Компенсационный акселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах стабилизации, навигации, наведения и медицинской технике.

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 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.

Недостатками устройства для измерения ускорений являются малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.

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

Это достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого определяется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, фазовый детектор, соединенный с выходом усилителя, 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, дополнительные входы компаратора, двух ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, введена местная отрицательная обратная связь с выхода фазового детектора на вход датчика момента через фильтр и выход фазового детектора соединен с входом компаратора через дифференцирующее звено, два, параллельно соединенных между собой, пороговых элемента, интегратор и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр местной отрицательной обратной связи с фильтром обеспечивает стабилизацию параметров и астатизм по отклонению, а реализация отрицательной обратной связи, с выхода фазового детектора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам: интегратор, два пороговых элемента, соединенных между собой параллельно, компаратор, преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, триггер и электронный ключ позволило повысить точность измерения, реализовать режим автоколебаний и расширить полосу пропускания.

На чертеже 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 входом фазового детектора 4. Выход фазового детектора 4 соединен с входом дифференцирующего звена 5. Выходы дифференцирующего звена 5 соединены с входами двух пороговых элементов 6 и 7. Пороговые элементы 6 и 7 соединены между собой параллельно. Выходы генератора опорного напряжения 8 соединены как с входами датчика угла 2, так и с входами фазового детектора 4. Выходы пороговых элементов 6 и 7 соединены с входом интегратора 9. Выход интегратора 9 соединен с входом компаратора 10. Выход компаратора 10 соединен с входом преобразователя уровня 11, выходы которого соединены с входами двух ждущих синхронных генераторов 12 и 13. Выходы ждущих синхронных генераторов 12 и 13 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 14. Выход реверсивного двоичного счетчика 14 соединен с входом схемы сравнения 15. Другой вход схемы сравнения 15 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 16. Выход схемы сравнения 15 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. Выход датчика момента 20 соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 10, ждущих синхронных генераторов 12 и 13, реверсивного двоичного счетчика 14 и суммирующего двоичного счетчика 16 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 21. Выход фазового детектора 4, через фильтр 22, соединен с входом датчика момента 20.

Внутреннее содержание фазового детектора, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, интегратора, дифференцирующего звена, пороговых элементов и триггера описаны в книгах: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993, Н.Т. Кузовков Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1986 с-428.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W/g происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки, возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения 8. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на вход фазового детектора 4, а затем на вход дифференцирующего звена 5. Выходы генератора опорного напряжения 8 соединены с входом фазового детектора 4. Фильтр 22, включенный в местную отрицательную обратную связь с выхода фазового детектора 4 на вход датчика момента 20, обеспечивает стабилизацию параметров компенсационного акселерометра и астатизм по отклонению. Сигнал с выхода дифференцирующего звена 5, поступает на два входа пороговых элементов 6 и 7, которые ограничивают входной сигнал с дифференцирующего звена 5 по уровню. Сигналы с пороговых элементов 6 и 7 поступают на вход интегратора 9, с выхода интегратора 9, на вход компаратора 10. В компараторе 10 происходит сравнение сигнала с выхода звена интегратора 9 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 21. Если сигнал с выхода дифференцирующего звена 5 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 21, то на выходе компаратора 10 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 10 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 10 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 10, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 11, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 12 и 13, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 21, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 11) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 14 производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 12 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13. Реверсивный двоичный счетчик 14 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 15 и суммирующим двоичным счетчиком 16. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 15, сигнал с выхода 15 поступает на вход триггера 17, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 18. Стабилизацию параметров электронного ключа 18 осуществляет генератор тока 19. На выходе генератора тока 19 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 15. На токовую обмотку датчика момента 20 поступает сигнал с выхода электронного ключа 18 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 14 и с выхода фильтра 22. Момент, развиваемый датчиком момента 20, компенсирует отклонение чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения W/g. Выход реверсивного двоичного счетчика 14, является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр местной отрицательной обратной связи с фильтром осуществляет стабилизацию параметров и астатизм по отклонению, а реализация отрицательной обратной связи, с выхода фазового детектора на вход датчика момента через последовательно соединенных по информационным входам: дифференцирующее звено, два пороговых элемента, соединенных между собой параллельно, интегратор, компаратор, преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, триггер и электронный ключ позволяет повысить точность измерения, реализовать режим автоколебаний и расширить полосу пропускания.