УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ
ACCELERATION MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.
Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК6 G01P 15/13, опубл. 10.12.97), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а вход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости, при воздействии электрических помех, в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих за счет охвата усилителя отрицательной обратной связью осуществлять компенсацию электрических помех.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы.
Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ №2308039 С1, МПК6 G01P 15/13, опубл. 10.10.2007. Бюл. №28), содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик момента с электронным ключом, включенные в отрицательную обратную связь, две отрицательные обратные связи, одна с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам предварительный и избирательные усилители, первый компаратор, первый преобразователь уровня сигнала, пару схем совпадения ("И"), первую пару ждущих синхронных генераторов (ЖСГ), пару схем "исключающее ИЛИ" (логическое сложение по модулю "2"), основной реверсивный двоичный счетчик, двоичный умножитель и электронный ключ, вторая отрицательная обратная связь введена с выхода избирательного усилителя на входы пары схем "исключающее ИЛИ" через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, амплитудный детектор, фильтр верхних частот, второй компаратор, второй преобразователь уровня сигнала, вторую пару ждущих синхронных генераторов. Кроме того, дополнительные входы пары схем совпадения "И" и сумматора соединены с выходом генератора опорного напряжения (ГОН), а дополнительные входы первой и второй пары ЖСГ, схемы управления соединены с выходом генератора вспомогательной частоты через схему формирования вспомогательной частоты. Дополнительный вход двоичного умножителя соединен с выходом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика, в обратную цепь которого введена схема управления. Кроме того, второй вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока.
Известен также акселератор, 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 подключен к управляющему входу электронного ключа (авт. св SU 742801 A, 25.06.1980).
Недостатком подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность зависит от параметров электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.
Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства и повышение точности измерения.
Это достигается за счет того, что в устройство для измерения ускорений, содержащее чувствительный элемент, датчик угла, отрицательную обратную связь с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам предварительный и избирательные усилители, компаратор, первый преобразователь уровня сигнала, пару схем совпадения ("И"), первую пару ждущих синхронных генераторов (ЖСГ), пару схем "исключающее ИЛИ" (логическое сложение по модулю "2"), основной реверсивный двоичный счетчик, двоичный умножитель и электронный ключ, один из входов которого соединен с выходом генератора тока, генератор опорного напряжения, дополнительные выходы которого соединены с входами датчика угла и пары схем совпадения "И", генератор вспомогательной частоты, выход которого соединен с входом схемы формирования вспомогательной частоты, выходы которой соединены с входами первой и второй пары ЖСГ и схемы управления, включенной в обратную цепь вспомогательного реверсивного двоичного счетчика, и выход которого соединен с входом двоичного умножителя, введены два параллельных канала с выхода схемы выделения модуля на входы второго сумматора через первый и второй пороговые элементы с зоной неоднозначности, а выход второго сумматора соединен с входами второй пары ждущих синхронных генераторов через второй преобразователь уровня сигнала, кроме того, вход схемы выделения модуля соединен с выходом избирательного усилителя через первый сумматор, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, и выход основного реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.
Введение двух параллельных каналов с пороговыми элементами, с зоной неоднозначности в отрицательную обратную связь позволяет формировать скорость нарастания переходного процесса в зависимости от коэффициента усиления по разомкнутому контуру, а следовательно, уменьшать динамическую ошибку. Расширение полосы пропускания достигается путем реализации автоколебательного режима в устройстве для измерения ускорений.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, на фиг.2 - структурная схема устройства, на фиг.3 - переходный процесс в аналоговой модели устройства для измерения ускорений, на фиг.4 - сигнал в цепи обратной связи устройства для измерения ускорений.
Предлагаемое устройство содержит чувствительный элемент 1, отклонение которого фиксирует датчик угла 2, выход датчика угла 2 соединен с входом предварительного усилителя 3, выход которого соединен с входом избирательного усилителя 4. Один из выходов избирательного усилителя 4 соединен с входом компаратора 5, выход которого соединен с входом первого преобразователя уровня сигнала 6. Первый и второй выходы первого преобразователя уровня сигнала 6 соединены с входами пары логических схем совпадения 7 и 8. Дополнительные входы схем совпадения 7 и 8 соединены с одним из выходов генератора опорного напряжения (ГОН) 9. Выходы схем совпадения 7 и 8 соединены с входами первой пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 10 и 11. Выходы ЖСГ 10 и 11 соединены с входами пары схем "исключающее ИЛИ" 12 и 13. Один из выходов ГОН 9 соединен с первым входом первого сумматора 14, второй вход первого сумматора 14 соединен с выходом избирательного усилителя 4. Выход первого сумматора 14 соединен с входом схемы выделения модуля 15, один выход которой соединен с входом первого порогового элемента с зоной неоднозначности 16, а другой выход схемы выделения модуля 15 соединен с входом второго порогового элемента с зоной неоднозначности 17. Выходы пороговых элементов с зоной неоднозначности 16 и 17 соединены с входом второго сумматора 18, выход которого соединен с входом второго преобразователя уровня сигнала 19. Выход второго преобразователя уровня сигнала 19 соединен с входами второй пары ЖСГ 20 и 21, выходы которых соединены со вторыми входами схем "исключающее ИЛИ" 12 и 13. Выходы схем "исключающее ИЛИ" 12 и 13 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами основного реверсивного двоичного счетчика 22. Выход реверсивного двоичного счетчика 22 соединен с одним из входов двоичного умножителя 23. Другой вход двоичного умножителя 23 соединен с выходом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 24. Выход вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 24 через схему управления 25 соединен с входом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 24. Выход двоичного умножителя 23 соединен через электронный ключ 26 с входом датчика моментов 27. Один из входов электронного ключа 26 соединен с выходом генератора тока 28. Дополнительные входы первой и второй пары ЖСГ 10, 11, 20, 21, схемы управления 25 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 29 через схему формирования вспомогательной частоты 30. Выход основного реверсивного двоичного счетчика 22 является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.
