результате уменьшается температурное изменение коэффициента преобразования гироскопического измерителя угловой скорости и повышается точность измерения угловой скорости.

Посредством выполнения усилителя из нескольких каскадов, из которых выходные каскады являются усилителями постоянного тока, подключения четвертого резистора к одному выводу пятого резистора и к точке соединения первого и третьего резисторов, подключения пятого резистора к входу одного из каскадов усилителя постоянного тока и к выходу предыдущего каскада усилителя достигается неизменность функции преобразования гироскопического измерителя угловой скорости при изменении нагрузки последнего каскада усилителя постоянного тока путем замыкания или размыкания первого и второго замыкающих контактов реле, так как при этом коэффициент преобразования усилителя остается постоянным. Поэтому остаются неизмененными динамические характеристики гироскопического измерителя угловой скорости, полоса частот его пропускания, статическая ошибка, чем повышается точность измерения угловой скорости.

На фиг. 1 представлен гироскопический измеритель угловой скорости, на фиг.2 - схема соединения резисторов при замкнутых первом и втором замыкающих контактах реле, на фиг.3 - эквивалентная схема соединений резисторов.

В гироскопическом измерителе угловой скорости (фиг.1) ротор 1 с кинетическим моментом Н по оси Z установлен в корпусе посредством подшипников 2', 2", обеспечивающих свободу углового перемещения ротора 1 относительно оси X. По оси X установлены преобразователь углового положения 3, например потенциометрического типа, и магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом 4 и компенсационной катушкой с секциями 5', 5". Выход преобразователя углового положения 3 подключен к входу усилителя с каскадами 6', 6",...,6⁽ⁿ⁾ общим числом n (n=2,3...). Из них k (k<n) каскадов от 6^(n-k) до 6⁽ⁿ⁾ являются каскадами выходного усилителя постоянного тока.

Первый вывод первого резистора R1 подключен к первому выводу второго резистора R2, второй вывод которого подключен к выводу первой секции 5' компенсационной катушки. Второй вывод первого резистора R1 подключен к третьему резистору R3. К точке соединения первого резистора R1 с третьим резистором R3 подключен первый вывод четвертого резистора R4, второй вывод которого подключен к входу последнего каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока, куда также подсоединен первый вывод пятого резистора R5, второй вывод которого подключен к выходу предыдущего каскада 6^(n-1) усилителя.

К выходу последнего каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока подключена секция 5" компенсационной катушки.

К точке соединения первого резистора R1 с вторым резистором R2 подключены положительный вход первого компаратора 7' и отрицательный вход второго компаратора 7". К отрицательному входу первого компаратора 7' и положительному входу второго компаратора 7" подключен источник опорного напряжения U_пор.

Выходы первого компаратора 7' и второго компаратора 7" подключены к входам логического устройства ИЛИ, к выходу которого подключено реле 9. Первый замыкающий контакт К1 реле 9 подключен между точкой соединения второго резистора R2 с секцией 5' компенсационной катушки и точкой соединения первого R1 и третьего R3 резисторов. Второй замыкающий контакт К2 реле 9 подключен между точкой соединения первого резистора R1 с вторым резистором R2 и точкой соединения первого резистора R1 с третьим резистором R3.

К точке соединения первого резистора R1 с вторым резистором R2 подключено измерительное устройство 10, например, вольтметр. Преобразователь углового положения 3 может быть запитан напряжением U_пит от источника питания переменного тока. Тогда каскады 6', 6",...,6^(n-k) усилителя будут представлять собой каскады усилителя переменного тока с демодулятором.

Первый резистор R1 и третий резистор R3 изготовлены из резистивного материала с температурным коэффициентом сопротивления, не большим 1,5•10^-5 1/^oС, например из аморфного сплава марки Х20Н75Ю-ВИ, по интегральной технологии путем напыления на общей подложке.

Гироскопический измеритель угловой скорости работает следующим образом. При наличии угловой скорости ω по оси Y ротор 1 под действием гироскопического момента начнет разворачиваться относительно оси X. Преобразователь углового положения 3 измеряет угловое перемещение ротора 1 и выдает сигнал в усилитель с каскадами 6', 6"...6⁽ⁿ⁾. С выхода последнего каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока сигнал поступает на секции 5', 5" компенсационной катушки магнитоэлектрического силового преобразователя и резисторы R1, R2, R3. Посредством проходящего через секции 5', 5" компенсационной катушки тока магнитоэлектрический силовой преобразователь создает момент, компенсирующий гироскопический момент.

