Акселерометр
ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в качестве элемента в системах стабилизации, навигации и в приборах медицинской диагностики.
Известно устройство для измерения ускорений (А.С. №1795374 А1. кл. G01P 15/13, 15/08, 1993 г.), содержащее чувствительный элемент, датчик положения, усилитель и магнитоэлектрический силовой преобразователь. Компенсационная катушка, магнитоэлектрического силового преобразователя, подключена к выходу усилителя, причем к компенсационной катушке подключена цепь из последовательно соединенных первого и второго резисторов, а первый резистор зашунтирован конденсатором.
Недостатком компенсационного акселерометра является погрешность, обусловленная включением конденсатора параллельно одному из резисторов.
1
1
2
2
1
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения ускорений (Патент RU №2400761, кл. G01P 15/13, опубл. 27.09.2010 г.), содержащее чувствительный элемент и датчик положения,, выход которого соединен с входом усилителя переменного тока, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь. Отрицательная обратная связь образована с выхода датчика положения на один из входов магнитоэлектрического силового преобразователя через последовательно соединенные по информационным входам усилитель переменного тока, первый логический элемент, схему исключающее "или", прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, широкополосный фильтр второго порядка  (где Т, ς, ς - постоянная времени фильтра, относительные коэффициенты демпфирования, s- оператор преобразования Лапласа, причем ς>ς и первый преобразователь напряжение-ток.
Интегратор, вход которого соединен с одним из выходов схемы исключающее "или", и второй преобразователь напряжение-ток, вход которого соединен с выходом интегратора, а выход с входом магнитоэлектрического силового преобразователя. Генератор опорного напряжения соединен, как с датчиком положения, так и со схемой исключающее "или" через второй логический элемент, и выход со сглаживающего фильтра является аналоговым выходом устройства для измерения ускорений.
Недостатком устройства для измерения ускорений является малая полоса пропускания и невысокая точность, которая ограничена коэффициентом усиления по разомкнутому контуру.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.
Это достигается тем, что в акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик положения, выход которого соединен с одним из входов схемы исключающее "или", через усилитель и первый логический элемент, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены как с входом датчика положения, так с одним из входов схемы исключающее "или", через второй логический элемент, магнитоэлектрический силовой преобразователь, включенный в отрицательную обратную связь, широкополосный фильтр второго порядка, преобразователь уровня соединенный с входом реверсивного двоичного счетчика через пару ждущих синхронных генераторов, схему синхронизации, выходы которой соединены с входами ждущих синхронных генераторов, введены последовательно по информационным входам с выхода схемы исключающее "или" на вход релейного элемента, широкополосный фильтр второго порядка и элемент с зоной неоднозначности, фильтр и местная отрицательная обратная связь реализованная с выхода элемента с зоной неоднозначности на вход широкополосного фильтра второго порядка через звено запаздывания, кроме того, вход преобразователя уровня соединен с выходом релейного элемента, и входы пары ждущих синхронных генераторов соединены с выходом преобразователя уровня, кроме того, вход магнитоэлектрического силового преобразователя соединен с выходом релейного элемента и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства.
Введение в акселерометр элемента с зоной неоднозначности, широкополосного фильтра второго порядка, местной отрицательной обратной связи со звеном запаздывания, отрицательной обратной связи, содержащей фильтр и релейный элемент позволило реализовать автоколебательный режим, астатизм, увеличить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, а также повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.
На чертеже изображена функциональная схема акселерометра.
Акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого фиксирует датчик положения 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения (ГОН) 3. Выход датчика положения 2 соединен с входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом первого логического элемента 5. Вход второго логического элемента 6 соединен с одним из выходов генератора опорного напряжения 3. Выходы первого и второго логических элементов 5 и 6 соединены с входами схемы исключающее "или" 7. Выход схемы исключающее "или" 7 соединен с входом широкополосного фильтра второго порядка 8, выход которого соединен с входом элемента с зоной неоднозначности 9. Выход элемента с зоной неоднозначности 9 соединен с одним из входов широкополосного фильтра второго порядка 8 через звено запаздывания 10. Один из выходов элемента с зоной неоднозначности 9 соединен с входом фильтра 11. Выход фильтра 11 соединен с входом релейного элемента 12, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 13. Выход преобразователя уровня 13 соединен с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 14 и 15. Выходы пары ЖСГ 14 и 15 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 16. Дополнительные входы релейного элемента 12 и пары ЖСГ 14 и 15 соединены с выходами схемы синхронизации 17. Один из выходов релейного элемента 11 соединен с входом магнитоэлектрического силового преобразователя 18. Магнитоэлектрический силовой преобразователь 18 соединен с чувствительным элементом 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 16 является дискретным выходом акселерометра.