Внутреннее содержание предварительного и избирательного усилителей, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, пороговых элементов с зоной неоднозначности, двоичного умножителя, сумматора, схемы выделения модуля, преобразователя уровня сигнала, схем управления и формирования вспомогательной частоты описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.
1
4
2
Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент, равный mlW (l, m - приведенная длина и масса маятника). Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки, возбуждения которого соединены с выходом ГОН 9. Сигнал с датчика угла 2 после усиления предварительным усилителем 3 поступает на вход избирательного усилителя 4, который выделяет сигнал на несущей частоте f (ГОН), который затем поступает на вход компаратора 5. Сигнал с компаратора 5 в виде напряжения ±U с усилителя 4 поступает на вход первого преобразователя уровня сигнала 6, в котором вырабатывается сигнал в виде напряжения от 0 до ±2.5 (В), т.е. необходимый уровень напряжения для работы схем совпадения "И" 7 и 8. Схемы совпадения 7 и 8 осуществляют операцию логического умножения сигналов с выхода ГОН 9 и с выхода первого преобразователя уровня сигнала 6, и срабатывание схем совпадения "И" 7 и 8 осуществляется на несущей частоте ГОН 9 и в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Первая пара ЖСГ 10 и 11 "взводится" сигналом логического уровня со схем "И" 7 и 8, и сигналы с выходов ЖСГ 10 и 11 ограничиваются, сбрасываясь сигналом f со схемы формирования вспомогательной частоты 30 (на выходе с 10 или 11 сигнал прямоугольной формы). Выходные сигналы с генератора опорного напряжения 9 и с выхода избирательного усилителя 4 поступают на вход первого сумматора 14. Сигнал, смещенный по уровню в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1, с выхода сумматора 14 поступает на вход схемы выделения модуля 15. Сигнал с выхода 15 поступает на входы первого и второго пороговых элементов с зоной неоднозначности 16 и 17. Пороговые элементы 16 и 17 имеют различные значения зоны неоднозначности, что позволяет формировать переходный процесс (фиг.3). Сигналы с выходов пороговых элементов с различными зонами неоднозначности 16 и 17 поступают на вход второго сумматора 18. После суммирования в 18 сигнал поступает на вход второго преобразователя уровня 19, в котором происходит преобразование выходного сигнала с 18 в сигнал уровня, необходимый для работы второй пары ЖСГ 20 и 21. Выходы первой пары ЖСГ 10 и 11 соединены с входами схем "исключающее ИЛИ" 12 и 13. Другие входы схем 12 и 13 соединены с выходами второй пары ЖСГ 20 и 21. В результате логического сложения сигналов схемами 12 и 13, в зависимости от фазы отклонения 1, имеем логический "0" либо логическую "1". Выходные импульсы с 12 или 13 подаются либо на суммирующий вход основного реверсивного двоичного счетчика 22, либо на вычитающий вход 22. Информация, равная разности "положительных" и "отрицательных" импульсов, с 22 переписывается в двоичный умножитель 23 по импульсу со вспомогательного реверсивного двоичного счетчика 24, в обратную цепь которого введена схема управления 25 (импульсы счета). Формирование импульсов счета схемой управления 25 осуществляется схемой формирования вспомогательной частоты 30 в соответствии с частотой генератора вспомогательной частоты 29, включенного на вход схемы 30. Импульсы с двоичного умножителя 23 поступают на один из входов электронного ключа 26 в соответствии со знаком отклонения чувствительного элемента 1. Другой вход электронного ключа 26 соединен с генератором тока 28. Сигнал в виде широтной - импульсной модуляции (ШИМ) с выхода электронного ключа 26 поступает на вход датчика моментов 27, который создает момент, по модулю и знаку компенсирующий угловое отклонение 1. Выходом устройства для измерения ускорений является цифровой код с выхода основного реверсивного двоичного счетчика 22.
Введение в устройство двух параллельных каналов, в отрицательную обратную связь, содержащих схему выделения модуля, пороговые элементы с различными значениями зоны неоднозначности, позволяет регулировать скорость нарастания переходного процесса при значительном коэффициенте усиления по разомкнутому контуру, исключить перерегулирование, колебания, уменьшить время переходного процесса. Изменение критериев переходного процесса приводит к уменьшению динамической ошибки устройства. Включение двоичного умножителя в цепь обратной связи приводит к астатизму по отклонению. Расширение полосы пропускания обеспечивается путем реализации автоколебательного режима работы устройства для измерения ускорений.
Результаты моделирования аналоговой модели устройства для измерения ускорений приведены на фиг.3. Из анализа переходного процесса следует, что устройство для измерения ускорений устойчиво и на выходе нелинейной модели (фиг.2) имеет сигнал в виде широтной-импульсной модуляции (фиг.4) и относительная частота колебаний пропорциональна входному воздействию.