КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801, МПК⁷ 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 устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (патент РФ RU №2190857 C1⁷ G 01Р 15/13, опубл. 10.10.2002, бюл. №28), содержащее последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента. В цифровой канал введен трехразрядный сдвиговый регистр (схема управления потоком входной информации) с выхода компаратора на вход итогового регистра через реверсивный счетчик, и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор. В аналоговый канал введены последовательно соединенные интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение-ток, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен с входом датчиком момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, компаратора, второго дискретизатора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, вход которой соединен со вторым выходом первого дискретизатора, пятый выход схемы синхронизации соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра, второй, третий и четвертый выходы трехразрядного сдвигового регистра соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами реверсивного счетчика, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода.

Недостатком устройства для измерения ускорений является малая полоса пропускания, обусловленная работой интегрирующего аналогового усилителя и порогового элемента. Малая полоса пропускания устройства для измерения ускорений, невысокое быстродействие и малый коэффициент усиления по разомкнутому контуру, определяют точность в установившемся режиме.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Техническая задача в предполагаемом изобретении решается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий аналоговый канал, включающий последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, а также соединенные последовательно преобразователь напряжение-ток и датчик момента и цифровой канал, включающий схему синхронизации и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, а также последовательно соединенные реверсивный счетчик и итоговый регистр, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, второго дискретизатора и компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, второй выход первого дискретизатора соединен с входом схемы синхронизации и выход итогового регистра является выходом цифрового кода, введены с выхода усилителя на вход преобразователя напряжение-ток последовательно соединенные между собой два изодромных звена, и выход усилителя соединен с входом первого дискретизатора.

Введение в компенсационный акселерометр двух последовательно соединенных изодромных звеньев обеспечивает астатизм второго порядка, а следовательно, повышение точности измерения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра, на фиг. 2 диаграммы, поясняющие принцип работ компенсационного акселерометра, на фиг. 3 граф работы трехразрядного сдвигового регистра в цифровом канале компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, датчик угла 2, выход датчика угла соединен с входом усилителя 3, выход которого соединен с входом первого изодромного звена 4, выход которого соединен с входом второго изодромного звена 5. Выход второго изодромного звена 5 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 6, а выход преобразователя напряжение-ток 6 соединен с входом датчика момента 7. Выход усилителя 3 соединен также с первым входом первого дискретизатора 8, первый выход которого соединен с первым входом сумматора 9. Выход сумматора 9 соединен с первым входом второго дискретизатора 10, выход второго дискретизатора 10 соединен с первым входом компаратора 11. Выход компаратора 11 соединен с первым входом трехразрядного сдвигового регистра 12, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика 13. Выход реверсивного счетчика 13 соединен с входом итогового регистра 14, другой вход которого соединен с первым выходом трехразрядного сдвигового регистра 12. Второй выход первого дискретизатора 8 соединен с входом схемы синхронизации 15, первый второй, третий и четвертый выходы которой соединены со вторыми входами первого дискретизатора 8, сумматора 9, второго дискретизатора 10 и компаратора 11. Пятый выход схемы синхронизации 15 соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра 12.

Внутреннее содержание дискретизатора, компаратора, итогового регистра, сумматора, трехразрядного сдвигового регистра, реверсивного счетчика описаны в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И., Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432 с., П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир., т. 1-3, 1999.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом.

При действии ускорения на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент. Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1. Величина этого угла фиксируется датчиком угла 2, сигнал с которого в виде напряжения поступает на вход усилителя 3, а затем на вход первого изодромного звена 4. Сигнал с 4, в виде напряжения, поступает на вход второго изодромного звена 5. Изодромные звенья 4 и 5 обеспечивают не только устойчивость, но и астатизм по отклонению и по скорости. Сигнал с выхода второго изодромного звена 5 поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, сигнал с выхода которого в виде тока поступает на вход датчика момента 7, который развивает момент для компенсации инерционного момента, вызванного действием ускорения. Выходной сигнал с усилителя 3 служит оценкой величины действующего ускорения в аналоговой форме. Сигнал с выхода усилителя 3, в виде напряжения, поступает на первый вход первого дискретизатора 8, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 15. Первый дискретизатор 8 фиксирует величину аналогового сигнала с усилителя 3 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 8, фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 15. Со второго выхода первого дискретизатора 8 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 15 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Сумматор 9, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 8, а на второй вход сумматора 9 поступает со второго выхода схемы синхронизации 15 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов 8 и 15, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 9 поступает на первый вход второго дискретизатора 10, на второй вход дискретизатора 10 поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 15. Второй дискретизатор 10 запоминает информацию с выхода сумматора 9 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 10 поступает на первый вход компаратора 11, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 10 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 15. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 10 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 15, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе 11 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 11 (фиг. 2б), в виде уровня, поступает на первый вход трехразрядного сдвигового регистра 12, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с пятого выхода схемы синхронизации 15 (фиг. 2а). На первый вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы счета U₃ (фиг. 2d) при состоянии счетчика 111, на второй вход 13 (фиг. 2е) импульсы U₄ ″1″ при состоянии счетчика 011, 001, 000. На третий вход реверсивного счетчика 13 поступают импульсы установки счетчика 13 в начальное состояние ″+1″ (фиг. 2г) при состоянии счетчика 110. Запись этой информации осуществляется по импульсу записи информации U₁ (фиг. 2b) при состоянии счетчика 100. Выход информации с итогового регистра 14 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

На фиг. 3 представлен граф работы трехразрядого сдвигового регистра 12 при переходе информации с компаратора 11 с высокого логического уровня на низкий (U₁₁=″1″, U₁₁=″0″).

Введение в цифровой канал трехразрядного сдвигового регистра, осуществляющего управление потоком входной информации, позволяет создавать устройство с расширенной полосой пропускания, значительным быстродействием. Расширение полосы и увеличение быстродействия обеспечивается с тем, что начальная установка реверсивного счетчика 13 не на ″0″, а на ″+1″. Применение последовательно соединенных изодромных звеньев 4 и 5 позволяет свести к нулю коэффициенты ошибок системы, а следовательно, повысить точность компенсационного акселерометра.