КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации и навигации. Оно может найти применение в приборах для измерения механических величин (например, угловых скоростей) компенсационного типа.
Известно устройство для измерения ускорений (А.С. №742801, опубл. в бюл. изобретений №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 подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя и эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.
Наиболее близким по техническому решению является компенсационный акселерометр (патент РФ №2397498 С1, Кл. G01P 15/13, опубл. 20.08.2010 Бюл. №23), содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, интегрирующий усилитель, датчик момента, электронный ключ, пороговый элемент, дополнительный интегрирующий усилитель, включенные в отрицательную обратную связь и отрицательные обратные связи. Одна связь введена с выхода датчика угла на вход сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, фазовый детектор отрицательной обратной связи, преобразователь напряжение-ток. Другая связь введена с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход сумматора через последовательно соединенные по информационным входам сглаживающий фильтр, дополнительный интегрирующий усилитель, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, пороговый элемент, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока. Второй вход схемы сравнения соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика, и дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, суммирующего двоичного счетчика, реверсивного двоичного счетчика соединены с выходом генератора вспомогательной частоты. Дополнительные входы датчика угла, фазового детектора отрицательной обратной связи соединены с выходом генератора опорного напряжения. Выход сумматора соединен с входом датчика момента и выходы с реверсивного двоичного счетчика и преобразователя напряжение-ток являются соответственно цифровым и аналоговым выходом компенсационного акселерометра.
Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.
Это достигается за счет того, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, отрицательную обратную связь, реализованную с выхода датчика угла на вход первого сумматора через последовательно соединенные по информационным входам интегрирующий усилитель, фазовый детектор отрицательной обратной связи, преобразователь напряжение-ток, отрицательную интегрирующую обратную связь, включающую в себя последовательно соединенные по информационным входам, с выхода дополнительного интегрирующего усилителя на вход первого сумматора, компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, пороговый элемент, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, второй вход схемы сравнения соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика и суммирующего двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, другие входы датчика угла, фазового детектора отрицательной обратной связи соединены с выходом генератора опорного напряжения, и выход первого сумматора соединен с входом датчика момента, введены, в отрицательную интегрирующую обратную связь, второй сумматор и широкополосный фильтр с передаточной функцией
1
2
1
2
1
2
(где T, T - постоянные времени фильтра, ξ, ξ - относительные коэффициенты демпфирования, ξ>ξ,  преобразователь Лапласа), причем вход широкополосного фильтра соединен с одним из выходов фазового детектора отрицательной обратной связи, а выход с входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен с входом дополнительного интегрирующего усилителя, а также сглаживающий фильтр, с передаточной функцией  (где k, T - соответственно коэффициент передачи и постоянная времени фильтра), включенный в местную отрицательную обратную связь, с выхода компаратора на один из входов второго сумматора, и выход двоичного реверсивного счетчика является цифровым выходом устройства.
Введение в отрицательную интегрирующую обратную связь компенсационного акселерометра широкополосного фильтра с передаточной функцией
1
2
1
2
(где T, T - постоянные времени фильтра, ξ, ξ - относительные коэффициенты демпфирования,  преобразователь Лапласа), а в местную отрицательную обратную связь, сглаживающего фильтра с передаточной функцией
(где k, T - соответственно коэффициент передачи и постоянная времени) позволяет создать устройство для измерения ускорений, работающее в автоколебательном режиме с астатизмом по отклонению, с расширенной полосой пропускания и повышенной точности.
На фиг.1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра; на фиг.2 - структурная схема компенсационного акселерометра; на фиг.3 - переходные процессы при единичном входном воздействии в предложенном устройстве (1) и в прототипе (2).
Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом интегрирующего усилителя 3. Выход интегрирующего усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной обратной связи 4 (ФДООС), а выход ФДООС-4 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 5. Выход преобразователя напряжение-ток 5 соединен с входом первого сумматора 6. Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4 соединены с выходом генератора опорного напряжения 7 (ГОН). Выход ФДООС 4 соединен с входом широкополосного фильтра 8, выход которого соединен с одним из входов второго сумматора 9. Выход второго сумматора 9 соединен с входом дополнительного интегрирующего усилителя 10. Выход дополнительного интегрирующего усилителя 10 соединен с входом компаратора 11. Один из выходов компаратора 11 соединен, через сглаживающий фильтр 12, с входом второго сумматора 9. Другой выход компаратора 11 соединен с входом преобразователя уровня 13, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 14 и 15. Выходы ЖСГ 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 порогового элемента 19. Выход порогового элемента 19 соединен с входом электронного ключа 20, другой вход электронного ключа 20 соединен с выходом генератора тока 21. Выход электронного ключа 20 соединен с одним из входов сумматора 6. Выход сумматора 6 соединен с входом датчика момента 22. Дополнительные входы компаратора 11, ЖСГ 14 и 15, реверсивного двоичного счетчика 16, суммирующего двоичного счетчика 18 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 23.
Внутреннее содержание ФДООС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, порогового элемента, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора, интегрирующих усилителей, широкополосного и сглаживающего фильтров, а также преобразователя напряжение-ток приведены в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993.
Компенсационный акселерометр работает следующим образом.
При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент m·l·W (l, m - 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 7. Сигнал с датчика угла 2, после усиления интегрирующим усилителем 3, поступает на вход ФДООС 4. С помощью ФДООС 4 и ГОН 7 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1, и на выходе ФДООС 4 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода ФДООС 4, в виде напряжения, поступает на вход преобразователя напряжение - ток 5, а затем на вход первого сумматора 6. Другой выход ФДООС 4 соединен с входом широкополосного фильтра 8 с передаточной функцией
, который осуществляет стабилизацию параметров и расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра. Сигнал с выхода широкополосного фильтра 8, в виде напряжения, поступает на один из входов второго сумматора 9, а затем на вход дополнительного интегрирующего усилителя 10, и после усиления, на вход компаратора 11. В компараторе 11 происходит сравнение сигнала с выхода дополнительного интегрирующего усилителя 10 с сигналом, выделенного стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 23. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 10 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 23, 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 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". Один из выходов компаратора 11 соединен, через сглаживающий фильтр 12, с передаточной функцией
, с входом второго сумматора 9. Реверсивный двоичный счетчик 16, по сигналу с генератора вспомогательной частоты 23, 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 с выхода 17 поступает на вход порогового элемента 19, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 20. Стабилизацию параметров электронного ключа 20 осуществляет генератор тока 21. На выходе электронного ключа 20 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 17. На вход датчика момента 22 поступает сигнал с выхода первого сумматора 6, один вход которого соединен с выходом электронного ключа 20, а другой вход, с выходом преобразователя напряжение-ток 5. Сигнал с выхода первого сумматора 6, поступающий на обмотку датчика момента 22, будет со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 16. Выход реверсивного двоичного счетчика 16 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.
Введение в интегрирующую обратную связь широкополосного фильтра и сглаживающего фильтра, включенного в местную отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход второго сумматора, позволяет создать компенсационный акселерометр с астатизмом по отклонению, а реализация автоколебательного режима позволяет расширить полосу пропускания и повысить точность измерения.
Технический результат был проверен путем моделирования компенсационного акселерометра, которое осуществлено в соответствии со структурной схемой, представленной на фиг.2, и результаты моделирования приведены на фиг.3. Из анализа моделирования следует, что компенсационный акселерометр (1), с реализованными обратными связями, включающий в свою структуру широкополосный и сглаживающие фильтры, по сравнению с прототипом (2) имеет значительную полосу пропускания, значительное быстродействие, и в интегрирующей обратной связи реализуется относительный цифровой код, пропорциональный входному воздействию.