Внутреннее содержание генератора, логических элементов, преобразователя уровня, схемы исключающее "или", усилителя, фильтров приведены в книге: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т 1-3, 1993.
Работу предложенного акселерометра можно пояснить следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1, под действием ускорения (W/g), фиксируется датчиком положения 2. Обмотка возбуждения датчика положения 2 соединена с генератором опорного напряжения (ГОН) 3. Выходной сигнал с датчика положения 2 имеет фазу 0° либо 180° относительно несущей частоты (ГОН) 3. Выходной сигнал с датчика положения 2 усиливается усилителем 4 со стабильным коэффициентом усиления. Выходное напряжение с выхода усилителя 4 поступает на вход первого логического элемента 5. Выходной сигнал с выхода первого логического элемента 5 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с частотой (ГОН) 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с (ГОН) 3. На выходе второго логического элемента 6 будет сигнал аналогичный по форме сигналу с первого логического элемента 5. Сигналы с логических элементов 5 и 6, сдвинутые по фазе, поступают на входы схемы исключающее "или" 7 (схема сложения по модулю "2"), осуществляющей операцию логического сложения. Если сигналы с логических элементов 5 и 6 имеют нулевой фазовый сдвиг отклонения чувствительного элемента 1, то на выходе схемы 7 имеем логический "0", если же сигналы с элементов 5 и 6 имеют фазовый сдвиг отличный от нуля, то на выходе схемы 7 будет логическая "1". Форма выходного сигнала с выхода схемы 7 аналогична форме сигналов с логических элементов 5 и 6. Выходной сигнал с выхода схемы 7 поступает на вход широкополосного фильтра второго порядка 8. Выход широкополосного фильтра второго порядка 8, обеспечивающий качество переходного процесса, соединен с входом элемента с зоной неоднозначности 9. Расширение полосы пропускания акселерометра обеспечивается путем введения местной отрицательной обратной связи с выхода элемента с зоной неоднозначности 9, через звено запаздывания 10, на вход широкополосного фильтра второго порядка 8. Сигнал с элемента с зоной неоднозначности 9, в виде уровня, поступает на вход фильтра 11, а затем через релейный элемент 12 и преобразователь уровня 13 на входы пары ждущих синхронных генераторов 14 и 15, которые с помощью схемы синхронизации 17, выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала. В релейном элементе 12 происходит сравнение сигнала с выхода схемы, исключающее "или" 7 с сигналом, выделенного стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 17. Если сигнал с выхода усилителя 4 будет больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 17, то на выходе релейного элемента 12 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе релейного элемента 12 низкий логический уровень. Уровень сигнала зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Выход рейного элемента 12 соединен с входом преобразователя уровня 13, выход которого соединен с входами пары ждущих синхронных генераторов 14 и 15, Ждущие синхронные генераторы 14 и 15, с помощью схемы синхронизации 17, выдают сигналы в виде импульса на каждый входной сигнал (с выхода релейного элемента 12) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 16 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; Информация с реверсивного двоичного счетчика 16, равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов, является дискретным выходом акселерометра. Сигнал с релейного элемента 12 поступает на вход магнитоэлектрического силового преобразователя 18, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1 в соответствии с фазой W/g.
Введение в акселерометр местной отрицательной обратной связи с выхода элемента зоной неоднозначности на вход широкополосного фильтра второго порядка, через звено запаздывания позволило реализовать в устройстве астатизм, увеличить коэффициент усиления по разомкнутому контуру, без потери устойчивости. Кроме того, введение в отрицательную обратную связь акселерометра фильтра, релейного элемента и преобразователя уровня позволило реализовать режим автоколебаний, расширить полосу пропускания и повысить точность измерения.