АКСЕЛЕРОМЕТР

«Акселерометр» относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля транспортных средств, в т.ч. в системах инерциальной навигации летательных и подводных аппаратов.
Известен акселерометр (компенсационный акселерометр [1]), содержащий чувствительный элемент, датчик положения, усилитель, магнитоэлектрический силовой преобразователь, компенсационная катушка которого подключена к выходу усилителя, а к ней подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, причем первый резистор зашунтирован конденсатором, к точке соединения компенсационной катушки с цепью из последовательно соединенных первого и второго резисторов подключено интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией, определяемой расчетным соотношением. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом заявляемого акселерометра.
Недостатки известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется невозможностью контроля перегрузок и вибраций параллельно по трем ортогональным проекциям, а также неспособностью генерирования сигнала о выходе любого контролируемого параметра за поле допуска.
Известен акселерометр (маятниковый компенсационный акселерометр [2]), содержащий датчик угла, два источника света, фотодиод, заслонку, установленную между источниками света и фотодиодом, генератор импульсов, соединенный выходом с источниками света, усилители, подключенные к генератору импульсов, второй фотодиод, освещаемый обоими источниками света, но не перекрываемый заслонкой, и подключенный через усилитель к управляющему входу генератора импульсов. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом заявляемого акселерометра.
Недостатки известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется невозможностью контроля перегрузок и вибраций параллельно по трем ортогональным проекциям, а также неспособностью генерирования, в масштабе реального времени, сигнала о выходе контролируемого(ых) параметра(ов) за поле допуска.
Известен акселерометр (акселерометр [3]), содержащий два чувствительных элемента, дифференциальных емкостных преобразователей консольной конструкции, два автогенератора, соединенные с выходами двух чувствительных элементов, два делителя частоты, соединенные входами с выходами автогенераторов, первый и второй D-триггеры, соединенные входами с выходами делителей частоты, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, соединенный входами с выходами первого и второго D-триггеров, третий D-триггер и инвертор, соединенный входом с выходом третьего D-триггера, причем один автогенератор выполнен с частотой выходного сигнала, большей частоты другого автогенератора. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом заявляемого акселерометра.
Недостатки известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется невозможностью контроля перегрузок и вибраций параллельно по трем ортогональным проекциям, а также неспособностью генерирования, в масштабе реального времени, сигнала о выходе контролируемого(ых) параметра(ов) за поле допуска.
Известен, как более близкий по технической сущности к предмету заявляемого объекта, акселерометр (измеритель перегрузок и вибраций ИПВ3, [4]), содержащее, для каждой координаты в прямоугольной системе координат, три чувствительных элемента, ориентированные степенями подвижности в направлении трех взаимно перпендикулярных направлениях, три фильтра нижних частот (ФНЧ) с корректором амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), соединенные информационными входами с выходами одноименных чувствительных элементов, соответственно, и три масштабирующих усилителя, соединенные информационными входами с выходами одноименных ФНЧ с корректорами
АЧХ, а выходами с одноименными выходами акселерометра, блок питания, соединенный выходом со входами питания трех чувствительных элементов, трех ФНЧ с корректорами АЧХ и трех масштабирующих усилителей, блок питания, соединенный выходом со входами питания чувствительных элементов, ФНЧ с корректором АЧХ и масштабирующих усилителей, а также источник опорного напряжения, соединенный выходом со входами опорного напряжения трех масштабирующих усилителей. Выделенное курсивом - признаки общие с предметом заявляемого акселерометра.
Недостаток известного акселерометра - ограниченность функциональных возможностей, что объясняется неспособностью генерирования, в масштабе реального времени, сигнала о выходе контролируемого(ых) параметра(ов) за поле допуска.
Задача заявляемой полезной модели акселерометра - расширение функциональных возможностей акселерометра за счет наделения его функцией генерирования сигнала, в масштабе реального времени, о выходе любого из контролируемых параметров за поле допуска и вывода измерительной информации в дискретном выражении.
