Компенсационный акселерометр
COMPENSATING ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации, навигации, наведения и медицинской диагностики.
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 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 данного компенсационного акселерометра является 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 фиксируется датчиком угла, вход которого соединен с генератором опорного напряжения, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, отрицательную обратную связь, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, а также 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 и преобразователя уровня соединены с генератором вспомогательной частоты, введены интегрирующий усилитель с выхода датчика угла на входы параллельного канала, выход которого соединен с входом сумматора по информационным входам через последовательно соединенными первый пороговый элемент с зоной неоднозначности и низкочастотный фильтр, а также последовательно соединенными второй пороговый элемент с зоной неоднозначности и высокочастотный фильтр, а также интегро-дифференцирующий фильтр, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход с электронным ключом через третий пороговый элемент с зоной неоднозначности, выход сумматора соединен с входом компаратора, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.
Введение двух параллельных каналов в аналоговую часть отрицательной обратной связи, содержащих пороговые элементы с зоной неоднозначности интегратора низкочастотного и высокочастотного фильтров, и в дискретную часть отрицательной обратной связи интегро-дифференцирующего фильтра с пороговым элементом с зоной неоднозначности позволяет создать компенсационный акселерометр с большой частотой устойчивых автоколебаний, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, увеличить точность и расширить полосу пропускания.
На фиг. изображена функциональная схема компенсационного акселерометра.
1
2
3
4
5
4
5
Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2. Один из входов датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с входом интегрирующего усилителя 4. Выход интегрирующего усилителя 4 соединен с входом первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5. Выход первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5 соединен с входом низкочастотного фильтра 6 с передаточной функцией  где k1 - коэффициент передачи фильтра, T - постоянная времени фильтра. Также выход интегрирующего усилителя 4 соединен с входом второго порогового элемента с зоной неоднозначности 7, выход которого соединен с входом высокочастотного фильтра 8 с передаточной функцией  где T и T постоянные времени фильтра. Выходы фильтров 6 и 8 соединены с входом сумматора 9. Выход сумматора 9 соединен с входом компаратора 10, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 11, выходы которого соединены 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 входом схемы сравнения 15. Другой вход схемы сравнения 15 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 16. Выход схемы сравнения 15 соединен с входом интегро-дифференцирующего фильтра 17 с передаточной функцией  где T и T постоянные времени и T>Т. Выход интегро-дифференцирующего фильтра 17 соединен с входом третьего порогового элемента с зоной неоднозначности 18. Выход третьего порогового элемента с зоной неоднозначности 18 соединен с входом электронного ключа 19, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 20. Выход электронного ключа 19 соединен с входом датчика момента 21. Датчик момента 21 соединен кинематически с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 10, преобразователя уровня 11, ждущих синхронных генераторов 12 и 13, реверсивного двоичного счетчика 14, суммирующего двоичного счетчика 16 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 22.
Элементы, входящие в структуру компенсационного акселерометра, приведены 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, 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 интегрирующим усилителем 4, поступает как на вход первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5, так и на вход второго порогового элемента с зоной неоднозначности 7. Сигнал с выхода первого порогового элемента с зоной неоднозначности 5 поступает на вход низкочастотного фильтра 6, а сигнал с выхода второго порогового элемента с зоной неоднозначности 7 поступает на вход высокочастотного фильтра 8. Выходные сигналы с низкочастотного фильтра 6 и высокочастотного фильтра 8 поступают на входы сумматора 9, затем на вход 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 22. Если сигнал с выхода сумматора 9 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 22, 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 22, 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 осуществляется схемой сравнения 15 и суммирующим двоичным счетчиком 16. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 15, сигнал с выхода схемы сравнения 15 поступает на вход интегро-дифференцирующего фильтра 17, а затем на вход третьего порогового элемента с зоной неоднозначности 18, с выхода которого сигнал в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 19. Стабилизация параметров электронного ключа 19 осуществляется генератором тока 20. На выходе электронного ключа 19 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 15. На токовую обмотку датчика момента 21 поступает сигнал с выхода электронного ключа 19 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 14. Датчик момента 21 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 14 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.
Введение параллельных каналов в аналоговую часть отрицательной обратной связи, содержащих пороговые элементы с зоной неоднозначности, интегратор, низкочастотный и высокочастотный фильтры, и в дискретную часть отрицательной обратной связи интегро-дифференцирующего фильтра с пороговым элементом с зоной неоднозначности позволяет создать компенсационный акселерометр, работающий в режиме высокочастотных устойчивых автоколебаний, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, увеличить точность и расширить полосу пропускания.