УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ
ACCELEROMETER

Устройство предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации. Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.
7
Известно устройство для измерения ускорений (описанное в АС №742801, G01P 15/13, МПК опубл. в БИ №23, 1980), содержащее 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 подключен к управляющему входу электронного ключа.
Недостатком устройства для измерения ускорений является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы. Точность работы устройства зависит от интегрирующих аналоговых усилителей и электронного ключа, включенных в обратную связь, и погрешность связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.
7
Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент RU №2190857 С1, МПК G01Р 15/13, опубл. 10.10.2002, бюл. №28), содержащее последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента и цифровой канал с трехразрядным сдвиговым регистром (схема управления потоком входной информации), введенным с выхода компаратора на вход итогового регистра через реверсивный счетчик, и последовательно соединенные по информационным входам первый дискретизатор, сумматор, второй дискретизатор, компаратор, а также аналоговый канал, в который введены последовательно соединенные интегратор, стабилизирующий фильтр и преобразователь напряжение-ток, причем выход преобразователя напряжение-ток соединен с входом датчиком момента, выход усилителя соединен со входом интегратора, второй выход которого, являющийся аналоговым выходом, соединен с первым входом первого дискретизатора, вторые входы первого дискретизатора, сумматора, компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, вход которой соединен со вторым выходом первого дискретизатора, пятый выход схемы синхронизации соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра, второй, третий и четвертый выходы трехразрядного сдвигового регистра соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами реверсивного счетчика, а выход итогового регистра является выходом цифрового кода.
Недостатком данного устройства является малая полоса пропускания.
Техническим результатом изобретения является расширение полосы пропускания и увеличение быстродействия устройства для измерения ускорений.
Данный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения ускорений, содержащем в аналоговом канале чувствительный элемент, датчик угла, интегратор, преобразователь напряжение-ток и датчик момента, цифровой канал, содержащий компаратор, трехразрядный сдвиговый регистр, реверсивный счетчик и итоговый регистр, выход которого является выходом цифрового кода, при этом выход компаратора соединен с первым входом трехразрядного сдвигового регистра, первый выход которого соединен с входом итогового регистра, а второй, третий и четвертый выходы трехразрядного сдвигового регистра соединены соответственно с первым, вторым, третьим входами реверсивного счетчика, а также первый дискретизатор, второй дискретизатор и схему синхронизации, в аналоговый канал введены с выхода первого усилителя на вход преобразователя напряжение-ток последовательно по информационным входам интегратор и первый сумматор, причем в прямую цепь интегратора включен второй усилитель, выход которого соединен с одним из входов первого сумматора, а вход второго усилителя соединен с выходом первого усилителя, а в цифровой канал введен второй сумматор с выхода интегратора на первый вход первого дискретизатора, выход которого соединен с входом итогового регистра через последовательно соединенные по информационным входам третий сумматор, второй дискретизатор, компаратор, трехразрядный сдвиговый регистр, реверсивный счетчик, вторые входы первого дискретизатора, третьего сумматора, второго дискретизатора и компаратора соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами схемы синхронизации, вход которой соединен со вторым выходом первого дискретизатора, пятый выход схемы синхронизации соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра, причем другие входы второго сумматора соединены с выходами первого усилителя и дифференцирующего устройства, вход которого соединен с выходом первого усилителя.
Введение в цифровой канал форсирующего звена второго порядка (образованного первым усилителем, дифференцирующим устройством и интегратором) и трехразрядного сдвигового регистра расширяет полосу, повышает быстродействие и точность измерения, а введение в отрицательную обратную связь интегратора, в прямую цепь которого включен второй усилитель, обеспечивает устойчивость устройства.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства для измерения ускорений; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие принцип работы устройства для измерения ускорений; на фиг.3 - график работы трехразрядного сдвигового регистра; на фиг.4 - структурная схема устройства для измерения ускорений; на фиг.5 - переходный процесс в аналоговой модели устройства для измерения ускорений.
