АКСЕЛЕРОМЕТР

Акселерометр предназначен для измерения линейных ускорений. Изобретение может найти применение в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации, а также в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, кл. G01P 15/13 опубл. 10.12.97 г.), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, 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 усилителей отрицательной обратной связью, осуществить компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (описанное в АС №742801, опубл. в БИ №23, 1980), содержащее 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 подключен к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком акселерометра является малая полоса пропускания, обусловленная работой интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, полоса пропускания зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Акселерометр имеет погрешность измерения, обусловленную конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации. Малая полоса пропускания акселерометра, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру, определяют точность в установившемся режиме.

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

Это достигается за счет того, что в акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, выходы которого соединены с входами сумматора через пороговый элемент и интегрирующий усилитель, датчик момента, включенный в отрицательную обратную связь, а выход сумматора являющийся аналоговым выходом, введены две отрицательные обратные связи: одна - с выхода датчика угла на один из входов датчика момента через дифференцирующий фильтр, другая - отрицательная обратная связь, реализована с выхода сумматора на другой вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, и электронный ключ. Причем, дополнительные входы компаратора, реверсивного двоичного счетчика, ждущих синхронных генераторов соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, кроме того, вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока. Вход схемы сравнения соединен с выходом генератора вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик. Выход реверсивного двоичного счетчика является выходом устройства в виде цифровым кода.

Введение двух отрицательных обратных связей: одна - стабилизирующая обратная связь, с выхода датчика угла через дифференцирующий фильтр на один из входов датчика момента, а другая - с выхода сумматора на другой вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ позволяют создать устройство, работающее в режиме автоколебаний с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием.

На фиг.1 изображена функциональная схема акселерометра, на фиг.2 - результаты моделирования прототипа и предлагаемого устройства.

Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Один из выходов датчика угла 2 соединен с входом порогового элемента 3, а другой, с входом интегрирующего усилителя 4. Выходы порогового элемента 3 и интегрирующего усилителя 4 соединены с входом сумматора 5. Другой выход датчика угла 2 соединен с входом дифференцирующего фильтра 6. Выход сумматора 5 соединен с входом компаратора 7. Выход компаратора 7 соединен с входом преобразователя уровня 8, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 9 и 10. Выходы ЖСГ 9 и 10 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 11. Выход реверсивного двоичного счетчика 11 соединен с входом схемы сравнения 12. Другой вход схемы сравнения 12 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 13. Выход схемы сравнения 12 соединен с входом триггера 14. Выход триггера 14 соединен с входом электронного ключа 15, другой вход электронного ключа 15 соединен с выходом генератора тока 16. Дополнительные входы компаратора 7, ЖСГ 9 и 10, реверсивного двоичного счетчика 11 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 17. Вход схемы сравнения 12 соединен с выходом генератора вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик 13. Выход электронного ключа 15 соединен с одним из входов датчика момента 18, другой вход датчика момента 18 соединен с выходом дифференцирующего фильтра 6.

Внутреннее содержание компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, порогового элемента, триггера, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора, интегрирующего усилителя, дифференцирующего фильтра приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993.

Акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент равный m·l·W(где m, l - масса и длинна маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2. Сигнал с датчика угла 2, после усиления интегрирующим усилителем 4, поступает на один из входов сумматора 5. В зависимости от величины входного ускорения, сигнал с датчика угла 2, через пороговый элемент 3, также поступает на другой вход сумматора 5. Сигнал, в виде напряжения, с датчика угла 2 поступает на вход дифференцирующего фильтра 6, а затем на один из входов датчика момента 18. Сигнал с выхода сумматора 5, в виде напряжения, поступает на вход компаратора 7. В компараторе 7 происходит сравнение сигнала с выхода сумматора 5 с сигналом, выделенного стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 17. Если сигнал с выхода сумматора 5 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 17, то на выходе компаратора 7 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 7 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 7 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 7, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 8, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 9 и 10, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 17, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 8) равного “1”. Реверсивный двоичный счетчик 11, по сигналу с генератора вспомогательной частоты 17, производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 9 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 10. Реверсивный двоичный счетчик 11 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 12 и суммирующим двоичным счетчиком 13. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 12, сигнал с выхода 12 поступает на вход триггера 14, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 15. Стабилизацию параметров электронного ключа 15 осуществляет генератор тока 16. На выходе электронного ключа 15 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 12. На вход датчика момента 18 поступают сигналы как с выхода дифференцирующего фильтра 6, так и с выхода электронного ключа 15. Сигнал, поступающий на обмотку датчика момента 18, будет со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 11. Выход реверсивного двоичного счетчика 11 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра. Отрицательная обратная связь, реализованная с выхода датчика угла 2 на вход датчика момента 18, через дифференцирующий фильтр 6, осуществляет стабилизацию параметров акселерометра. Введение в акселерометр интегрирующей отрицательной обратной связи позволяет создать акселерометр с астатизмом по отклонению, работающее в автоколебательном режиме, с расширенной полосой пропускания и значительным быстродействием.

На фиг.2 изображены переходные процессы в прототипе (1) и в предлагаемом устройстве (2). Из их анализа следует, что предлагаемое устройство, работающее в автоколебательном режиме, имеет значительную полосу пропускания и быстродействие по сравнению с прототипом.

Предложенный способ изменения полосы пропускания и точности может быть использован в приборах компенсационного типа выпускаемых промышленностью без изменения конструкции и технологии их изготовления.