Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения ускорений

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа 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. 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, пару ждущих синхронных генераторов, 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 устройства для измерения ускорений

Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, вход которого соединен с генератором опорного напряжения, усилитель, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, интегрирующую отрицательную обратную связь, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, а также 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, выход схемы сравнения соединен электронным ключом через триггер, введены аналоговая отрицательная обратная связь с выхода усилителя на один из входов датчика момента через высокочастотный фильтр, другой выход усилителя соединен с входом компаратора через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, интегратор, причем один из выходов интегратора соединен с одним из входов сумматора через низкочастотный фильтр, и интегрирующая отрицательная обратная связь с выхода интегратора на вход компаратора и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.

Введение местных отрицательных обратных связей, одна с выхода усилителя на вход датчика момента через высокочастотный фильтр, другая с выхода сумматора на последовательно соединенные по информационным входам пороговый элемент с зоной неоднозначности и интегратор, выход которого соединен с одним из входов сумматора, и дискретной интегрирующей отрицательной обратной связи, позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом, работающее в режиме устойчивых автоколебаний, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, увеличить точность измерений и расширить полосу пропускания.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений.

Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2. Вход датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом высокочастотного фильтра 5. Другой выход усилителя 4 соединен с входом сумматора 6. Выход сумматора 6 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 7. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 7 соединен с входом интегратора 8, выход которого соединен с входом сумматора 6 через низкочастотный фильтр 9. Выход интегратора 8 соединен с входом компаратора 10. Выход компаратора 10 соединен с входом преобразователя уровня 11, выходы которого соединены с входами пары 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 одним из входов датчика момента 20. Другой вход датчика момента 20 соединен с выходом высокочастотного фильтра 5. Датчик момента 20, соединенный кинематически с чувствительным элементом 1, компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванного действием ускорения. Дополнительные входы компаратора 10, ждущих синхронных генераторов 12 и 13, реверсивного двоичного счетчика 14, суммирующего двоичного счетчика 16 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 21.

Элементы, входящие в структуру устройства для измерения ускорений, приведены в книгах: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993, Н.Т. Кузовков Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1968, с. - 428.

Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения, 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 как на вход высокочастотного фильтра 5, так и на вход сумматора 6. Выход высокочастотного фильтра 5 соединен с одним из входов датчика момента 20. Сигнал с выхода сумматора 6, через последовательно соединенные по информационным входам пороговый элемент с зоной неоднозначности 7 и интегратор 8, поступает на вход компаратора 10. Один из выходов интегратора 8 соединен с входом сумматора 6 через низкочастотный фильтр 9. В компараторе 10 происходит сравнение сигнала с выхода интегратора 8 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 21. Если сигнал с выхода интегратора 8 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 схемы сравнения 15 поступает на вход триггера 17. Сигнал с выхода триггера 17, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 18. Стабилизацию параметров электронного ключа 18 осуществляется генератором тока 19. На выходе электронного ключа 18 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 15. На датчик момента 20 поступает сигнал с выхода электронного ключа 18 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 14. Датчик момента 20 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 14 является выходом устройства для измерения ускорений в виде цифрового кода, величина которого зависит от действующего ускорения.

Введение местных отрицательных обратных связей и дискретной интегрирующей отрицательной обратной связи, позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом, работающее в режиме устойчивых автоколебаний, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, увеличить точность измерений и расширить полосу пропускания.