КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР
COMPENSATION ACCELEROMETER

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.
6
Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК 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 №2360258, МПК G01P 15/13 (2006.01), опубл. в бюл. №18, 27.06.2009), содержащее последовательно включенные по информационным входам чувствительный элемент, датчик угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, предварительный и избирательные усилители, отрицательную обратную связь с первого выхода избирательного усилителя, в которую включены компаратор, преобразователь уровня сигнала, реверсивный двоичный счетчик, выход которого является цифровым выходом компенсационного акселерометра, электронный ключ, второй вход которого соединен с выходом генератора тока, и датчик момента, а также сумматор, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, амплитудный детектор, две схемы "ИЛИ" и генератор вспомогательной частоты, логический блок, вход которого соединен с выходом преобразователя уровня сигнала, а выходы с соответствующими входами схем "ИЛИ", две схемы сравнения, триггер, фильтр верхних частот, второй компаратор и модулятор, при этом реверсивный двоичный счетчик соединен с электронным ключом через первую схему сравнения и триггер, второй выход избирательного усилителя соединен со схемами "ИЛИ" через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, амплитудный детектор, фильтр верхних частот, второй компаратор и модулятор, вторые входы модулятора и логического блока соединены с выходом второй схемы сравнения, второй вход первой схемы сравнения соединен с генератором вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик, а дополнительный вход второй схемы сравнения соединен с выходом генератора опорного напряжения.
Недостатком подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.
Задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания устройства и повышение точности измерения.
1
1
Это достигается за счет того, что в компенсационный акселерометр, содержащий последовательно включенные по информационным входам чувствительный элемент, датчик угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, предварительный и избирательные усилители, отрицательную обратную связь с первого выхода избирательного усилителя, в которую включены компаратор, преобразователь уровня сигнала, логический блок, вход которого соединен с выходом преобразователя уровня сигнала, а выходы с соответствующими входами схем "ИЛИ", реверсивный двоичный счетчик, выход которого является цифровым выходом компенсационного акселерометра, схему сравнения, триггер, электронный ключ, один вход которого соединен с выходом генератора тока, а выход соединен с входом датчика момента, а второй выход избирательного усилителя соединен со схемами "ИЛИ" через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, амплитудный детектор, фильтр верхних частот, второй компаратор и модулятор, причем вторые входы модулятора и логического блока соединены с генератором опорного напряжения через вторую схему сравнения, а вторые входы сумматора соединены также с выходом генератора опорного напряжения, а также второй вход схемы сравнения соединен с генератором вспомогательной частоты через суммирующий двоичный счетчик, отличающийся тем, что в него введена местная отрицательная обратная связь с выхода избирательного усилителя на вход преобразователя уровня сигнала через последовательно соединенные по информационным входам второй сумматор, компаратор и интегратор, один из выходов интегратора соединен с дополнительным входом второго сумматора через фильтр с передаточной функцией  (где k, T, s - коэффициент передачи, постоянная времени фильтра и оператор преобразования Лапласа).
Введение в компенсационный акселерометр местной отрицательной обратной связи, содержащей: второй сумматор, компаратор, интегратор и фильтр в обратной связи с передаточной функцией , позволяет расширить полосу пропускания и увеличить быстродействие. Введение предварительного и избирательного усилителей, фильтра верхних частот, компараторов, амплитудного детектора, модулятора, сравнивающих устройств, триггера, преобразователя уровня сигнала, схем "ИЛИ", логического блока, реверсивного и суммирующего двоичных счетчиков, сумматоров позволило создать устройство с расширенной полосой пропускания и с астатизмом по отклонению.
На фиг.1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра, на фиг.2 - структурная схема компенсационного акселерометра, на фиг.3 - переходные процессы в предложенном устройстве и прототипе, на фиг.4 - дискретный сигнал в цепи обратной связи с выхода триггера.
Компенсационный акселерометр 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 одним из входов второго сумматора 5, выход которого соединен с входом компаратора 6, выход компаратора 6 соединен с входом интегратора 7, один из выходов которого соединен с входом второго сумматора 5 через фильтр 8 с передаточной функцией . Другой выход интегратора 7 соединен с входом преобразователя уровня сигнала 9. Выход преобразователя уровня сигнала 9 соединен с одним из входов логического блока 10. Выходы логического блока 10 соединены с соответствующими входами пары схем "ИЛИ" 11 и 12. Выходы схем "ИЛИ" 11 и 12 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 13. Другой выход избирательного усилителя 4 соединен с входом сумматора 14, выход которого соединен с входом амплитудного детектора 15. Выход амплитудного детектора 15 соединен с входом фильтра верхних частот 16. Выход фильтра верхних частот 16 соединен с входом второго компаратора 17. Выход второго компаратора 17 соединен с одним из входов модулятора 18. Выходы модулятора 18 соединены с соответствующими входами схем "ИЛИ" 11 и 12. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 соединен с одним из входов первой схемы сравнения 19, выход которой соединен с входом триггера 20. Выход триггера 20 соединен с одним из входов электронного ключа 21, другой вход 21 соединен с выходом генератором тока 22. Выход электронного ключа 21 соединен с входом датчика момента 23. Другой вход первой схемы сравнения 19 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 24, вход которого соединен с выходом генератора вспомогательной частоты 25. Выход генератора опорного напряжения (ГОН) 26 соединен с входами датчика угла 2, сумматора 14 и второй схемы сравнения 27. Выход второй схемы сравнения 27 соединен с входом модулятора 18 и с входом логического блока 10.
