Результат интеллектуальной деятельности: КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к измерительной техники и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения.

Известен акселерометр (АС №742801, опубл. в бюл. изобр. №23, 1980), содержащий чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент. Причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла, через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель, к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком компенсационного акселерометра является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы. Точность работы компенсационного акселерометра зависит от интегрирующих аналоговых усилителей, порогового элемента и электронного ключа, включенных в обратную связь. Основная погрешность устройства для измерения ускорений связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (патент РФ №2165625 C1, G01P 15/13, опубл. в бюл. №11, 20.04.2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, местная положительная обратная связь которого введена с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение - ток. Местная отрицательная обратная связь введена с выхода датчика угла на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот и преобразователь напряжение - ток. Отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента и содержит последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор, при этом второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы собирания, выход которой является выходом цифрового кода устройства. Кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, выходы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей.

Недостатком устройства для измерения ускорений является малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.

Техническая задача в предлагаемом изобретении решается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, соединенный с выходом генератора опорного напряжения, выход которого соединен с входом датчика угла, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход схема сравнения через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, триггер, соединенный с входом датчика момента через электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход - с выходом генератора вспомогательной частоты, а также дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, суммирующего двоичного счетчика соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, что в него введены фильтр с выхода схемы сравнения на вход триггера и последовательно соединенные по информационным входам пороговый элемент и интегратор с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход компаратора, и один из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с одним из входов интегратора через аналого-цифровой преобразователь, кроме того, выход усилителя соединен с одним из входов фазового детектора отрицательной обратной связи, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр аналого-цифрового преобразователя, порогового элемента, интегратора и фильтра позволяет повысить точность измерения и расширить полосу пропускания, при значительном коэффициенте усиления по разомкнутому контуру, за счет реализации в устройстве автоколебательного режима. Введение в цепь интегрирующей отрицательной обратной связи позволяет создать компенсационный акселерометр с астатизмом по отклонению.

На фиг. изображена функциональная схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Выход усилителя 3 соединен с одним из входов фазового детектора отрицательной обратной связи (ФДООС) 4. Выходы генератора опорного напряжения (ГОН) 5 соединены с входами датчика угла 2 и ФДООС 4. Один из выходов ФДООС 4 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6, другой выход ФДООС 4 соединен с входом порогового элемента 7, выход которого соединен с одним из входов интегратора 8. Другой вход интегратора 8 соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 6. Выход интегратора 8 соединен с входом компаратора 9. Выход компаратора 9 соединен с входом преобразователя уровня 10, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 11 и 12. Выходы ЖСГ 11 и 12 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 13. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 соединен с входом схемы сравнения 14. Другой вход схемы сравнения 14 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 15. Выход схемы сравнения 14 соединен с входом фильтра 16. Выход фильтра 16 соединен с входом триггера 17. Выход триггера 17 соединен с входом электронного ключа 18, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 19. Выход электронного ключа 18 соединен с входом датчика момента 20. Момент, развиваемый 20, возвращает чувствительный элемент 1 в исходное состояние. Дополнительные входы компаратора 9, ЖСГ 11 и 12, реверсивного двоичного счетчика 13 и суммирующего двоичного счетчика 15 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 21.

Внутреннее содержание ФДООС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня описаны в книге: 1. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения на чувствительный элемент 1 возникает инерционный момент. Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 5. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на один из входов фазового детектора 4. С помощью ФДООС 4 и ГОН 5 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1. Напряжение с выхода ФДООС 4 поступает на входы аналого-цифрового преобразователя 6 и порогового элемента 7. Сигналы с выходов 6 и 7 поступают на входы интегратора 8, а затем на вход компаратора 9. В компараторе 9 происходит сравнение сигнала с выхода звена 8 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 21. Если сигнал с выхода интегратора 8 будет больше треугольного напряжения с выхода 21, то на выходе компаратора 9 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 9 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 9 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 9, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 10, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 11 и 12, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 21, выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 10), равного “1”. Реверсивный двоичный счетчик 13 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 11, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 12. Реверсивный двоичный счетчик 13 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 14 и суммирующим двоичным счетчиком 15. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 14, сигнал с выхода 14 поступает на вход фильтра 16, а затем на вход триггера 17. Сигнал с выхода триггера 17, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 18. Стабилизацию параметров электронного ключа 18 осуществляет генератор тока 19. На выходе 18 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 14. На токовую обмотку датчика момента 20 поступает сигнал с выхода 18 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 13. Развиваемый момент датчиком момента 20 будет компенсировать угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр аналого-цифрового преобразователя, порогового элемента, интегратора, интегрирующей отрицательной обратной связи с фильтром позволяет повысить точность измерения и расширить полосу пропускания за счет реализации в устройстве автоколебательного режима. В интегрирующей отрицательной обратной связи реализуется цифровой код, пропорциональный входному воздействию.