КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 1999 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к области измерительной техники может быть использовано для измерения ускорений подвижных объектов.

Известны компенсационные акселерометры [1, 2, 3], содержащие инерционный элемент, колебательную систему, преобразователь перемещения и усилитель, к выходу которого подключены обмотка обратного магнитоэлектрического преобразователя и масштабирующий резистор.

Недостатком указанных акселерометров является недостаточная динамическая точность при работе в условиях воздействия электромагнитных полей, имеющих место вблизи мощных энергетических установок или линий электропередач. Причиной недостаточной точности является наведение ЭДС в обмотке обратного преобразователя при наличии внешнего электромагнитного поля и протекание паразитного тока по масштабирующему резистору, с которого снимается выходное напряжение акселерометра.

Наиболее близкими по технической сущности являются компенсационные акселерометров типа Вт 43, Вт 48 [4], содержащие инерционный элемент, колебательную систему, последовательно соединенные усилитель, обмотку обратного преобразователя, компенсирующую обмотку и масштабирующий резистор.

Компенсирующая обмотка предназначена для компенсации внешнего электромагнитного поля, имеет то же число витков, что и обмотки обратного преобразователя и соединяется с ней встречно. При появлении внешнего электромагнитного поля в каждой из указанных обмоток наводятся равные по величине ЭДС, которые уничтожаются встречным включением обмоток. Недостатком этих акселерометров являются дополнительные потери энергии от протекания токов компенсации измеряемого параметра по дополнительной катушке и усложнение конструкции за счет ее введения.

Изобретение направлено на повышение точности, уменьшение энергопотребления и упрощение конструкции. Согласно изобретению в акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, преобразователь перемещения, усилитель, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор отрицательной обратной связи (ООС) усилителя, один из выводов которого подключен к его инверсному входу, введен дополнительный конденсатор, подключенный параллельно обмотке, а свободный вывод резистора отрицательной обратной связи усилителя подключен к точке соединения обмотки обратного преобразователя масштабирующего резистора.

Схема предлагаемого акселерометра показана на фиг. 1, где 1 - инерционный элемент, 2 - колебательная система и преобразователь перемещения, 3 - усилитель, 4 - обмотка магнитоэлектрического обратного преобразователя, 5 - масштабирующий резистор, 6 - дополнительный конденсатор.

Акселерометр работает следующим образом: при действии на инерционный элемент 1 постоянного или переменного ускорения возникает инерционная сила, преобразуемая колебательной системой и преобразователем перемещения 2 в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается в усилителе 3 и с его выхода подается в последовательную цепь, состоящую из обмотки 4 и масштабирующего резистора 5. Ток, протекающий по обмотке, взаимодействуя с полем постоянного магнита обратного преобразователя, приводит к возникновению силы, стремящейся уравновесить инерционную силу и возвратить массу инерционного элемента 1 в исходное состояние. Ток компенсации, протекающий по обмотке 4 и резистору 5 в момент уравновешивания, пропорционален измеряемому ускорению.

ЭДС, возникающая в обмотке 4 при воздействии внешнего электромагнитного поля, замыкается в контуре, образованном обмоткой и конденсатором 6, значительно ослабляя значение паразитного тока, протекающего по резистору 5 и накладывающегося на ток компенсации.

Простое введение конденсатора 6 в схему прототипа сопряжено с возникновением такого существенного недостатка, как образование в цепи уравновешивания акселерометра дополнительного апериодического звена. Передаточная функция дополнительного звена τp+1/τp+1+r/R, где τ=rc - постоянная времени контура, образованного сопротивлением r обмотки 4 и емкости C концентратора 6, R - сопротивление масштабирующего резистора, p - оператор Лапласа. Приведенная передаточная функция аналогична передаточной функции последовательного соединения дифференцирующего и апериодического звеньев. Из [5] известно, что включение в цепь уравновешивания компенсационных акселерометров апериодических звеньев приводит к уменьшению запасов устойчивости и потере динамической точности. Для существенного уменьшения влияния апериодического звена на динамическую точность предлагается перенесение обмотки 4 и конденсатора 6 в цепь прямого преобразования усилителя 3 за счет перенесения точки подключения цепи ООС усилителя к точке соединения обмотки 4 и резистора 5.