При угловой скорости ω_i(0<ω_i≤ω₁, где ω₁ - верхний предел низшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый К1 и второй К2 замыкающие контакты реле 9 разомкнуты) первый замыкающий контакт К1 и второй замыкающий контакт К2 находятся в разомкнутом состоянии. Измеряемый измерительным устройством 10 сигнал U_вых.1 гироскопического измерителя угловой скорости в этом случае описывается выражением

где k_сп - коэффициент преобразования магнитоэлектрического силового преобразователя;
r₁, r₃ - сопротивления соответственно первого R1 и третьего R3 резисторов.

При достижении угловой скорости ω_i = ω₁ напряжение на резисторах R1 и R3 достигает величины, при которой происходит срабатывание одного из первого 7' или второго 7" компараторов (в зависимости от направления вектора угловой скорости).

Тогда на вход логического устройства ИЛИ 8 поступает сигнал, приводящий к срабатыванию реле 9. Первый К1 и второй К2 замыкающие контакты замыкаются и закорачивают резистор R1 и оба резистора R2 и R1.

Измеряемый измерительным устройством 10 сигнал U_вых.2 гироскопического измерителя угловой скорости при угловой скорости ω_j (ω₁<ω_j≤ω₂, где ω₂ - верхний предел высшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый К1 и второй К2 замыкающие контакты реле 9 замкнуты) имеет вид

Подаваемое на входы первого 7' и второго 7" компараторов пороговое напряжение U_пор выбирается такой величины, чтобы суммарное напряжение на резисторах R1 и R3 было близким к максимальному выходному напряжению U_y каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока. Тогда в низшем диапазоне измеряемых угловых скоростей при угловой скорости ω_i = ω₁ суммарное напряжение на резисторах R1 и R3 будет близким к напряжению U_у. Тем самым при более низкой угловой скорости достигается получение большего напряжения на выходе гироскопического измерителя угловой скорости, обеспечивая повышение разрешающей способности в низшем диапазоне угловых скоростей. Для этого сопротивления резисторов R1 и R3 выполняются на основании соотношения

где M (M>1) - коэффициент повышения разрешающей способности измерения угловой скорости в низшем диапазоне по сравнению с высшим диапазоном.

Во время включения и выключения резисторов R2 и R3 при размыкании и замыкании соответственно первого К1 и второго К2 замыкающих контактов реле 9 функция преобразования гироскопического измерителя угловой скорости не изменяется, так как при изменении нагрузки каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока коэффициент преобразования каскада 6⁽ⁿ⁾ не изменяется.

Действительно, ток I₁ через резистор R4 равен

где I₂ - ток в резисторе R3;
r₄ - сопротивление резистора R4.

Отсюда

Входное напряжение U_вх каскада 6 выходного усилителя постоянного тока определяется соотношением
U_вх=I₁r₅, (6)
где r₅ - сопротивление резистора R5.

Коэффициент преобразования W каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока равен

Подставляя в (7) выражения (5), (6), получим

Следовательно, коэффициент преобразования каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока, а значит, и коэффициент преобразования всего усилителя не зависит от изменения нагрузки каскада 6⁽ⁿ⁾ при включении и выключении резисторов R1 и R2.

Поэтому не изменяется функция преобразования гироскопического измерителя угловой скорости, обеспечиваются стабильность статической ошибки и устойчивость следящей системы.

При разомкнутых первом К1 и втором К2 замыкающих контактах реле 9 напряжение U_а-б между точками "а" и "б" цепи равно
U_а-б=U_у-U_г, (9)
где U_y - максимальное выходное напряжение каскада 6⁽ⁿ⁾ выходного усилителя постоянного тока;
U_г - выходное напряжение гироскопического измерителя угловой скорости на верхнем пределе диапазона измеряемых угловых скоростей.

U_а-б=I₂r₂, (10)
где r₂ - сопротивление второго резистора R2.

С учетом (11) выражение (10) преобразуется к виду

В результате подстановки выражения (12) в (9) получим

Поделив обе части соотношения (13) на r₃, получим с учетом выражения (3)

В схеме соединений резисторов (фиг.2) при замкнутых первом К1 и втором К2 замыкающих контактах реле 9 резистор R_п1 представляет переходное сопротивление замкнутого первого замыкающего контакта К1, резистор R_п2 - переходное сопротивление замкнутого второго замыкающего контакта К2.

