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 медицинской диагностике.

Известен акселерометр (А.С. №742801, опубл. в БИ №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 БИ №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 T - 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 устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, выход которого соединен с усилителем, а вход соединен с генератором опорного напряжения, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, 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, введены аналоговая отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход датчика момента через первый фильтр и дискретная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход компаратора последовательно по информационным входам через интегрирующий усилитель с зоной нечувствительности, второй фильтр и интегратор, кроме того выход схемы сравнения соединен с входом электронного ключа через триггер, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом.

Введение в устройство для измерения ускорений отрицательных обратных связей, одна из которых содержит первый фильтр с передаточной функцией , (где T₁>T₂), другая содержит интегрирующий усилитель с зоной нечувствительности, второй фильтр с передаточной функцией (где T₃>T₄), триггер, и интегратор с передаточной функцией , (где k - коэффициент передачи интегратора, s - оператор преобразования Лапласа) позволило реализовать режим устойчивых автоколебаний, увеличить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.

На фиг. изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений

Устройство для измерения ускорений 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 входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом первого фильтра 5, выход которого соединен с одним из входов датчика момента 6. Выход усилителя 4 соединен с входом интегрирующего усилителя с зоной нечувствительности 7. Выход интегрирующего усилителя с зоной нечувствительности 7 соединен с входом второго фильтра 8. Выход второго фильтра соединен с входом интегратора 9. Выход интегратора 9 соединен с входом компаратора 10, выход которого 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 которого соединен с одним из входов электронного ключа 18. Другой вход электронного ключа 18 соединен с выходом генератора тока 19. Выход электронного ключа 18 соединен с входом датчика момента 6. Датчик момента 6 кинематически соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 10, преобразователя уровня 11, ждущих синхронных генераторов 12 и 13, реверсивного двоичного счетчика 14 и суммирующего двоичного счетчика 16 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 20. Выход реверсивного двоичного счетчика 14 является дискретным выходом устройства для измерения ускорений.

Элементы, входящие в функциональную схему 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 происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое 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 вход первого фильтра 5, а затем на одну из токовых обмоток датчика момента 6. Ведение, в аналоговую отрицательную обратную связь, первого фильтра 5 с передаточной функцией (где T₁>T₂), обеспечивает стабилизацию параметров устройства для измерения ускорений. Выходной сигнал с усилителя 4 поступает на вход интегрирующего усилителя с зоной нечувствительности 7, а затем на вход второго фильтра 8 с передаточной функцией (где T₃>T₄). Напряжение с выхода второго фильтра 8 поступает на вход интегратора 9. Сигнал с интегратора 9 поступает на вход компаратора 10. В компараторе 10 происходит сравнение сигнала с выхода интегратора 9 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 20. Если сигнал с выхода интегратора 9 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 20, 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 20, 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. Выходной сигнал с триггера 17, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 18. Стабилизация 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 токовые обмотки датчика момента 6 поступают сигналы с выхода электронного ключа 18 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 14 и с выхода первого фильтра 5. Датчик момента 6 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 14 является дискретным выходом устройства для измерения ускорений.

Введение в устройство для измерения ускорений аналоговой и дискретной отрицательных обратных связей позволяет реализовать режим устойчивых автоколебаний, а также повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, точность и расширить полосу пропускания.