КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2014 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах для измерения механических величин компенсационного типа.

Известен акселерометр (А.С. №742801, опубл. в бюл. изобр. №23, 1980), содержащий чувствительный элемент, датчик угла, интегрирующий усилитель обратной связи, датчик момента, дополнительный интегрирующий усилитель, электронный ключ, пороговый элемент. Причем первый выход датчика угла подключен через интегрирующий усилитель обратной связи к датчику момента, а второй выход датчика угла через пороговый элемент и дополнительный интегрирующий усилитель - к управляющему входу электронного ключа.

Недостатком компенсационного акселерометра является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы. Точность работы компенсационного акселерометра зависит от интегрирующих аналоговых усилителей, порогового элемента и электронного ключа, включенных в обратную связь. Основная погрешность устройства для измерения ускорений связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Наиболее близким по техническому решению является устройство для измерения ускорений (патент РФ №2165625 C1, G01P 15/13, опубл. в бюл. №11, 20.04.2001), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель и датчик момента, местная положительная обратная связь которого введена с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение-ток. Местная отрицательная обратная связь введена с выхода датчика угла на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот и преобразователь напряжение-ток. Отрицательная интегрирующая обратная связь введена с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента и содержит последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и схему синхронизации, выходы которой являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор, при этом второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы собирания, выход которой является выходом цифрового кода устройства. Кроме того, устройство содержит генератор опорного напряжения, выходы которого являются входами для датчика угла, фазового детектора положительной и отрицательной обратных связей.

Недостатками устройства для измерения ускорений являются малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания компенсационного акселерометра и повышение точности измерения.

Техническая задача в предлагаемом изобретении решается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, соединенный с выходом генератора опорного напряжения, выход которого соединен с входом датчика угла, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход - с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на один из входов сумматора через последовательно соединенные по информационным входам пороговый элемент, интегродифференцирующее звено с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{T_1\cdot s+1}{T_2\cdot s+1}$$ (где T₁<T₂, постоянные времени, s - преобразователь Лапласа) и один из входов сумматора соединен с выходом интегродифференцирующего звена через звено запаздывания с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{K}{T\cdot s+1}$$ (где К и Т - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания), один из входов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с выходом интегродифференцирующего звена, а выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{T_1\cdot s+1}{T_2\cdot s+1}$$ (где Т₁>Т₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр как местной отрицательной обратной связи с пороговым элементом, так и отрицательной интегрирующей обратную связи с интегродифференцирующим, дифференцирующим звеньями и компаратором позволяет повысить точность измерения и расширить полосу пропускания, при значительном коэффициенте усиления по разомкнутому контуру, за счет реализации в устройстве автоколебательного режима. Частота автоколебаний в предлагаемом компенсационном акселерометре (фиг.3) больше, чем в прототипе (фиг.4), и чем больше частота автоколебаний, тем больше полоса пропускания. Введение в цепь интегрирующей отрицательной обратной связи интегродифференцирующего звена позволяет создать компенсационный акселерометр с астатизмом по отклонению.

На фиг.1 изображена функциональная схема компенсационного акселерометра; на фиг.2 - схема моделирования компенсационного акселерометра; на фиг.3, 4 - переходные процессы в предлагаемом компенсационном акселерометре и прототипе.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Выход усилителя 3 соединен с одним из входов сумматора 4, выход которого соединен с пороговым элементом 5. Выход порогового элемента 5 соединен с входом интегродифференцирующего звена 6 с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{T_1\cdot s+1}{T_2\cdot s+1}$$ (где Т₁<Т₂, соответственно постоянные времени) и выход интегродифференцирующего звена 6 соединен с входом звена запаздывания 7 с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{K}{T\cdot s+1}$$ (где К и Т - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания). Выход звена запаздывания 7 соединен с одним из входов сумматора 4. Один из выходов генератора опорного напряжения (ГОН) 8 соединен с входом датчика угла 2. Другой выход 8 соединен с одним из входов фазового детектора отрицательной обратной связи (ФДООС) 9. Другой вход ФДООС 9 соединен с выходом интегродифференцирующего звена 6. Выход ФДООС 9 соединен с входом дифференцирующего звена 10 с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{T_1\cdot s+1}{T_2\cdot s+1}$$ (где T₁>T₂, постоянные времени звена 10). Выход дифференцирующего звена 10 соединен с входом компаратора 11. Выход компаратора 11 соединен с входом преобразователя уровня 12, выходы которого соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 13 и 14. Выходы ЖСГ 13 и 14 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 15. Выход реверсивного двоичного счетчика 15 соединен с входом схемы сравнения 16. Другой вход схемы сравнения 16 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 17. Выход схемы сравнения 16 соединен с входом триггера 18. Выход триггера 18 соединен с входом электронного ключа 19, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 20. Выход электронного ключа 19 соединен с входом датчика момента 21. Развиваемый момент 21 возвращает чувствительный элемент 1 в исходное состояние. Дополнительные входы компаратора 11, ЖСГ 13 и 14, реверсивного двоичного счетчика 15 и суммирующего двоичного счетчика 17 соединены с выходом генератора вспомогательной частоты 22.

