АКСЕЛЕРОМЕТР
ACCELEROMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при решении задач навигации, управления, гравиметрии.
Известны маятниковые акселерометры, предназначенные для измерения кажущегося ускорения, содержащие маятник (чувствительный элемент) и цепь обратной связи (датчик положения, усилитель, исполнительный элемент) [Командно-измерительные приборы / Под ред. Назарова Б.И. - М.: МО СССР, 1975].
Известен способ компенсационного измерения кажущегося ускорения [Лукьянов Д.П. Акселерометры инерциальных систем навигации: Конспект лекций - Л.: ЛЭТИ, 1983. - 47 с.], заключающийся в том, что кажущееся ускорение, воздействуя на пробную массу, создает момент, который компенсируют при помощи момента, создаваемого "электрической пружиной", состоящей из датчика угла, усилителя и датчика моментов, при этом ток датчика моментов пропорционален кажущемуся ускорению. Этот способ позволяет создавать прецизионные акселерометры компенсационного типа с разрешающей способностью в несколько микро g. Однако такие акселерометры очень дороги.
Известен способ микромеханического преобразования кажущегося ускорения [Лукьянов Д.П., Скворцов В.Ю. Микроэлектронные акселерометры инерциальных систем навигации: Учеб. пособие / СПбГЭТУ "ЛЭТИ". СПб., 1999. 60 с.], заключающийся в том, что кажущееся ускорение, воздействуя на пробную массу, подвешенную на упругом подвесе, вызывает микроперемещение пробной массы, которое измеряют с помощью емкостных датчиков. Этот способ позволяет создавать микромеханические акселерометры различного диапазона измерения. Преимуществом микромеханических акселерометров является их дешевизна, а недостатком - низкая точность и нестабильность.
Общим недостатком данных устройств является сложность, высокая стоимость и существенное уменьшение точности при проведении измерений на границах диапазона работы акселерометра.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является акселерометр [Патент №2566655, РФ, Гупалов В.И.], содержащий пьезоблок, генератор знакопеременного сигнала, пьезоэлектрический возбудитель, два идентичных пьезоэлектрических преобразователя, два усилителя заряда, дифференциальный усилитель и преобразователь амплитуды в сигнал постоянного тока.
Недостатками данного устройства являются сложность и требование идентичности пьезоэлектрических преобразователей, выполнить которое достаточно сложно.
Заявленное устройство направлено на упрощение решения задачи измерения кажущегося ускорения и расширение диапазона его измерения.
Поставленная задача возникает при измерении ускорения во время различных виброиспытаний и гравиметрических исследований, навигационных измерений и пр.
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство, содержащее пьезоэлектрический преобразователь, пробную массу, введены N-разрядный аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, N-разрядный цифро-аналоговый преобразователь, электромагнит, выход пьезоэлектрического преобразователя подключен ко входу N-разрядного аналого-цифрового преобразователя, N-разрядный выход аналого-цифрового преобразователя подключен к N-разрядному входу микроконтроллера, управляющий N-разрядный выход микроконтроллера подключен к N-разрядному входу цифро-аналогового преобразователя, выход которого подключен ко входу электромагнита, электромагнит, пробная масса и пьезоэлектрический преобразователь расположены по одной оси, пробная масса жестко соединена с пьезоэлектрическим преобразователем, изготовлена из магнитного материала и находится в зоне максимального влияния электромагнита, а выходом устройства является информационный N-разрядный выход микроконтроллера.
На чертеже представлена функциональная схема акселерометра.
Устройство состоит из пьезоэлектрического преобразователя 1, N-разрядного аналого-цифрового преобразователя 2, микроконтроллера 3, N-разрядного цифро-аналогового преобразователя 4, электромагнита 5, пробной массы 6.
Выход пьезоэлектрического преобразователя 1 подключен ко входу N-разрядного аналого-цифрового преобразователя 2, N-разрядный выход аналого-цифрового преобразователя 2 подключен к N-разрядному входу микроконтроллера 3, управляющий N-разрядный выход микроконтроллера 3 подключен к N-разрядному входу цифро-аналогового преобразователя 4, выход N-разрядного цифро-аналогового преобразователя 4 подключен ко входу электромагнита 5.
Выходом устройства является информационный N-разрядный выход микроконтроллера 3.
