Компенсационный акселерометр
COMPENSATORY ACCELEROMETER

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 компенсационного акселерометра является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы. Точность работы компенсационного 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 устройства для измерения ускорений малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.
Это достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, один из входов которого соединен с генератором опорного напряжения, а другой выход соединен с усилителем, отрицательную обратную связь, с выхода усилителя, компаратор, соединенный с входом датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, кроме того, выход суммирующего двоичного счетчика, 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 местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на один из входов датчика момента через фильтр, и последовательно соединенные по информационным входам с выхода усилителя на один из входов компаратора интегратор, пара параллельно соединенных пороговых элементов, сумматор, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.
Введение фильтра, интегратора, сумматора, пары пороговых элементов, соединенных параллельно, позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, реализовать астатизм по отклонению, режим автоколебаний, а также повысить точность измерения и расширить полосу пропускания. Введение фильтра в местную отрицательную обратную связь позволяет стабилизировать параметры устройства. Интегрирующая отрицательная обратная связь реализованная с выхода усилителя на один их входов датчика момента через интегратор, пару параллельно соединенных пороговых элементов (трехпозиционный пороговый элемент), сумматор, компаратор, преобразователь уровня, ждущие синхронные генераторы, реверсивный двоичный счетчик, триггер и электронный ключ обеспечивает астатизм, расширение полосы пропускания и увеличение точности. Реализация режима автоколебаний позволяет получить, кроме расширения полосы пропуская, дискретный выход.
На чертеже изображена функциональная схема компенсационного акселерометра.
Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Один из входов датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 4. Выход усилителя 4 соединен с входом фильтра 5.и с входом интегратора 6. Выход интегратора 6 соединен с входами двух пороговых элементов 7 и 8 соединенных параллельно, выходы которых соединены с входом сумматора 9. Выход сумматора 9 соединен с входом компаратора 10, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 11. Выход преобразователя уровня 11 соединен с входами двух ждущих синхронных генераторов 12 и 13. Выходы ждущих синхронных генераторов 12 и 13 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 14. Выход реверсивного двоичного счетчика 14 соединен с одним из входом схемы сравнения 15. Другой вход схемы сравнения 15 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 16. Выход схемы сравнения 15 соединен с входом триггера 17. Выход триггера 17 соединен с входом электронного ключа 18, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 19. Выход электронного ключа 18 соединен с одним из входом датчика момента 20. Выход фильтра 5 соединен с одним из входов датчика момента 20. Выход датчика момента 20 соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 10, ждущих синхронных генераторов 12 и 13, реверсивного двоичного счетчика 14, и вход суммирующего двоичного счетчика 16 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 21.
Внутреннее содержание компаратора, ждущих синхронных генераторов, триггера, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора и фильтра описаны в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993, Н.Т. Кузовков Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 19686 С. - 428.
Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения, 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 усилителем 4, поступает на вход фильтра 5, выход которого соединен с одним из входов датчика момента 20. Также с выхода усилителя 4 сигнал поступает на вход интегратора 6, с выхода которого поступает на входы, параллельно соединенных пороговых элементов 7 и 8. Сигналы с выходов пороговых элементов 7 и 8 поступают на входы сумматора 9, а затем на один из входов компаратора 10. В компараторе 10 происходит сравнение сигнала с выхода сумматора 9 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 21. Если сигнал с выхода сумматора 9 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 21, то на выходе компаратора 10 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 10 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 10 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1.
Сигнал с выхода компаратора 10, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 11, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 12 и 13, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 21, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 11) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 14 производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 12 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13. Реверсивный двоичный счетчик 14 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляют схема сравнения 15 и суммирующим двоичным счетчиком 14. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 15, сигнал с выхода реверсивного двоичного счетчика 14 поступает на вход триггера 17, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 18. Стабилизацию параметров электронного ключа 18 осуществляет генератор тока 19. На выходе электронного ключа 18 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 15. На токовую обмотку датчика момента 20 поступают сигналы с выхода электронного ключа 18 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 14, и с выхода фильтра 5. Датчик момента 20 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 14, является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.
Введение фильтра, интегратора, сумматора, двух пороговых элементов, соединенных параллельно, позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, реализовать астатизм по отклонению, режим автоколебаний, а также повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.