КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2009 года по МПК G01P15/13 

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.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ № 2098833, МПК⁶ 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 № 2308039 МПК⁶ G01P 15/13 (2006.01) опубл. в бюл. № 28, 10.10.2007), содержащее чувствительный элемент, датчик угла и датчик момента с электронным ключом, две отрицательные обратные связи, одна с выхода датчика угла на вход датчика моментов через последовательно соединенные по информационным входам предварительный и избирательные усилители, первый компаратор, первый преобразователь уровня сигнала, пару логических схем И, первую пару ЖСГ, пару схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, основной реверсивный двоичный счетчик, двоичный умножитель и электронный ключ, вторая отрицательная обратная связь введена с выхода избирательного усилителя на входы пары схем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, амплитудный детектор, фильтр верхних частот, второй компаратор, второй преобразователь уровня сигнала, вторую пару ЖСГ, кроме того, дополнительные входы пары логических схем И и сумматора соединены с выходом ГОН, а дополнительные входы первой и второй пары ЖСГ, схемы управления соединены с выходом генератора вспомогательной частоты через схему формирования вспомогательной частоты, дополнительный вход двоичного умножителя соединен с выходом вспомогательного реверсивного двоичного счетчика, в обратную цепь которого введена схема управления, второй вход электронного ключа соединен с выходом генератора тока и выход основного реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом устройства для измерения ускорений.

Недостатком подобного устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы аналоговых 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.

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, 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, введены 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.

Введение в компенсационный акселерометр 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, сумматора позволило создать устройство для измерения ускорений 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 - переходный процесс в аналоговой модели компенсационного акселерометра.

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 входом первого компаратора 5, выход которого соединен с входом преобразователя уровня сигнала 6. Выход преобразователя уровня сигнала 6 соединен с одним из входов логического блока 7. Выходы логического блока 7 соединены с соответствующими входами пары схем ИЛИ 8 и 9. Выходы схем ИЛИ 8 и 9 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 10. Другой выход избирательного усилителя 4 соединен с входом сумматора 11, выход которого соединен с входом амплитудного детектора 12. Выход амплитудного детектора 12 соединен с входом фильтра верхних частот 13. Выход фильтра 13 соединен с входом второго компаратора 14. Выход второго компаратора 14 соединен с одним из входов модулятора 15. Выходы модулятора 15 соединены с соответствующими входами схем ИЛИ 8 и 9. Выход реверсивного двоичного счетчика 10 соединен с одним из входов первой схемы сравнения 16, выход которой соединен с входом триггера 17. Выход триггера 17 соединен с одним из входов электронного ключа 18, другой вход 18 соединен с генератором тока 19. Выход электронного ключа 18 соединен с входом датчика момента 20. Другой вход первой схемы сравнения 16 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 21, вход которого соединен с выходом генератора вспомогательной частоты 22. Выход генератора опорного напряжения (ГОН) 23 соединен с входами датчика угла 2, сумматора 11 и второй схемы сравнения 24. Выход второй схемы сравнения 24 соединен с входом модулятора 15 и с входом логического блока 7.

Внутреннее содержание предварительного и избирательного усилителей, компараторов, фильтра верхних частот, реверсивного и суммирующего двоичных счетчиков, сумматора, преобразователя уровня сигнала, схем ИЛИ, генератора тока, схемы электронного ключа, генератора опорного напряжения и формирования вспомогательной частоты описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

