Компенсационный акселерометр
COMPENSATORY ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования 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. Первый выход датчика угла подключен, через интегрирующий усилитель обратной связи, 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 фиксируется 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 Т - 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 и повышение точности измерения.
Это достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, генератор опорного напряжения, один из входов которого соединен с датчиком угла, интегратор, отрицательную обратную связь, выход компаратора соединен с входом датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, один из входов которого соединен с выходом генератора тока, а выход с входом датчика момента, 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, при этом в него дополнительно введены с выхода датчика угла на один из входов компаратора последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, фазовый детектор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, интегратор, первый и второй сумматоры, дискретизатор, один из входов которого соединен с одним из выходов фазового детектора, а выход соединен с одним из входов первого сумматора, кроме того, один из выходов генератора опорного напряжения соединен с одним из входов дискретизатора, а один из входов второго сумматора соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.
Введение в компенсационный акселерометр отрицательной обратной связи содержащей фазовый детектор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, дискретизатор, сумматоров позволило повысить точность измерения, создать автоколебательную систему с расширенной полосой пропускания и с астатизмом по отклонению. Введение в отрицательную обратную связь интегратора обеспечивает устойчивость и стабилизацию параметров компенсационного акселерометра.
На фиг. изображена функциональная схема компенсационного акселерометра.
Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом интегрирующего усилителя 3, выход которого соединен с входом фазового детектора 4. Дополнительные входы датчика угла 2 и фазового детектора 4 соединены с выходом генератора опорного напряжения 5. Выход фазового детектора 4 соединен с входами порогового элемента с зоной неоднозначности 6 и дискретизатора 7. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 6 соединен с входом интегратора 8. Входы первого сумматора 9 соединены с выходами интегратора 8 и дискретизатора 7. Выход первого сумматора 9 соединен с одним из входов второго сумматора 10, другой вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения П. Выход второго сумматора 10 соединен с входом компаратора 12, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 13, выход которого соединен с входами двух ждущих синхронных генераторов 14 и 15. Выходы ждущих синхронных генераторов 14 и 15 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 16. Выход реверсивного двоичного счетчика 16 соединен с входом схемы сравнения 17. Другой вход схемы сравнения 17 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 18. Выход схемы сравнения 17 соединен с входом триггера 19. Выход триггера 19 соединен с входом электронного ключа 20, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 21. Выход электронного ключа 20 соединен с входом датчика момента 22. Датчик момента 22 соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы дискретизатора 7, компаратора 12, ждущих синхронных генераторов 14 и 15, реверсивного двоичного счетчика 16 и суммирующего двоичного счетчика 18 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 23.
Внутреннее содержание порогового элемента с зоной неодназначности, дискретизатора, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора и интегратора описаны 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.
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W/g отклонение чувствительного элемента 1 фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с одним из выходов генератора опорного напряжения 5. Сигнал с датчика угла 2, после усиления интегрирующим усилителем 3, поступает на один из входов фазового детектора 4. Другой вход фазового детектора 4 соединен с выходом генератора опорного напряжения 5. Напряжение с выхода фазового детектора 4, в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1, поступает, как на вход порогового элемента с зоной неоднозначности 6, так и на вход дискретизатора 7. Сигнал, в виде уровня, с выхода порогового элемента с зоной неодназначности 6, после интегрирования интегратором 8 поступает на один из входов первого сумматора 9. Сигнал с выхода фазового детектора 4 в виде напряжения подается на один из входов дискретизатора 7, на другой вход которого поступает управляющий сигнал в виде импульсов с выхода генератора вспомогательной частоты 23. Дискретизатор 7 фиксирует величину аналогового сигнала с фазового детектора 4 на время преобразования. Напряжение на выходе дискретизатора 7 фиксируется с приходом каждого импульса с генератора вспомогательной частоты 23 и поступает на один из входов первого сумматора 9. На выходе первого сумматора 9 сигнал, в виде ступенчатого напряжения, поступает на один из входов второго сумматора 10, на второй вход которого подается сигнал с выхода генератора пилообразного напряжения 11. На выходе второго сумматора 10 получим сигнал треугольной формы, с выхода первого сумматора 9, смещаемый в зависимости от знака вверх или вниз. Сигнал с выхода второго сумматора 10 поступает на первый вход компаратора 12, в котором происходит сравнение сигнала с выхода второго сумматора 10 с сигналом выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала генератора вспомогательной частоты 23. Если сигнал с выхода второго сумматора 10 больше напряжения с выхода генератора пилообразного напряжения 11, то на выходе компаратора 12 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 12 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 12 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 12, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 13, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 14 и 15, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 23, выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 13) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 16 производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 15. Реверсивный двоичный счетчик 16 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 17 и суммирующим двоичным счетчиком 18. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 17, сигнал поступает на вход триггера 19, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 20. Стабилизация параметров электронного ключа 20 осуществляется генератором тока 21. Число импульсов, с выхода электронного ключа 20, пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 17. Выход электронного ключа 20 соединен с токовой обмоткой датчика момента 22, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1 вызванное действием ускорения. Выход реверсивного двоичного счетчика 16 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.
Введение в отрицательную обратную связь фазового детектора, порогового элемента с зоной неоднозначности, дискретизатора и сумматоров позволяет повысить точность измерения, создать автоколебательную систему с расширенной полосой пропускания и с астатизмом по отклонению. Введение интегратора позволяет обеспечить устойчивость и стабилизацию параметров компенсационного акселерометра.