Внутреннее содержание ФДООС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора, интегродифференцирущего, дифференцирующего звена и звена запаздывания описано в книге: 1. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993; 2. Н.Т.Кузовков. Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1968, с.428.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения на чувствительный элемент 1 возникает инерционный момент. Под действием этого момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 8. Сигнал с датчика угла 2 после усиления усилителем 3 поступает на один из входов сумматора 4, а затем на вход порогового элемента 5, который ограничивает входной сигнал по уровню. Выходной сигнал с порогового элемента 5 поступает на вход интегродифференцирущего звена 6 с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{T_1\cdot s+1}{T_2\cdot s+1}$$ , где T₁<T₂, соответственно, постоянные времени звена 6.

После интегрирования сигнала звеном 6 выходной сигнал поступает на вход сумматора 4 через звено запаздывания 7 с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{K}{T\cdot s+1}$$ , где К и Т - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания 7. Сумматор 4, интегродифференцирущее звено 6 и звено запаздывания 7 образуют местную отрицательную обратную связь, осуществляющую стабилизацию параметров компенсационного акселерометра. Сигнал с выхода интегродифференцирущего звена 6 поступает также на вход ФДООС 9. С помощью ФДООС 9 и ГОН 8 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 9 сигнал всегда будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1. Напряжение с выхода ФДООС 9 поступает на вход дифференцирующего звена 10 с передаточной функцией $$W\left(s\right)=\frac{T_1\cdot s+1}{T_2\cdot s+1}$$ , где Т₁>Т₂, постоянные времени звена 10, а затем на вход компаратора 11.

В компараторе 11 происходит сравнение сигнала с выхода звена 10 с сигналом, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 22. Если сигнал с выхода дифференцирующего звена 10 будет больше треугольного напряжения с выхода 22, то на выходе компаратора 11 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 11 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 11 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 11 в виде уровня поступает на вход преобразователя уровня 12, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 13 и 14, которые с помощью генератора вспомогательной частоты 22 выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 12), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 15 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 13, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14. Реверсивный двоичный счетчик 15 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 16 и суммирующим двоичным счетчиком 17. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 16 сигнал с выхода 16 поступает на вход триггера 18, а затем в виде уровня на вход электронного ключа 19.

Стабилизацию параметров электронного ключа 19 осуществляет генератор тока 20. На выходе 20 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 16. На токовую обмотку датчика момента 21 поступает сигнал с выхода 19 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 15. Развиваемый момент датчиком момента 21 будет компенсировать угловое отклонение чувствительного элемента 1. Элементы компенсационного акселерометра 3, 4, 5, 6, 9-21 образуют интегрирующую отрицательную обратную связь. Выход реверсивного двоичного счетчика 15 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр местной отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, а реализация в интегрирующей отрицательной обратной связи интегродифференцирующего и дифференцирующего звена позволяет повысить точность измерения и расширить полосу пропускания за счет реализации автоколебательного режима.

Из анализа моделирования фиг.3, 4 следует, что компенсационный акселерометр с реализованными обратными связями устойчив при значительном коэффициенте усиления по разомкнутому контуру, обладает значительным быстродействием по сравнению с прототипом фиг.4, и в интегрирующей отрицательной обратной связи реализуется цифровой код, пропорциональный входному воздействию.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа с дискретным выходом в системах стабилизации, навигации и наведения. Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ. Кроме того, введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход фазового детектора отрицательной обратной связи через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент, интегродифференцирующее звено и звено запаздывания. Выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено. Выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Введение в компенсационный акселерометр местной отрицательной обратной связи позволяет стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, а реализация в интегрирующей отрицательной обратной связи интегродифференцирующего и дифференцирующего звена позволяет повысить точность измерения и расширить полосу пропускания за счет реализации автоколебательного режима. 4 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, фазовый детектор отрицательной обратной связи, соединенный с выходом генератора опорного напряжения, выход которого соединен с входом датчика угла, интегрирующую отрицательную обратную связь с выхода компаратора на вход датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам компаратор, преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход - с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с выходом генератора вспомогательной частоты, отличающийся тем, что в него введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на один из входов сумматора через последовательно соединенные по информационным входам пороговый элемент, интегродифференцирующее звено с передаточной функцией (где T₁<Т₂, постоянные времени, s - преобразователь Лапласа) и один из входов сумматора соединен с выходом интегродифференцирующего звена через звено запаздывания с передаточной функцией (где К и Т - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания), один из входов фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с выходом интегродифференцирующего звена, а выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено с передаточной функцией (где Т₁>Т₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.