Акселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации, навигации, наведения, медицинского назначения, в частности для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы.

Известен акселерометр (А.С. №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 акселерометра является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы. Точность работы 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 компенсационный акселерометр для измерения ускорений (патент РФ №2513667 C1, G01P 15/13, опубл. в бюл. №11, 20.04.2014), содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, 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, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазового детектора отрицательной обратной связи, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход фазового детектора отрицательной обратной связи через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент, интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией (где Т₁<Т₂, постоянные времени) и один из входов сумматора соединен с выходом интегро-дифференцирующего звена через звено запаздывания с передаточной функцией (где K и Т - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания) и выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено с передаточной функцией (где T₁>T₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.

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

Это достигается тем, что в акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, один из входов которого соединен с генератором опорного напряжения, а выход соединен с усилителем, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, а выход с входом датчика момента, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход, с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, введены фильтр, интегратор, сумматор и пороговый элемент с зоной неоднозначности, причем входы фильтра и интегратора соединены с выходом усилителя, а выходы с входами сумматора, выход которого соединен с входом компаратора, кроме того, вход электронного ключа соединен с выходом схемы сравнения через пороговый элемент с зоной неоназначности и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра.

Введение интегратора, фильтра, сумматора и порогового элемента с зоной неоназначности позволяет создать акселерометр с астатизмом по отклонению, повысить точность и расширить полосу пропускания

На чертеже изображена функциональная схема акселерометра.

Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Один из входов датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3 (ГОН). Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 4. Выход усилителя 4 соединен с одним из входов фильтра 5. Также выход усилителя 4 соединен с входом интегратора 6. Выходы фильтра 5 и интегратора 6 соединены с входами сумматора 7. Выход сумматора 7 соединен с входом компаратора 8, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 9, выходы которого соединены с входами двух ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 10 и 11. Выходы ЖСГ 10 и 11 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 12. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 соединен с входом схемы сравнения 13. Другой вход схемы сравнения 13 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 14. Выход схемы сравнения 13 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 15. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 15 соединен с входом электронного ключа 16, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 17. Выход электронного ключа 16 соединен с входом датчика момента 18. Датчик момента 18 связан с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы ЖСГ 10 и 11, реверсивного двоичного счетчика 12, компаратора 8 и суммирующего двоичного счетчика 14 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 19.

Внутреннее содержание компаратора, ЖСГ, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора и фильтра описаны в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993, Н.Т. Кузовков Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1968. С. - 428.

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

Введение фильтра, интегратора, сумматора и порогового элемента с зоной неоднозначности позволяет стабилизировать параметры акселерометра, реализовать режим автоколебаний, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.