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 23. Сигнал с датчика угла 2, после усиления предварительным усилителем 3, поступает на вход избирательного усилителя 4, который выделяет сигнал на несущей частоте f₁ (ГОН). Сигнал в виде напряжения ±U₄ с усилителя 4 поступает на вход первого компаратора 5. Напряжение с компаратора 5 поступает на вход преобразователя уровня сигнала 6, в котором вырабатывается сигнал в виде напряжения от 0 до ±2.5 (В). Преобразователь уровня сигнала 6 выдает необходимый уровень сигнала для работы логического блока 7. На второй вход логического блока 7 поступает сигнал с выхода ГОН 23 через вторую схему сравнения 24. Логический блок 7 осуществляет операцию умножения сигналов с выхода 6 и с выхода 24, и срабатывание 7 осуществляется в зависимости от фазы отклонения 1. Сигнал с выхода логического блока 7 поступает на соответствующие входы пары схем ИЛИ 8 и 9. Сигнал с выхода избирательного усилителя 4 поступает также на один из входов сумматора 11, на другой вход которого поступает сигнал с выхода ГОН 23. Сигнал с выхода 11, на несущей частоте ГОН 23, поступает на вход амплитудного детектора 12, который преобразует сигнал на несущей частоте в сигнал постоянного тока. Фильтр верхних частот 13, включенный на выход с амплитудного детектора 12, обеспечивает устойчивость работы и заданный переходный процесс в компенсационном акселерометре. Сигнал с выхода фильтра 13 поступает на вход второго компаратора 14, а затем на вход модулятора 15. Сигнал с выхода модулятора 15 поступает на входы пары схем ИЛИ 8 и 9. В результате логического сложения сигналов схемами 8 и 9, в зависимости от фазы отклонения 1, имеем логический "0" либо логическую "1". Импульсы с 8 или 9 подаются либо на суммирующий вход реверсивного двоичного счетчика 10, либо на вычитающий вход 10. Информация, равная разности "положительных" и "отрицательных" импульсов, с 10 переписывается в первой схеме сравнения 16, по импульсу суммирующего двоичного счетчика 21. Формирование импульсов счета, схемой 16, осуществляется в соответствии с частотой генератора вспомогательной частоты 22, включенного на вход 21. Импульсы с 16 поступают на вход триггера 17, срабатывание которого осуществляется по знаку с 16, а затем на один из входов электронного ключа 18. Другой вход электронного ключа 18 соединен с генератором тока 19. Сигнал с 18 в виде уровня, в соответствии с знаком отклонения чувствительного элемента 1, поступает на вход датчика момента 20, который компенсирует угловое отклонение 1, вызванное действием ускорения. Сигнал с выхода реверсивного двоичного счетчика 10 является дискретным выходом устройства, пропорциональным входному ускорению.

Введение в компенсационный акселерометр усилителей, компараторов, преобразователя уровня сигнала, фильтра верхних частот, сумматора, логического блока и схем ИЛИ, реверсивного двоичного счетчика, суммирующего двоичного счетчика, амплитудного детектора и модулятора, включенных в обратную связь, позволяет реализовать дискретный управляющий сигнал на датчик момента. Дискретный управляющий сигнал обеспечивает астатизм первого порядка и расширение полосы пропускания предлагаемого устройства. Аналоговая модель компенсационного акселерометра (фиг.2) промоделирована при параметрах чувствительного элемента, фильтра и суммирующего двоичного счетчика: T=0.2 с, T₁=0.2 с, T₂=0.01 c, K₁=0.1, при ширине зоны неоднозначности порогового элемента, включенного в обратную связь равной 0.01, и результаты моделирования представлены на фиг.3. Из анализа переходного процесса следует, что устройство устойчиво, устойчивость обеспечивает фильтр верхних частот, и на выходе модели имеем дискретный управляющий сигнал, обеспечивающий расширение полосы пропускания и астатизм по отклонению.

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации и навигации и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Компенсационный акселерометр содержит последовательно включенные по информационным входам чувствительный элемент, датчик угла, предварительный и избирательные усилители, компаратор, преобразователь уровня сигнала, схемы ИЛИ, реверсивный двоичный счетчик, сумматор, электронный ключ, генератор тока, датчик момента, отрицательную обратную связь. Введение в компенсационный акселерометр усилителей, компараторов, преобразователя уровня сигнала, фильтра верхних частот, сумматора, логического блока и схем ИЛИ, реверсивного двоичного счетчика, суммирующего двоичного счетчика, амплитудного детектора и модулятора, включенных в обратную связь, позволяет реализовать дискретный управляющий сигнал на датчик момента. Дискретный управляющий сигнал обеспечивает расширение полосы пропускания устройства и астатизм первого порядка. 3 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий последовательно включенные по информационным входам чувствительный элемент, датчик угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, предварительный и избирательный 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, отличающийся тем, что в него введены 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.