Предлагаемое устройство для измерения ускорений содержит чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, угловое положение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом первого усилителя 3, один из выходов которого соединен с входом интегратора 4. Другой выход первого усилителя 3 соединен с входом второго усилителя 5. Выходы с интегратора 4 и второго усилителя 5 соединены с входом первого сумматора 6. Выход первого сумматора 6 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 7, выход которого соединен с входом датчика момента 8. Один из выходов первого усилителя 3 соединен с входом дифференцирующего устройства 9, выход которого соединен с одним из входов второго сумматора 10. Другие входы второго сумматора 10 соединены с выходом первого усилителя 3 и с выходом интегратора 4. Выход второго сумматора 10 соединен с первым входом первого дискретизатора 11, первый выход которого соединен с первым входом третьего сумматора 12. Выход третьего сумматора 12 соединен с первым входом второго дискретизатора 13. Выход второго дискретизатора 13 соединен с первым входом компаратора 14, выход которого соединен с первым входом трехразрядного сдвигового регистра 15, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами реверсивного счетчика 16. Выход реверсивного счетчика 16 соединен с входом итогового регистра 17, другой вход которого соединен с первым выходом трехразрядного сдвигового регистра 15. Второй выход первого дискретизатора 11 соединен с входом схемы синхронизации 18, первый, второй, третий и четвертый выход которой соединен со вторыми входами первого дискретизатора 11, третьего сумматора 12, второго дискретизатора 13 и компаратора 14. Пятый выход схемы синхронизации 18 соединен со вторым входом трехразрядного сдвигового регистра 15.
Внутреннее содержание блоков, реализующих устройство для измерения ускорений, описано в книгах Майоров С.А., Новиков Г.И. Принципы организации цифровых машин. Л.: Машиностроение, 1974, 432с. и П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1999.
Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения W/g на чувствительный элемент 1 происходит отклонение чувствительного элемента 1. Величина этого отклонения фиксируется датчиком угла 2, сигнал с датчика угла 2, в виде напряжения, поступает на вход первого усилителя 3, а затем на вход интегратора 4. Сигнал с выхода первого усилителя 3 поступает как на вход интегратора 4, так и на вход второго усилителя 5. Интегратор 4, включенный в прямую ветвь второй усилитель 5 и второй сумматор 6 образуют изодромное звено с передаточной функцией
(где ,
1
2
1
3
4
1
11
11
K, K - соответственно коэффициенты передачи интегратора 4 и второго усилителя 5, К=K - коэффициент передачи изодромного звена). Сигнал с выхода изодромного звена 4, 5, 6, в виде напряжения, поступает на вход преобразователя напряжение-ток 7. Сигнал с выхода преобразователя напряжение-ток 7, в виде тока, поступает на вход датчика момента 8, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Выходной сигнал со второго усилителя 6 служит оценкой величины действующего ускорения в аналоговой форме. Сигналы с выхода первого усилителя 3, дифференцирующего устройства 9 и интегратора 4 поступают на вход второго сумматора 10, Дифференцирующее устройство 9 осуществляет дифференцирование сигнала с выхода первого усилителя 3. Сигнал с выхода второго сумматора 10. в виде напряжения, поступает на первый вход первого дискретизатора 11, на второй вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с первого выхода схемы синхронизации 18. Первый дискретизатор 11 фиксирует величину аналогового сигнала с второго сумматора 10 на время преобразования. Напряжение на выходе первого дискретизатора 11 фиксируется с приходом каждого импульса со схемы синхронизации 18. Со второго выхода первого дискретизатора 11 сигнал поступает на вход схемы синхронизации 18 и используется для формирования знака поступающей информации, которая смещает сигнал параметрической компенсации в положительную или отрицательную область. Третий сумматор 12, на первый вход которого поступает сигнал в виде ступенчатого напряжения с первого выхода первого дискретизатора 11, а на второй вход третьего сумматора 12 поступает со второго выхода схемы синхронизации 18 параметрический сигнал треугольной