Устройство для измерения ускорений
DEVICE FOR MEASURING ACCELERATIONS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации, навигации, наведения и медицине.
Известен 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 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.
1
2
1
2
Наиболее близким по техническому решению является компенсационный акселерометр для измерения ускорений (патент РФ №2513667 C1, G01P 15/13, опубл. в бюл. №11, 20.04.2014), содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируемся 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, пару ждущих синхронных генераторов, 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 Т<Т, 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 Т>Т, 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 устройства для измерения ускорений и повышение точности измерения.
Это достигается тем, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, вход которого 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 отрицательные обратные связи, аналоговая, с выхода интегрирующего усилителя на один из входов датчика момента через первый низкочастотный фильтр и, дискретная обратная связь, с выхода интегрирующего усилителя на вход интегратора через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент с зоной неоназначности, и один из выходов интегратора соединен с входом сумматора через высокочастотный фильтр, кроме того интегрирующий усилитель соединен с выходом датчика угла, интегратор соединен с входом компаратора через второй низкочастотный фильтр, выход схемы сравнения соединен с электронным ключом через триггер, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом.
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 интегрирующего усилителя 4. Один из выходов интегрирующего усилителя 4 соединен с входом первого низкочастотного фильтра 5. Другой выход интегрирующего усилителя 4 соединен с одним из входов сумматора 6. Выход сумматора 6 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 7, выход которого соединен с входом интегратора 8. Один из выходов интегратора 8, через высокочастотный фильтр 9, соединен с входом сумматора 6. Высокочастотный фильтр 9 введен в дискретную отрицательную обратную связь с выхода интегратора 8 на один из входов сумматора 6. Один из выходов интегратора 8 соединен с входом второго низкочастотного фильтра 10, выход которого соединен с входом компаратора 11. Выход компаратора 11 соединен с входом преобразователя уровня 12, выход которого соединен с входами двух ждущих синхронных генераторов 13 и 14. Выходы ждущих синхронных генераторов 13 и 14 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 15. Выход реверсивного двоичного счетчика 15 соединен с входом схемы сравнения 16. Другой вход схемы сравнения 16 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 17. Выход схемы сравнения 16 соединен с входом триггера 18. Выход триггера 18 соединен с одним из входов электронного ключа 19, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 20. Выход электронного ключа 19 соединен с одним из входов датчика момента 21, другой вход которого соединен с выходом первого низкочастотного фильтра 5. Датчик момента 21 соединен кинематически с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 11, ждущих синхронных генераторов 13 и 14, реверсивного двоичного счетчика 15, суммирующего двоичного счетчика 17 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 22.
Элементы, входящие в структуру 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 внешнего ускорения угловое отклонение чувствительного элемента 1 фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения 3. Сигнал с датчика угла 2 после усиления интегрирующим усилителем 4 поступает как на вход первого низкочастотного фильтра 5, так и на вход сумматора 6. Сигнал с выхода сумматора 6 через пороговый элемент с зоной неоднозначности 7 поступает на вход интегратора 8. В устройство для измерения ускорений введена отрицательная аналоговая обратная связь с выхода интегрирующего усилителя 4 на один из входов датчика момента 21 через первый низкочастотный фильтр 5. Аналоговая отрицательная обратная связь, введенная с выхода интегрирующего усилителя 4 на один из входов датчика момента 21 через первый низкочастотный фильтр 5 позволяет обеспечить устойчивость и астатизм по отклонению. В устройство для измерения ускорений введена отрицательная дискретная обратная связь с выхода интегратора 8 на один из входов сумматора 6 через высокочастотный фильтр 9. Сигнал, в виде уровня с выхода интегратора 8 через второй низкочастотный фильтр 10, поступает на вход компаратора 11. В компараторе 11 происходит сравнение сигнала с выхода второго низкочастотного фильтра 10 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 22. Если сигнал с выхода второго низкочастотного фильтра 10 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 22, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 11 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 11 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 11 в виде уровня поступает на вход преобразователя уровня 12, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 13 и 14, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 22 выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 12) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 15 производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14. Реверсивный двоичный счетчик 15 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 16 и суммирующим двоичным счетчиком 17. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 16, сигнал с выхода схемы сравнения 16 поступает на вход триггера 18. Выходной сигнал с триггера 18, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 19. Стабилизация параметров электронного ключа 19 осуществляется генератором тока 20. На выходе электронного ключа 19 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 16. На токовую обмотку датчика момента 21 поступает сигнал с выхода электронного ключа 19 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 15. Датчик момента 21 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 15 является выходом цифрового кода устройства для измерения ускорений.
Введение аналоговой и дискретной отрицательных обратных связей позволяет создать устройство для измерения ускорений с астатизмом, работающее в режиме устойчивых автоколебаний, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру и точность измерения, расширить полосу пропускания.