Устройство для измерения ускорений
ACCELERATION MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в качестве элемента в системах стабилизации, навигации и в приборах медицинской диагностики.
Известно устройство для измерения ускорений (А.С. №1795374 А1. кл. G01P 15/13, 15/08, 1993 г.), содержащее чувствительный элемент, датчик положения, усилитель и магнитоэлектрический силовой преобразователь. Компенсационная катушка, магнитоэлектрического силового преобразователя, подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором.
Недостатком компенсационного акселерометра является погрешность, обусловленная включением конденсатора параллельно одному из резисторов.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения ускорений (патент RU №2400761, кл. G01P 15/13, опубл. 27.09.2010 г), содержащее чувствительный элемент и датчик положения, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь образована с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, широкополосный фильтр второго порядка и первый преобразователь напряжение-ток. Интегратор, вход которого соединен с одним из выходов схемы исключающее "или", и второй преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход с входом магнитоэлектрического силового преобразователя. Генератор опорного напряжения соединен как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.
Недостатком устройства для измерения ускорений является малая полоса пропускания и невысокая точность, которая ограничена коэффициентом усиления по разомкнутому контуру.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений и повышение точности его работы.
Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с одним из входов схемы исключающее "или", через усилитель и первый логический элемент, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены как с входом датчика положения, так и с одним из входов схемы исключающее "или", через второй логический элемент, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, фильтр соединенный с входом реверсивного двоичного счетчика через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, схему синхронизации, выходы которой соединены с входами ждущих синхронных генераторов, дополнительно введены с выхода схемы исключающее "или" на вход магнитоэлектрического силового преобразователя последовательно по информационным входам интегратор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, триггер, причем выход порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с входом через звено запаздывания и один из входов триггера соединен как с выходом генератора тока так и с выходом схемы синхронизации, а также фильтр низких частот соединенный с интегратором через аналого-цифровой преобразователь и выходы с реверсивного двоичного счетчика и с фильтра низких частот являются дискретными выходами устройства.
Введение в устройство для измерения ускорений интегратора, порогового элемента с зоной неоднозначности, звена запаздывания, включенного в обратную связь порогового элемента с зоной неоднозначности, отрицательной обратной связи, триггера, позволило реализовать регулируемый автоколебательный режим, астатизм, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, а также повысить точность измерения и расширить полосу пропускания. Реализация в устройстве двух выходов дискретного сигнала позволяет повысить точность измерения ускорений.
На фиг. изображена функциональная схема устройства для измерения ускорений.
Устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяет датчик положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 3. Выход датчика положения 2 соединен с входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом первого логического элемента 5. Вход второго логического элемента 6 соединен с одним из выходов генератора опорного напряжения 3. Выходы первого и второго логических элементов 5 и 6 соединены с входами схемы исключающее "или" 7. Выход схемы исключающее "или" 7 соединен с входом интегратора 8, выход которого соединен с одним из входом порогового элемента с зоной неоднозначности 9. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 9 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 9 через звено запаздывания 10. Один из выходов порогового элемента с зоной неоднозначности 9 соединен с входом триггера 11. Другой вход триггера 11 соединен с выходом генератора тока 12. Выход триггера 11 соединен с входом магнитоэлектрического силового преобразователя 13. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 9 соединен с входом фильтра 14, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 15. Выходы преобразователя уровня 15 соединены с входами двух ждущих синхронных генераторов 16 и 17. Выходы двух ждущих синхронных генераторов 16 и 17 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 18. Дополнительные входы преобразователя уровня 15, двух ждущих синхронных генераторов 16 и 17 и триггера 11 соединены с выходами схемы синхронизации 19. Магнитоэлектрический силовой преобразователь 13 соединен с чувствительным элементом 1. Выход интегратора 8 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 20, выход которого соединен с входом фильтра низких частот 21. Выходы с реверсивного двоичного счетчика 18 и с фильтра низких частот 21 являются дискретными выходами устройства для измерения ускорений.
Внутреннее содержание элементов, входящих в устройство для измерения ускорений, приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993.
Работу предложенного устройства для измерения ускорений можно пояснить следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения (W/g), фиксируется датчиком положения 2. Обмотка возбуждения датчика положения 2 соединена с генератором опорного напряжения 3. Выходной сигнал с датчика положения 2 имеет фазу 0° либо 180° относительно несущей частоты генератора опорного напряжения 3. Выходной сигнал с датчика положения 2 усиливается усилителем 4 со стабильным коэффициентом усиления. Выходное напряжение с выхода усилителя 4 поступает на вход первого логического элемента 5. Сигнал с выхода первого логического элемента 5 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с частотой генератора опорного напряжения 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора опорного напряжения 3. На выходе второго логического элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме сигналу с первого логического элемента 5. Сигналы с логических элементов 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы исключающее "или" 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей операцию логического сложения. Если сигналы с логических элементов 5 и 6 имеют нулевой фазовый сдвиг при отклонении чувствительного элемента 1, то на выходе схемы исключающее "или" 7 имеем логический "0", если же сигналы с логических элементов 5 и 6 имеют фазовый сдвиг отличный от нуля, то на выходе схемы исключающее "или" 7 будет логическая "1". Форма выходного сигнала с выхода схемы исключающее "или" 7 аналогична форме сигналов с логических элементов 5 и 6. Сигнал с выхода схемы исключающее "или" 7 соединен с входом интегратора 8. Интегратор 8, обеспечивающий качество переходного процесса, соединен с одним из входов порогового элемента с зоной неоднозначности 9, в обратную связь которого введено звено запаздывания 10. Расширение полосы пропускания устройства для измерения ускорений обеспечивается путем введения отрицательной обратной связи с выхода интегратора 8 на вход магнитоэлектрического силового преобразователя 13 через пороговый элемент с зоной неоднозначности 9, звена запаздывания 10, и триггера 11. В триггере 11 происходит сравнение сигнала с выхода схемы исключающее "или" 7 с сигналом, стабильным по частоте и амплитуде с выхода схемы синхронизации 19. Один из входов триггера 11 соединен с. выходом генератора тока 12. Сигнал с триггера 11 поступает на вход магнитоэлектрического силового преобразователя 13, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1 в соответствии с фазой W/g. Сигнал с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 9, в виде уровня, поступает на входы двух ждущих синхронных генераторов 16 и 17, через фильтр 14 и преобразователь уровня 15. Ждущие синхронные генераторы 16 и 17 с помощью схемы синхронизации 19, выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 9) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 18 производит суммирование 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. Информация с реверсивного двоичного счетчика 18, равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов, поступает на один из дискретных выходов устройства для измерения ускорений. В устройство для измерения ускорений с выхода интегратора 8 введен аналого-цифровой преобразователь 20, выход которого соединен с входом фильтра низких частот 21, выход которого также является дискретным выходом устройства. Реализация в устройстве для измерения ускорений двух дискретных выходов с фильтра низких частот 21 и реверсивного двоичного счетчика 18 позволяет повысить точность работы.
Введение в устройство для измерения ускорений интегратора, порогового элемента с зоной неоднозначности, звена запаздывания, включенного в обратную связь порогового элемента с зоной неоднозначности, отрицательной обратной связи, триггера позволило реализовать регулируемый автоколебательный режим, астатизм, значительно увеличить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, а также повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.