формы, складывает сигнал с выходов 11 и 18, смещаемый в зависимости от знака отклонения 1 вверх или вниз. Сигнал с выхода сумматора 12 поступает на первый вход второго дискретизатора 13, и на второй вход дискретизатора 13 также поступает управляющий сигнал с третьего выхода схемы синхронизации 18. Второй дискретизатор 13 запоминает информацию с выхода третьего сумматора 12 на время преобразования. Сигнал с выхода второго дискретизатора 13 поступает на первый вход компаратора 14, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго дискретизатора 13 в аналоговой форме с сигналом треугольной формы, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде прямоугольного сигнала с четвертого выхода схемы синхронизации 18. Если сигнал с выхода второго дискретизатора 13 больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 18, то на выходе компаратора 14 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе 14 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 14 (фиг.2b), в виде уровня, поступает на первый вход трехразрядного сдвигового регистра 15, на второй вход которого поступают тактовые импульсы с пятого выхода схемы синхронизации 18 (фиг.2а). На первый вход реверсивного счетчика 16 поступают импульсы счета U (фиг.2d) "+1" при состоянии счетчика 111, на второй вход 16 (фиг.2е) - импульсы U "1" при состоянии счетчика 011, 001, 000. На третий вход реверсивного счетчика 16 поступают импульсы установки счетчика 16 в начальное состояние "+1" (фиг.2g) при состоянии счетчика 110. Запись этой информации осуществляется по импульсу записи информации U (фиг.2b) при состоянии счетчика 100. Выход информации с итогового регистра 17 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений. На фиг.3 представлен график работы трехразрядого сдвигового регистра 15 при переходе информации с компаратора 14 с высокого логического уровня на низкий (U="1", U="0").
Работу устройства для измерения ускорений можно пояснить с помощью передаточных функций (фиг.4), где
- передаточная функция
3
0
0
чувствительного элемента 1 и датчика угла 2 (T, k, m, ζ - соответственно постоянная времени элемента 1, коэффициент передачи элемента и датчика угла 2, параметр, обеспечивающий устойчивость устройства при m>1, относительный коэффициент демпфирования);  - передаточная функция изодромного звена, образованного интегратором 4, вторым усилителем 5 и вторым сумматором 6. Передаточная функция разомкнутого устройства для измерения ускорений запишется как: . Замкнутая передаточная функция устройства для измерения ускорений имеет вид: . Передаточная функция суммарного сигнала с выходов интегратора 4, первого сумматора 3 и дифференцирующего устройства 9 имеет вид:  и результирующая передаточная функция устройства запишется в виде: Wr(s)=Ф(s)W(s)=1; при значениях параметров Т=Т и k=k. Реализация передаточной функции устройства для измерения ускорений, равной единице, позволяет создать широкополосное устройство. Таким образом, введение в аналоговую цепь устройства изодромного звена (образованного 4, 5 и 6), форсирующего устройства второго порядка, образованного интегратором 4, первым усилителем 3, дифференцирующим устройством 9 и вторым сумматором 10, совместно с цифровым каналом, содержащим трехразрядный сдвиговый регистр, осуществляющего управление потоком входной информации, позволяет создавать устройство для измерения ускорений с расширенной полосой пропускания, значительным быстродействием. Кроме того, расширение полосы и увеличение быстродействия связано с тем, что начальная установка реверсивного счетчика 15 осуществлена не на значение "0", а на "+1".
Результаты моделирования аналоговой модели устройства для измерения ускорений приведены на фиг.5. Из анализа графика следует, что устройство для измерения ускорений с изодромным звеном и форсирующим звеном второго порядка устойчиво имеет значительное быстродействие и полосу пропускания.
Реализация предлагаемого устройства для измерения ускорений, содержащего в аналоговом канале изодромное звено, а в цифровом канале форсирующее звено второго порядка, позволяет на базе существующих приборов компенсационного типа ( акселерометров и датчиков угловой скорости) разрабатывать устройства с расширенной полосой пропускания и высокой точности без изменения конструкции и технологии их изготовления.