Компенсационный акселерометр

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

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. 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 и повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход соединен с усилителем, интегратор, соединенный с выходом усилителя, интегрирующую отрицательную обратную связь, выход компаратора соединен 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 одним из входов 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 местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя, через фильтр высоких частот, на один из входов датчика момента и двухпозиционный релейный элемент с гистерезисной характеристикой с выхода интегратора на вход компаратора, и триггер с выхода схемы сравнения на вход электронного ключа, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра.

Введение интегратора, фильтров нижних верхних частот, сумматора и двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой позволяет создать компенсационный 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 фиксируется датчиком угла 2. Один из входов датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 4. Выход усилителя 4 соединен с входом интегратора 5. Другой выход усилителя 4 соединен с входом фильтра высоких частот 6. Выход интегратора 5 соединен с входом двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой 7. Выход двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой 7 соединен с входом компаратора 8, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 9, выходы которого соединены с входами двух ждущих синхронных генераторов 10 и 11. Выходы ждущих синхронных генераторов 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 триггера 15. Выход триггера 15 соединен с входом электронного ключа 16, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 17. Выход электронного ключа 16 соединен с одним из входов датчика момента 18. Другой вход датчика момента 18 соединен с выходом фильтра высоких частот 6. Датчик момента 18 соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 8, ждущих синхронных генераторов 10 и 11, реверсивного двоичного счетчика 12 и суммирующего двоичного счетчика 14 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 19.

Внутреннее содержание компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора и фильтров низких частот, интегратора описаны в книгах: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993, Н.Т. Кузовков Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 19686 С. 428.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W/g, отклонение чувствительного элемента 1 фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения 3. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 4, поступает на входы интегратора 5 и фильтра высоких частот 6. Местная отрицательная обратная связь, введенная с выхода усилителя 4, через фильтр высоких частот 6, на вход датчика момента 18 обеспечивает устойчивость и стабилизацию параметров акселерометра. Выходной сигнал с выхода интегратора 5 поступает на вход двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой 7, выходной сигнал с которого поступает на вход компаратора 8. В компараторе 8 происходит сравнение сигнала с выхода двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой 7 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 19. Если сигнал с выхода двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой 7 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 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 ждущих синхронных генераторов 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 ждущего синхронного генератора 10 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 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 12 поступает на вход триггера 15, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 16. Стабилизация параметров электронного ключа 16 осуществляется генератором тока 17. На выходе электронного ключа 16 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 13. На датчик момента 18 поступают сигналы как с выхода электронного ключа 16 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 12, так и с фильтра высоких частот 6. Датчик момента 18 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1 вызванное действием ускорения. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

Введение фильтра высоких частот в местную отрицательную обратную связь, интегратора, двухпозиционного релейного элемента с гистерезисной характеристикой, триггера в интегрирующую отрицательную обратную связь позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, реализовать режим автоколебаний, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.