Эффект от такого включения покажем на примере анализа схемы УПТ в режиме инвертирующего операционного усилителя, показанного на фиг. 2. На ней приняты обозначения: R2, R1 - элементы отрицательной обратной связи (ООС) усилителя, r - сопротивление обмотки обратного преобразователя, C - емкость вновь введенного конденсатора; R3 - сопротивление масштабирующего резистора. В этом случае цепь прямого преобразования усилителя содержит операционный усилитель с коэффициентом усиления K_у и делитель с коэффициентом передачи
Цепь ООС усилителя состоит из резистора R1, R2. Ее коэффициент передачи β(P) = β равен
С учетом этого передаточная функция усилителя равна

Из полученного уравнения видно, что влияние составляющей на параметры УПТ и акселерометра в целом ослабляется по сравнению с прототипом в K_у раз, значение которого для современных операционных усилителей составляет величину 20000 - 50000 [6]. Влияние наведенной ЭДС по предложенной схеме также ослабляется в K_у раз. Полученные выводы хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными при разработке акселерометров АЛЕ 037, АЛЕ 048.

Чувствительность к внешнему электромагнитному полю определялась в специальном соленоиде, воспроизводящем электромагнитное поле в интервале от 0 до 400 Гц. По сравнению с аналогом предлагаемое решение обеспечивает уменьшение чувствительности к магнитному полю более чем на порядок. По сравнению с прототипом габаритная и сложная в изготовлении компенсирующая катушка заменяется дешевым, миниатюрным серийно выпускаемым керамическим конденсатором. Наряду с этим отмечается и такой эффект от внедрения предлагаемого решения, как существенное уменьшение высокочастотных пульсаций на выходе акселерометра, вызванных наводками генератора, используемого для запитки емкостного преобразователя перемещения. Например, амплитуда пульсаций на выходе акселерометра MA 200 составляет 150 мВ, акселерометров АЛЕ 0,7 10 - 15 мВ [3].

Кроме того, предлагаемое решение практически исключает погрешность акселерометра от температурных изменений сопротивления обмотки обратного преобразователя.

Источники информации
1. Авт. свидетельство СССР N 1728807, кл. G 01 P 15/13, 1992 г.

2. Авт. свидетельство СССР N 1775671, кл. G 01 P 15/13, 1992 г.

3. Servo accelerometre. Type MA 200. Instruction manual. Japan Aviation Electronics Ind. Ltd.

4. Метальников В.В., Любезнов А.Н., Колганов В.Н. и др. Низкочастотные линейные компенсационные акселерометры. - Приборы и системы управления, 1990, N 10, с. 21 - 23.

5. Мокров Е.А., Папко А.А. Проблемы создания прецизионных акселерометров с нормируемыми динамическими характеристиками - Радиотехника, 1995, N 10, c. 18 - 20.

Якубовский. Цифровые и аналоговые микросхемы. Спр. - М: Радио и связь, 1989 г.

Акселерометр предназначен для измерения линейных ускорений на подвижных объектах в условиях воздействия электромагнитных полей, имеющих место при установке акселерометра вблизи мощных энергетических установок или линий электропередач. Акселерометр содержит инерционный элемент, колебательную систему и преобразователь перемещения, усилитель. Выход усилителя подключен к цепи, состоящей из последовательно соединенных обмотки магнитоэлектрического преобразователя и масштабирующего резистора. Конденсатор подключен параллельно обмотке. Один вывод резистора отрицательной обратной связи усилителя подключен к его инвертирующему входу, другой вывод - к точке соединения обмотки и масштабирующего резистора. Обеспечивается повышение точности, сокращение энергопотребления и упрощение конструкции. 2 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, преобразователь перемещения, усилитель, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, отличающийся тем, что в него введен конденсатор, включенный параллельно обмотке обратного преобразователя, а свободный вывод резистора отрицательной обратной связи усилителя подключен к точке соединения обмотки обратного преобразователя и масштабирующего резистора.