КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2012 года по МПК G01P15/13 

Компенсационный акселерометр предназначен для применения в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. Изобретение 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 выход 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, позволяющие за счет охвата усилителей отрицательной обратной связью осуществить компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы. Кроме того, устройство содержит аналоговый канал обработки информации, что приводит к низкой точности измерения, так как не производится запоминание информации за время ее преобразования и ее осреднение в процессе накопления.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (патент РФ №2189046 С1, МПК⁷ G01P 15/13, опубл. 10.09.2002 в БИ №25), содержащее два параллельных входных канала с датчика угла и с мостовой схемы и две параллельные отрицательные обратные связи. Аналоговая обратная связь введена с выхода усилителя на один из входов датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр верхних частот, первый преобразователь напряжения-ток, второй суммирующий элемент. Выход второго суммирующего элемента соединен с одной из диагоналей мостовой схемы. Диагональ мостовой схемы, в плечо которой введена обмотка датчика моментов, соединена с одним из входов первого суммирующего элемента через дифференциальный операционный усилитель. Цифровая обратная связь введена с выхода усилителя на другой вход датчика моментов через последовательно включенные первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", первый прецизионный релейный элемент, сглаживающий фильтр, первый суммирующий элемент, сопряженный фильтр низких частот, третий суммирующий элемент, релейный элемент, ждущие синхронные генераторы и RS-триггер. Один из выходов триггера соединен со вторым прецизионным релейным элементом, второй преобразователь напряжение-ток, второй суммирующий элемент, мостовую схему. Другой выход RS-триггера соединен с входом итогового регистра через схемы совпадения ("И") и реверсивный двоичный счетчик. Причем один из входов третьего суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения "И", итогового регистра соединены с одним из выходов схемы синхронизации. Кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом датчика угла, а другой - с входом схемы "ИЛИ" через второй логический элемент. Выход с итогового регистра является цифровым выходом устройства.

Недостатком устройства является низкая точность измерения, обусловленная точностью работы интегрирующих аналоговых усилителей и порогового элемента. Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации. Основная погрешность устройства связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения и расширение полосы пропускания.

Это достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик угла, выход которого соединен с входом первого суммирующего элемента через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", прецизионный релейный элемент, первый сглаживающий фильтр, сопряженный фильтр верхних частот, преобразователь напряжение-ток, а также сопряженный фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом первого сглаживающего фильтра, а выход с релейным элементом через второй суммирующий элемент, причем один из входов второго суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, а генератор опорного напряжения соединен как с входом датчика угла, так и с дополнительным входом схемы исключающее "ИЛИ" через второй логический элемент, датчик момента, аналоговую и цифровую параллельные отрицательные обратные связи, в цифровую отрицательную обратную связь введены с выхода релейного элемента последовательно по информационным входам пара схем совпадения, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схема собирания, двоичный умножитель, второй сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, выход двоичного реверсивного двоичного счетчика является как выходом устройства, так и входом знакового переключателя, в аналоговую отрицательную обратную связь введен с выхода первого суммирующего элемента на выход датчика момента дифференцирующий фильтр, и вход датчика момента соединен с выходом первого суммирующего элемента.

На чертеже изображена блок-схема компенсационного акселерометра.

