Результат интеллектуальной деятельности: КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения ускорений в системах коррекции дальности полета реактивных снарядов.

Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к выходу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первой и второй масштабные резисторы, балластный резистор, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле, первый вывод балластного резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки, к второму выводу балластного резистора подключен второй вывод первого масштабного резистора, точка соединения балластного и первого масштабного 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 балластным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов.

Недостатком указанного акселерометра является значительная температурная нестабильность его коэффициента преобразования, минимальное значение которой определяется минимально возможной температурной нестабильностью индукции магнитов обратного преобразователя.

Известен компенсационный акселерометр [2], содержащий инерционный элемент, колебательную систему, преобразователь перемещения, усилитель, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, конденсатор, включенный параллельно обмотке обратного преобразователя, резистор отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а другой вывод - к точке соединения обмотки обратного преобразователя и масштабирующего резистора.

Недостатком акселерометра является низкая температурная стабильность его коэффициента преобразования из-за отсутствия в его составе цепей термокомпенсации, обеспечивающих значение температурной нестабильности коэффициента преобразования не хуже 0,004%/°C.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является компенсационный акселерометр [3], содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, дополнительный усилитель и резистор его обратной связи, подключенной к его инвертирующему входу цепью, содержащей параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего ее резистора R_П, соединенной последовательно с резистором R_Ш, а также дополнительный конденсатор C_ДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, а свободный вывод резистора отрицательной обратной связи усилителя цепи уравновешивания подключен к его выходу. Электрические сопротивления резисторов R_П, R_Ш определяются из выражений

где γ - назначенное значение составной части общей погрешности;

R₀ - электрическое сопротивление медной катушки при температуре, соответствующей середине температурного интервала;

α_R, α_M - температурные коэффициенты сопротивлений резистора R_П и медной катушки R₀;

n - установленное отношение температурных приращений сопротивлений R_П и R₀ (n>1);

ΔT - приращение температур относительно середины интервала температуры, воздействующей на акселерометр.

Недостатком акселерометра является значительная сложность регулирования температурного коэффициента усиления акселерометра при решении задачи компенсации температурных погрешностей на уровне менее 0,8%/100°C вследствие значительной нелинейности скомпенсированной температурной характеристики акселерометра, обусловленной наложением некомпенсированной температурной характеристики, нелинейность которой тем больше, чем меньше ее наклон, и обратно пропорциональной температурной характеристики термокомпенсирующего усилителя.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра.

Поставленная цель достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а его свободный вывод - к выходу усилителя цепи уравновешивания, термокомпенсирующий усилитель, резистор его обратной связи, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя цепь, содержащую параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего резистора R_Ш, соединенное последовательно с резистором R_П, a также дополнительный конденсатор C_ДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, в цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя согласно изобретению дополнительно введена цепь из датчика температуры R₀₁, подключенного одним выводом к инвертирующему входу операционного усилителя, другим выводом - к резистору обратной связи R_ОС операционного усилителя, и зашунтированного дополнительным резистором R_Ш1, электрическое сопротивление которого выбирается из следующего условия

где

где K_∑(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра;

K_t0(t₀), K_t0(Δt₁), K_t0(Δt₂) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;

K_A(t₀), K_A(Δt₁), K_A(Δt₂) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;

K_t(t₀), K_t(Δt₁), K_t(Δt₂) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;

R₀, R₀₁ - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении температуры окружающей среды;

α_R, α_M - температурные коэффициенты сопротивления резисторов R_П, R_П1 и медных катушек R₀, R₀₁ соответственно;

Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения.

Подключение дополнительного датчика температуры в обратную связь термокомпенсирующего усилителя позволяет линеаризовать скомпенсированную температурную характеристику акселерометра, что обеспечивает уменьшение температурной нестабильности его коэффициента преобразования и снижение трудоемкости процесса его температурной отладки.

На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема компенсационного акселерометра, содержащего:

1 - инерционный элемент;

2 - колебательную систему;

3 - преобразователь перемещения;

4 - усилитель цепи уравновешивания;

5 - обратный преобразователь;

6 - узел подключения масштабирующего резистора;

7 - термокомпенсирующий усилитель.

На фиг. 2 представлена обобщенная конфигурация термокомпенсирующего усилителя, содержащего:

R_П - последовательный резистор цепи, подключенной к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя;

R_ОС - резистор обратной связи термокомпенсирующего усилителя;

R₀(t), R₀₁(t) - медные датчики температуры;

R_Ш, R_Ш1 - шунтирующие резисторы;

DA - операционный усилитель.

На фиг. 3 представлены результаты моделирования процесса термокомпенсации средствами программы Mathcad с термокомпенсирующим усилителем согласно [3] и согласно предложенному техническому решению:

а - при конфигурации термокомпенсирующего усилителя [3], содержащей цепь из датчика температуры R₀(t), зашунтированного резистором R_Ш, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя;

б - при конфигурации термокомпенсирующего усилителя, содержащей цепь из датчика температуры R₀(t), зашунтированного резистором R_Ш, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя, и дополнительную цепь, состоящую из датчика температуры R₀₁(t), зашунтированного резистором R_Ш1.

Процесс термокомпенсации реализуется следующим образом. Предварительно экспериментальным путем определяется температурная характеристика акселерометра K_A(t) при отключенных датчиках температуры. В том случае, если полученные значения K_A(Δt₁) и K_A(Δt₂) не удовлетворяют заданным требованиям, по результатам моделирования, реализующего алгоритм нахождения корней уравнений, описывающих условие (1) ,определяется конфигурация термокомпенсирующего усилителя, обеспечивающая минимизацию температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра:

- на основе полученных значений K_A(Δt₁), K_A(Δt₁) выбирается оптимальная конфигурация термокомпенсирующего усилителя;

- задаются начальные условия задачи: K_A(t), R_П, R_ОС, R₀, R₀₁;

- выполняется поиск решений (R_Ш, R_Ш1) системы неравенств, реализующих условие (1);

- оценивается соответствие заданным требованиям расчетной характеристики K_∑(t) с выбранной конфигурацией термокомпенсирующего усилителя.

После подключения выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в измерительную цепь акселерометра экспериментальным путем определяется скомпенсированная характеристика K_∑(t) акселерометра.

Результаты оценки эффективности предлагаемого решения на основе моделирования средствами программы Mathcad приведены в таблице 1.

Моделирование процесса термокомпенсации при конфигурации термокомпенсирующего усилителя с предложенной конфигурацией (Фиг. 3) при значениях , дает результат , , что подтверждает существенное расширение возможностей по минимизации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра.

Эффективность решения подтверждена результатами серийного изготовления и испытаний в составе изделия акселерометров АЛЕ 055-01 по КД, откорректированной с применением предлагаемого технического решения, в 2012 году.

Источники информации

1. RU патент № 2155965, G01 Р 15/13. Компенсационный акселерометр. Опубл.10.09.2000.

2. RU патент № 2138822, G01 P 15/08. Компенсационный аселерометр. Опубл.27.09 1999.

3. RU патент № 2341805, G01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. Опубл. 2012.2008.