Внутреннее содержание предварительного и избирательного усилителей, компараторов, фильтра верхних частот, реверсивного и суммирующего двоичных счетчиков, сумматоров, преобразователя уровня сигнала, схем "ИЛИ", интегратора, фильтра, генератора тока, схемы электронного ключа, генератора опорного напряжения и формирователя вспомогательной частоты описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.
1
4
1
1
Устройство для измерения ускорений работает следующим образом. При действии ускорения на чувствительный элемент 1 действует инерционный момент. Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки, возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения ГОН 26. Сигнал с датчика угла 2, после усиления предварительным усилителем 3, поступает на вход избирательного усилителя 4, который выделяет сигнал на несущей частоте f (ГОН)-26. Сигнал в виде напряжения ±U с усилителя 4 поступает на вход второго сумматора 5, сигнал с которого поступает на вход компаратора 6. Напряжение с компаратора 6 поступает на вход интегратора 7. Выходной сигнал с 7 поступает как на вход преобразователя уровня сигнала 9, так и на вход фильтра 8 с передаточной функцией  (где k, Т, s - коэффициент передачи, постоянная времени фильтра и оператор преобразования Лапласа). Параметры фильтра подбираются таким образом, чтобы обеспечить устойчивость компенсационного акселерометра. Напряжение с фильтра 8 подается на один из входов второго сумматора 5. Преобразователь уровня сигнала 9 выдает необходимый уровень сигнала для работы логического блока 10. На второй вход логического блока 10 поступает сигнал с выхода ГОН 26 через вторую схему сравнения 27. Логический блок 10 осуществляет операцию умножения сигналов с выхода 9 и с выхода 27, и срабатывание 10 осуществляется в зависимости от фазы отклонения 1. Сигнал с выхода логического блока 10 поступает на соответствующие входы пары схем "ИЛИ" 11 и 12. Сигнал с выхода избирательного усилителя 4 поступает также на один из входов сумматора 14, на другой вход которого поступает сигнал с выхода ГОН 26. Сигнал с выхода 14, на несущей частоте ГОН 26, поступает на вход амплитудного детектора 15, который преобразует сигнал на несущей частоте в сигнал постоянного тока. Фильтр верхних частот 16, включенный на выход с амплитудного детектора 15, обеспечивает устойчивость работы и заданный переходный процесс в компенсационном акселерометре. Сигнал с выхода фильтра 16 поступает на вход второго компаратора 17, а затем на вход модулятора 18. Сигнал с выхода модулятора 18 поступает на входы пары схем "ИЛИ" 11 и 12. В результате логического сложения сигналов схемами 11 и 12, в зависимости от фазы отклонения 1, имеем логический "О" либо логическую "1". Импульсы с 11 или 12 подаются либо на суммирующий вход реверсивного двоичного счетчика 13, либо на вычитающий вход 13. Информация, равная разности "положительных" и "отрицательных" импульсов, с 13 переписывается в первой схеме сравнения 19 по импульсу суммирующего двоичного счетчика 24. Формирование импульсов счета схемой 19 осуществляется в соответствии с частотой генератора вспомогательной частоты 25, включенного на вход 24. Импульсы с 19 поступают на вход триггера 20, срабатывание которого осуществляется по знаку с 19, а затем один из входов электронного ключа 21. Другой вход электронного ключа 21 соединен с генератором тока 22. Сигнал с 21 в виде уровня, в соответствии с знаком отклонения чувствительного элемента 1, поступает на вход датчика момента 23, который компенсирует угловое отклонение 1, вызванное действием ускорения. Сигнал с выхода реверсивного двоичного счетчика 13 является дискретным выходом устройства, пропорциональным входному ускорению.
Введение в компенсационный акселерометр интегратора и фильтра с передаточной функцией , второго сумматора, а также усилителей, компараторов, преобразователя уровня сигнала, фильтра верхних частот, сумматора, логического блока, схем "ИЛИ", реверсивного двоичного счетчика, суммирующего двоичного счетчика, амплитудного детектора и модулятора, включенных в обратную связь, позволило реализовать дискретный управляющий сигнал на датчик момента и обеспечить астатизм первого порядка, а также расширение полосы пропускания предлагаемого устройства. Результаты моделирования компенсационного акселерометра (фиг.2) при параметрах: K1=10, T=0.2 K2=K3=K4=1, T1=0.5 c, T2-=0.01 c, T3=0.1 с, T4=0.02 c, при положительном входном сигнале (x>0) представлены на фиг.3 (1 - переходный процесс в предлагаемом устройстве, 2 - в прототипе), на фиг.4 дискретный сигнал цепи в обратной связи, поступающий на вход датчика момента при положительном, по знаку, входном воздействии 1(t). Из анализа переходных процессов следует, что устройство устойчиво, и устойчивость компенсационного акселерометра обеспечивает фильтр верхних частот, и на выходе модели имеем астатизм по отклонению и дискретный сигнал. Значительное расширение полосы пропускания и увеличение быстродействия, по сравнению с прототипом, обеспечивается путем введения в устройство компаратора и интегратора, а также местной отрицательной обратной связи с фильтром.