Предлагаемый компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое положение которого определяется датчиком угла 2. Обмотка возбуждения датчика угла 2 соединена с входом генератора опорного напряжения 3. Выходная обмотка датчика угла 2 соединена с входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом первого логического элемента 5. Выход генератора опорного напряжения 3 соединен с входом второго логического элемента 6. Выходы логических элементов 5 и 6 соединены с соответствующими входами схемы исключающее "ИЛИ" 7, выход которой соединен с входом прецизионного релейного элемента 8. Выход прецизионного релейного элемента 8 соединен с входом первого сглаживающего фильтра 9, выход которого соединен с входом сопряженного фильтра верхних частот 10. Выход сопряженного фильтра верхних частот 10 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 11, выход которого соединен с одним из входов первого суммирующего элемента 12. Дополнительный выход первого сглаживающего фильтра 9 соединен с входом сопряженного фильтра нижних частот 13, выход которого соединен с одним из входов второго суммирующего элемента 14. Другой вход второго суммирующего элемента 14 соединен с выходом генератора стабильной частоты 15 через последовательно соединенные по информационным входам схему синхронизации 16 и генератор пилообразного напряжения 17. Выход второго суммирующего элемента 14 соединен с входом релейного элемента 18. Выходы релейного элемента 18 соединены с входами пары схем совпадения 19 и 20. Выходы пары схем совпадения 19 и 20 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 21. Выход реверсивного двоичного счетчика 21 соединен последовательно по информационным входам, через преобразователь дополнительного кода в прямой 22, схему собирания 23, двоичный умножитель 24, второй сглаживающий фильтр 25 с входом знакового переключателя 26, выход которого соединен с дополнительным входом первого суммирующего элемента 12. Другой вход знакового переключателя 26 соединен с выходом с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика 21. Выход первого суммирующего элемента 12 соединен с входом датчика момента 27. Другой выход первого суммирующего элемента 12 соединен с выходом датчика момента 27 через дифференцирующий фильтр 28. Выход с реверсивного двоичного счетчика 21 является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Внутреннее содержание блоков, реализующих компенсационный акселерометр, описаны в кн. Майоров С.А., Новиков Г.И. "Принципы организации цифровых машин". - Л.: Машиностроение, 1974. - 432 с., и кн. П.Хоровиц, У.Хилл "Искусство схемотехники". М.: Мир, т.1-3, 1993.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Отклонение чувствительного элемента 1 под действием ускорения фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого соединена с генератором опорного напряжения 3. Выходной сигнал с датчика 2 усиливается усилителем 4. С выхода первого логического элемента 5, входной сигнал с усилителя 4 представляется в виде сигнала прямоугольной формы с частотой генератора опорного напряжения 3. Для выделения фазы отклонения чувствительного элемента 1 в схеме предусмотрен второй логический элемент 6, на вход которого подается сигнал с генератора опорного напряжения 3, а на выходе второго логического элемента 6 будет сигнал, аналогичный по форме и частоте сигналу с логического элемента 5. Выходные 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, то на выходе схемы исключающее "ИЛИ" 7 имеем логический "0", если же сигналы с логических элементов 5 и 6 имеют фазовый сдвиг, отличный от нуля, то на выходе схемы исключающее "ИЛИ" 7 имеем логическую "1". По форме, сигнал с выхода схемы исключающее "ИЛИ" 7 имеет аналогичную форму сигналов с выходов логических элементов 5 и 6. Выходной сигнал со схемы исключающее "ИЛИ" 7 поступает на вход прецизионного релейного элемента 8, переключение которого происходит на несущей частоте генератора опорного напряжения 3, и осуществляется фиксация уровня сигнала с выхода схемы исключающее "ИЛИ" 7. Первый сглаживающий фильтр 9 осуществляет выделение уровня сигнала с выхода прецизионного релейного элемента 8 в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с выхода первого сглаживающего фильтра 9 поступают как на вход сопряженного фильтра верхних частот 10, так и на вход сопряженного фильтра нижних частот 13. Сопряженный фильтр верхних частот 10 обеспечивает устойчивость стабилизирующей отрицательной обратной связи, введенной с выхода усилителя 4 на вход датчика момента 27 через первый суммирующий элемент 12. Сигнал с выхода сопряженного фильтра верхних частот 10 поступает на вход преобразователя напряжение-ток 11. Сигнал с выхода 11 поступает на один из входов первого суммирующего элемента 12. Сглаженный сигнал со сглаживающего фильтра 9 поступает на вход сопряженного фильтра нижних частот 13, включенного в цифровую отрицательную обратную связь. Сопряженные между собой фильтры верхних и нижних частот 10 и 13 обеспечивают инвариантное устройство и результирующую обратную отрицательную связь "- 1", независимо от параметров сопряженных фильтров 10 и 13. На вход второго суммирующего элемента 14 поступает сигнал с выхода сопряженного фильтра нижних частот 13 и с выхода генератора пилообразного напряжения 17, для которого входным является сигнал со схемы синхронизации 16, вход которой соединен с выходом генератора стабильной частоты 15. На выходе второго суммирующего элемента 14 будет сигнал в виде пилы, смещенной по уровню в зависимости от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Релейный элемент 18, включенный на выход второго суммирующего элемента 14, срабатывает по знаку сигнала с выхода 15 и в виде ШИМа (широтно-импульсной модуляции) поступает на входы пары схем совпадения 19 и 20, которые взводятся от релейного элемента 18 и вырабатывают короткие импульсы (длительностью, определяемой частотой привязки схемы синхронизации 16), частота которых определяется частотой переключения релейного элемента 18. В зависимости от состояния релейного элемента 18 импульсы со схем совпадения 19 и 20 подаются либо на вычитающие входы, либо на суммирующие входы реверсивного двоичного счетчика 21. Информация с реверсивного двоичного счетчика 21 (равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов) переписывается в преобразователь дополнительного кода в прямой 22 и со схемы собирания 23, включенной на выход 22, переписывается в двоичный умножитель 24. Импульсы с двоичного умножителя 24 поступают на вход второго сглаживающего фильтра 25, а затем на вход знакового переключателя 26, срабатывание которого происходит по импульсу с реверсивного двоичного счетчика 21. Сигнал с выхода знакового переключателя 26 поступает на один из входов первого суммирующего элемента 12, а затем на вход датчика момента 27, который развивает момент, по модулю и знаку, и компенсирующий угловое отклонение 1, вызванное действием ускорения объекта. Параллельно обмоткам датчика момента 27 включен дифференцирующий фильтр 28, который обеспечивает значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру. Введение в цепь аналоговой обратной связи дифференцирующего звена 28, шунтирующего обмотку датчика момента 27, позволяет повысить точность и расширить полосу пропускания. Цифровым выходом компенсационного акселерометра является выход с реверсивного двоичного счетчика 21.

