КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах для измерения механических величин компенсационного типа.
Известен компенсационный 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.
Недостатком устройства для измерения ускорений является зависимость точности измерения ускорения от разброса коэффициентов передачи в местных положительной и отрицательной обратных связях.
Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.
Это достигается за счет того, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, местную положительную обратную связь с выхода усилителя на вход первого преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор положительной обратной связи и фильтр верхних частот, местную отрицательную обратную связь с выхода усилителя на вход второго преобразователя напряжение-ток через фазовый детектор отрицательной обратной связи, а также компаратор, интегрирующий усилитель, реверсивный двоичный счетчик, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, введена интегрирующая отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход первого сумматора последовательно по информационным входам через фазовый детектор отрицательной обратной связи, второй сумматор, интегрирующий усилитель, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, причем один из входов второго сумматора соединен с выходом компаратора через сглаживающий фильтр, а второй вход схемы сравнения соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика, и дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика и суммирующего двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, выходы первого и второго преобразователей напряжение-ток соединены с входом первого сумматора, выход которого соединен с входом датчика момента, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.
Введение в отрицательную интегрирующую обратную связь сглаживающего фильтра с выхода компаратора на один из входов второго сумматора позволяет устранить эффект "перекомпенсации" и "недокомпенсации" параметров в местных обратных связях, тем самым повысить точность измерения и расширить полосу пропускания. Кроме того, введение интегрирующего усилителя в цепь отрицательной обратной связи позволяет создать компенсационный акселерометр с астатизмом по отклонению.
На фиг.1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра; на фиг.2 - структурная схема компенсационного акселерометра; на фиг.3, 4 - переходные процессы в компенсационном акселерометре при единичном входном воздействии разного знака.
Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один выход усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС), а другой выход усилителя 3 соединен с входом фазового детектора положительной обратной связи 5 (ФДПОС). Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 соединены с выходом генератора опорного напряжения 6 (ГОН). Выход ФДПОС 5 соединен с входом фильтра верхних частот 7, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-ток 8. Выход ФДООС 4 соединен с входом второго преобразователя напряжение-ток 9. Выходы с первого и второго преобразователей напряжение-ток 8 и 9 соединены с входом первого сумматора 10. Выход ФДООС 4 соединен также с входом второго сумматора 11, выход которого соединен с входом интегрирующего усилителя 12. Выход интегрирующего усилителя 12 соединен с входом компаратора 13, один из выходов которого соединен с входом второго сумматора 11 через сглаживающий фильтр 14. Другой выход компаратора 13 соединен с входом преобразователя уровня 15, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 16 и 17. Выходы ЖСГ 16 и 17 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 18. Выход реверсивного двоичного счетчика 18 соединен с входом схемы сравнения 19. Другой вход схемы сравнения 19 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 20. Выход схемы сравнения 19 соединен с входом триггера 21. Выход триггера 21 соединен с входом электронного ключа 22, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 23. Выход электронного ключа 22 соединен с входом первого сумматора 10. Выход первого сумматора 10 соединен с входом датчика момента 24. Дополнительные входы компаратора, ЖСГ 16 и 17, реверсивного двоичного счетчика 18 и суммирующего двоичного счетчика 20 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 25.
Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматоров, фильтров и преобразователей напряжение-ток описаны в книге: П.Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993.
1
2
1
2
1
2
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный mlW (l, m - длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 6. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДПОС 5. С помощью ФДПОС 4 и ГОН 6 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС 5 в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 5, в виде напряжения, поступает на вход фильтра верхних частот 7, а затем на вход первого преобразователя напряжение-ток 8. Напряжение с выхода ФДООС 4, поступает на вход второго преобразователя напряжение-ток 9, и после преобразования в 9, на вход первого сумматора 10. Фильтр верхних частот 7, включенный в положительную обратную связь, предназначен для устранения компенсирующего действия положительной обратной связи отрицательной, и осуществляет стабилизацию параметров компенсационного акселерометра. Сигнал с ФДООС 4, в виде напряжения, поступает на вход второго сумматора 11, а затем на вход интегрирующего усилителя 12. Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 12 поступает на вход компаратора 13. В компараторе 13 происходит сравнение сигнала с выхода усилителя 12 с сигналом, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 25. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 12 будет больше треугольного напряжения с выхода 25, то на выходе компаратора 13 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 13 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 13 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Для стабилизации параметров в местных обратных связях компенсационного акселерометра введен сглаживающий фильтр 14 с выхода компаратора 13 на вход второго сумматора 11. Сглаживающий фильтр 14 устраняет эффект "недокомпесации" и "перекомпенсации" в местных обратных связях разных знаков (K>К и К<К, где К - коэффициент передачи в цепи положительной обратной связи, К - коэффициент передачи в цепи отрицательной обратной связи). Сигналы с выхода компаратора 13, в виде уровня, поступают на вход преобразователя уровня 15, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 16 и 17, которые с помощью генератора вспомогательной частоты 25 выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 15), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 18 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 16, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 17. Реверсивный двоичный счетчик 18 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 19 и суммирующим двоичным счетчиком 20. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 19 сигнал с выхода 19 поступает на вход триггера 21, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 22. Стабилизацию параметров электронного ключа 22 осуществляет генератор тока 23. На выходе 22 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 19. На токовую обмотку датчика момента 24 поступает сигнал с выхода первого сумматора 10 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 18. Выход реверсивного двоичного счетчика 18 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.
Введение в компенсационный акселерометр местных положительной и отрицательной обратных связей, отрицательной интегрирующей обратной связи со сглаживающим фильтром с выхода компаратора на один из входов второго сумматора позволяет стабилизировать параметры местных обратных связей, тем самым повысить точность измерения и расширить полосу пропускания. Кроме того, введение интегрирующего усилителя в цепь отрицательной обратной связи позволяет создать компенсационный акселерометр с астатизмом по отклонению.
1
2
1
Результаты моделирования компенсационного акселерометра при параметрах: Т=0.2 с, T=0.1 с, T=0.01 с, K=0.1, при ширине зоны неоднозначности порогового элемента, включенного в обратную связь, равной 0.01, представлены на фиг.3 и фиг.4 (соответственно, при входном воздействии, меньшим нуля и больше нуля). Из анализа следует, что компенсационный акселерометр с реализованными обратными связями устойчив и в интегрирующей отрицательной обратной связи реализуется цифровой код, пропорциональный входному воздействию.