Схема соединений резисторов (фиг. 2) приведена к эквивалентной схеме (фиг.3) исходя из допущений, что сопротивление r_п2 резистора R_п2 значительно меньше сопротивления r₁ резистора R1, а сопротивления r_п1 резистора R_п1 и r_п2 резистора R_п2 равны между собой и равны сопротивлению r_п.

Напряжение U_а-в между точками "а" и "в" цепи

Напряжение U_б-в между точками "б" и "в" цепи

После подстановки выражения (15) в (16) получается

Исходя из фактического соотношения r₂>r_п, выражение (17) может быть приведено к виду

Напряжение U_в-г между точками "в" и "г" цепи
U_в-г=I₂r₃. (19)
Поделив выражение (12) на (13), получим с учетом соотношения (14)

На верхнем пределе ω₂ высшего диапазона измеряемых угловых скоростей
U_в-г=U_г (21)
U_б-в = ΔU_г, (22)
где ΔU_г - погрешность, вносимая в выходной сигнал измерителя угловой скорости при коммутации резисторов R1, R2, R3. Поделив друг на друга выражения (21), (22), получим

где δK - относительная погрешность коэффициента преобразования гироскопического измерителя угловой скорости.

На основании выражения (20) после подстановки в него соотношения (23) получим

Соотношения (3), (14), (24) служат основанием для выполнения первого резистора R1, второго резистора R2 и третьего резистора R3.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гироскопические системы. Под редакцией Д.С.Пельпора. М., "Высшая школа", 1986 г., стр.64, 65, рис.3.1а.

2. Гироскопические системы. Под редакцией Д.С.Пельпора. М., "Высшая школа", 1986 г., стр.64, 65, рис.3.1б.

Формула изобретения

1. Гироскопический измеритель угловой скорости, содержащий в цепи преобразования преобразователь углового положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с компенсационной катушкой, подключенный к выходу преобразователя углового положения усилитель, в выходную цепь которого включены компенсационная катушка и первый резистор, отличающийся тем, что введены второй, третий, четвертый и пятый резисторы, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле, усилитель выполнен с n (n= 2,3. . . ) каскадами, в том числе с k (k<n) каскадами выходного усилителя постоянного тока, первый вывод компенсационной катушки подключен к выходу последнего каскада выходного усилителя постоянного тока, к второму выводу компенсационной катушки подключен первый вывод второго резистора, к второму выводу которого подключен первый вывод первого резистора, к второму выводу первого резистора подключен первый вывод третьего резистора, к точке соединения первого и третьего резисторов подключен первый вывод четвертого резистора, второй вывод которого подключен к выводу пятого резистора, пятый резистор подключен между входом одного из каскадов выходного усилителя постоянного тока и выходом предыдущего по сравнению с ним каскада усилителя точкой соединения четвертого и пятого резисторов к входу вышеупомянутого каскада выходного усилителя постоянного тока, точка соединения первого и второго резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства ИЛИ, выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства ИЛИ, к выходу логического устройства ИЛИ подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с вторым резистором и точкой соединения первого и третьего резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения первого резистора с вторым резистором и точкой соединения первого и третьего резисторов, первый и третий резисторы выполнены из резистивного материала с температурным коэффициентом сопротивления, не большим 1,5•10^-5 1/^oС, по интегральной технологии на общей подложке, при верхнем пределе ω₁ низшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый и второй замыкающие контакты реле разомкнуты, при верхнем пределе ω₂ (ω₂>ω₁) высшего диапазона измеряемых угловых скоростей, когда первый и второй замыкающие контакты реле замкнуты, при максимальном выходном напряжении U_у последнего каскада выходного усилителя постоянного тока, при выходном напряжении U_r гироскопического измерителя угловой скорости на верхнем пределе диапазона измеряемых скоростей и относительной погрешности δK коэффициента преобразования гироскопического измерителя угловой скорости сопротивления r₁ первого резистора, r₂ второго резистора и r₃ третьего резистора выполнены в соответствии с соотношениями



где r_n - переходное сопротивление замкнутого контакта одного из замыкающих контактов реле.

2. Гироскопический измеритель угловой скорости по п. 1, отличающийся тем, что четвертый и пятый резисторы выполнены по интегральной технологии на одной подложке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3