Введение в устройство двух отрицательных обратных связей, одна аналоговая, другая цифровая, содержащих сопряженные фильтры верхних и нижних частот, позволяет создать инвариантный компенсационный акселерометр с единичной обратной связью. Реализация инвариантности совместно дифференцирующим фильтром, шунтирующим обмотку датчика момента, позволяет реализовать значительный коэффициент передачи, увеличить точность и расширить полосу пропускания.

Изобретение может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Введение в компенсационный акселерометр параллельных отрицательных обратных связей, содержащих сопряженные фильтры верхних и нижних частот, дифференцирующий фильтр, обеспечивает широкую полосу пропускания, значительный коэффициент передачи по контуру, определяющий точность цифрового отсчета в установившемся режиме, расширение полосы пропускания обеспечивается за счет реализации автоколебательного режима. 1 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик угла, выход которого соединен с входом первого суммирующего элемента через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, первый логический элемент, схему исключающее "ИЛИ", прецизионный релейный элемент, первый сглаживающий фильтр, сопряженный фильтр верхних частот, преобразователь напряжение-ток, а также сопряженный фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом первого сглаживающего фильтра, а выход с релейным элементом через второй суммирующий элемент, причем один из входов второго суммирующего элемента соединен с генератором стабильной частоты через схему синхронизации и генератор пилообразного напряжения, а генератор опорного напряжения соединен как с входом датчика угла, так и с дополнительным входом схемы исключающее "ИЛИ" через второй логический элемент, датчик момента, аналоговую и цифровую параллельные отрицательные обратные связи, отличающийся тем, что в цифровую отрицательную обратную связь введены с выхода релейного элемента последовательно по информационным входам пара схем совпадения, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схема собирания, двоичный умножитель, второй сглаживающий фильтр и знаковый переключатель, выход двоичного реверсивного двоичного счетчика является как выходом устройства, так и входом знакового переключателя, в аналоговую отрицательную обратную связь введен с выхода первого суммирующего элемента на выход датчика момента дифференцирующий фильтр и вход датчика момента соединен с выходом первого суммирующего элемента.