Пьезоэлектрический преобразователь 1, электромагнит 5 и пробная масса 6 расположены по одной оси. Пробная масса 6 жестко соединена с пьезоэлектрическим преобразователем, изготовлена из магнитного материала и находится в зоне максимального влияния электромагнита 5.
N-разрядный аналого-цифровой преобразователь 2 способен осуществлять преобразование двуполярного сигнала, например, может быть выполнен аналогично описанному в [16-разрядные АЦП с входным напряжением ±5 В, скоростью преобразования 500/250 квыб/сек и встроенным ИОН / Аналоговый мир Maxim. Новые микросхемы. Выпуск №2, 2013 г., стр. 5].
В свою очередь, N-разрядный цифро-аналоговый преобразователь 4 способен осуществлять формирование на выходе двуполярного сигнала и может быть выполнен, например, аналогично описанному в [18-бит прецизионный ЦАП с цифровым управлением смещения и усиления с интерфейсом SPI / Аналоговый мир Maxim. Новые микросхемы. Выпуск №2, 2013 г., стр. 13].
N-разрядный аналого-цифровой преобразователь 2 и N-разрядный цифро-аналоговый преобразователь 4 могут входить в состав микроконтроллера 3. Устройство работает следующим образом.
a
а
а
t
t
(t-1)
t
(t-1)
При возникновении ускорения «а» в направлении оси ОХ на пробную массу 6 действует сила инерции F=-m, где - ускорение, m - ее масса. Пробная масса 6 деформирует пьезоэлектрический преобразователь 1. На выходе пьезоэлектрического преобразователя 1 возникает импульсный электрический сигнал соответствующей полярности с амплитудой, пропорциональной ускорению «». Данный сигнал поступает на вход N-разрядного аналого-цифрового преобразователя 2, с выхода которого соответствующий двоичный код К поступает на N-разрядный вход микроконтроллера 3. Микроконтроллер 3 осуществляет суммирование двоичного N-разрядного кода К, полученного с выхода аналого-цифрового преобразователя 2 в текущий момент времени t, с двоичным N-разрядным кодом К, хранящимся в микроконтроллере 3 с предыдущего (t-1)-го шага (в начальный момент времени хранящийся в микроконтроллере 3 код равен нулю). Результат суммирования К+К запоминается в микроконтроллере 3 и с его управляющего N-разрядного выхода поступает далее в N-разрядный цифро-аналоговый преобразователь 4.
Сигнал, снимаемый с выхода N-разрядного цифро-аналогового преобразователя 4, формирует на входе электромагнита 5 ток соответствующей амплитуды, приводящий к созданию действующей на пробную массу 6 силы электромагнитной индукции, равной по величине силе инерции F и противоположно ей направленной.
Деформация пьезоэлектрического преобразователя 1 становится равной нулю, что приводит к появлению на его выходе импульса противоположной полярности. Данный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 2, с выхода которого соответствующий двоичный код поступает на вход микроконтроллера 3. В течение времени осуществления компенсации деформации пьезоэлектрического преобразователя 1 (которое известно и фиксировано) микроконтроллер 3, получив двоичный код с выхода аналого-цифрового преобразователя 2, суммирование с двоичным кодом, хранящимся в микроконтроллере 3, не производит.
Измеряемое ускорение вычисляется в микроконтроллере 3 по формуле:
а
где  - измеряемое ускорение;
F - сила инерции;
п
К - коэффициент пропорциональности между создаваемой силой электромагнитной индукции, равной по величине силе инерции, и значением двоичного кода на выходе N-разрядного аналого-цифрового преобразователя 2;
m - масса пробной массы 6.
Результат вычисления ускорения в виде N-разрядного кода поступает с информационного N-разрядного выхода микроконтроллера 3 на выход устройства.
Далее процесс повторяется - пьезоэлектрический преобразователь 1 находится в исходном (ненагруженном) состоянии и готов к новой деформации.
Таким образом, в результате компенсации силы инерции, действующей на пробную массу, возможно измерение ускорения, амплитуда которого лежит за пределами верхней границы диапазона измерения пьезоэлектрического преобразователя.
Простота данного акселерометра и возможность расширения диапазона измерения пьезоэлектрического преобразователя делают его весьма перспективным при разработке и создании навигационных систем, а также аппаратуры для виброиспытаний и гравиметрических исследований.