Технический результат достигается введением в акселерометр, содержащий, для каждой координаты в прямоугольной системе координат, датчик, выполненный емкостным маятниковым чувствительным элементом, ориентированный степенью свободы в направлении соответствующей координате объекта контроля, фильтр нижних частот с корректором амплитудно-частотной характеристики, соединенный первым входом с выходом одноименного датчика, масштабирующий усилитель, соединенный первым входом с выходом одноименного фильтра низких частот с корректором амплитудно-частотных характеристик, а выходом - с первым выходом акселерометра, блок питания, соединенный первым выходом со входами датчиков, со вторыми входами фильтров низких частот с корректорами амплитудно-частотных характеристик и масштабирующих усилителей, а вторым выходом - с третьими входами масштабирующих усилителей, для каждой координаты, задатчика уставок, соединенного
x
y
z
х
у
z
x
y
z
х
у
z
х
у
z
x
y
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
первым входом со вторым выходом блока питания, аналого-цифрового преобразователя, соединенного первым входом с первым выходом блока питания, а вторым входом - с выходом одноименного масштабирующего усилителя, элемента сравнения, соединенного первым входом с первым выходом блока питания, вторыми входами поразрядно - с выходами одноименного задатчика, третьими входами поразрядно - с выходами одноименного аналого-цифрового преобразователя, и индикатора выхода контролируемого параметра за поле допуска, соединенного входом с выходом одноименного элемента сравнения. Функциональная схема акселерометра приведена на фиг.1. Акселерометра содержит три идентичных датчика (чувствительных элемента) 1 (1, 1, 1), ориентированных степенями свободы в направлениях прямоугольных координат X, Y и Z, соответственно, три фильтра нижних частот с корректорами амплитудно-частотных характеристик 2 (2, 2 и 2), соединенных первыми (а) входами с выходами датчиков 1 (1, 1 и 1), соответственно, три масштабирующих усилителя 3 (3, 3 и 3), соединенные первыми (а) входами с выходами ФНЧ с корректорами АЧХ 2 (2, 2 и 2), блок питания 4, соединенный первым (а) выходом со входами датчиков 1 (1, 1 и 1), со вторыми (б) входами ФНЧ с корректорами АЧХ 2 (2, 2 и 2, и со вторыми (б) входами масштабирующих усилителей 3 (3, 3 и 3), третьи входы (в) которых соединены со вторым (б) выходом блока питания 4 и дополнительно, для каждой координаты, - задатчик 5 (5, 5 и 5) уставок, соединенный первым входом (а) с первым (а) выходом блока 4 питания, а вторым (б) входом - со вторым (б) выходом блока 4 питания, аналого-цифровой преобразователь 6 (6, 6 и 6), соединенный первым (а) входом с первым (а) выходом блока 4 питания, вторым (б) входом - с выходом одноименного масштабирующего усилителя 3 (3, 3 и 3), а выходом - со вторым выходом акселерометра, соответственно, элемент сравнения 7 (7, 7 и 7), соединенный первым входом (а) с первым выходом (а) блока 4 питания, вторыми (б) входами - поразрядно с выходами задатчика 5 (5, 5 и 5), а третьими (е) входами - поразрядно с выходами аналого-цифрового преобразователя 6 (6, 6 и 6), и индикатор 8 (8, 8 и 8), звуковой и/или световой,
х
у
z
выхода контролируемого параметра за поле допуска, соединенный входом с выходом одноименного элемента сравнения 7 (7, 7 и 7).
Акселерометр работает следующим образом.
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
х
у
z
9
3
х
у
z
5
5
х
у
z
х
у
z
3
х
у
z
6
х
у
z
6
3
х
у
z
х
у
z
х
у
z
5
6
5
6
Акселерометр, установленный в объекте контроля и сориентированный согласно с координатами объекта контроля, в исходном состоянии, при нулевых ускорениях по всем трем координатам, генерирует на выходах узлов 1 (1, 1 и 1), 2 (2, 2 и 2), 3 (3, 3 и 3), 6 (6, 6 и 6) и 7 (7, 7 и 7) нулевые потенциалы. При этом подвижные массы датчиков 1 (1, 1 и 1) (чувствительных элементов), выполненных в виде емкостных маятниковых преобразователей, находятся в состоянии покоя занимая положение, соответствующее минимуму (максимуму) емкости датчика 1 (8, 8 и 8). При движении объекта контроля с ускорением в направлении одной (двух и/или трех) координат(ы), подвижный элемент массы маятника смещается относительно исходного положения в направлении противоположном вектору ускорения, емкость его конденсатора изменяется, датчик 1 (1, 1 и 1) генерирует сигнал пропорциональный отклонению массы маятника от исходного положения. Отфильтрованный в ФНЧ с коррекцией АЧХ 2 (2, 2 и 2) и усиленный масштабирующим усилителем 3 (3, 3 и 3), на выходе 9 (9, 9 и 9) акселерометра генерируется аналоговый сигнал U=U, однозначно соответствующий амплитуде силы отклонения подвижной массы. В задатчиках 5 (5, 5 и 5) устанавливаются значения уставок N (коды выходных потенциалов U), равные кодам допустимых значений амплитуд сигналов на выходах усилителей 3 (3, 3 и 3), которые соответствуют допускам на перегрузки по координатам X, У и Z, соответственно. Аналого-цифровые преобразователи 6 (6, 6 и 6) преобразуют аналоговые сигналы U с входов усилителей 3 (3, 3 и 3) в их коды N. С выходов аналого-цифровых преобразователей 6 (6, 6 и 6) коды N текущих значений U поступают на вторые выходы 10 (10, 10 и 10) акселерометра, а также на третьи (в) входы элемента 7 (7, 7 и 7) сравнения. На выходах элементов 7 (7, 7 и 7) сравнения генерируются нулевые потенциалы при N<N, и единичные потенциалы - при N≥N.
Акселерометр, будучи установленным на транспортном средстве, генерирует на своих выходах аналоговые и цифровые сигналы пропорциональные ускорениям (перегрузкам) и вибрациям транспортного средства, а также сигнал(ы) предупреждения о выходе любого из контролируемых параметров за поле допуска, чем способствует предупреждению нештатных ситуаций.
Разработанный акселерометр обладает следующими характеристиками:
Параметр
Численное значение
Единица измерений
Диапазон измеряемых ускорений
Q≤±70
G;
Неравномерность АЧХ на:
0<f<100 Гц
1,0
%
100<f≤1000 Гц
3,0
%
1000<f≤2000 Гц
7,0
%
Точность задания уставок
5,0
%
Потребляемая мощность
P<2,0
Вт;
Масса
<120
г
Габариты
50×55
MM
Источники информации:
1. Патент RU 2210781, G01P 15/13, 20.08.2003:
2. Патент SU 1799140, G01P 15/02, G01P 3/36, 20/12/1999;
3. Патент RU 2136004, G01P 15/123, 27.08.1999;
4. Измеритель перегрузок и вибраций серии ИПВ3 Руководство по технической эксплуатации Р53200.9595.100 РЭ. - Таганрог: ЗАО «Бета ИР», 2008.