КОМПЕНСАЦИОННЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Российский патент 2014 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения ускорений в системах коррекции дальности полета реактивных снарядов.

Известен компенсационный акселерометр [1], содержащий чувствительный элемент, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом и компенсационной катушкой, первый вывод которой подсоединен к выходу усилителя, соединенные последовательно своими первыми выводами первой и второй масштабные резисторы, балластный резистор, первый и второй компараторы, логическое устройство ИЛИ, реле, первый вывод балластного резистора подключен к второму выводу компенсационной катушки, к второму выводу балластного резистора подключен второй вывод первого масштабного резистора, точка соединения балластного и первого масштабного резисторов соединена с противоположными по знаку входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора подключен к одному входу логического устройства ИЛИ, выход второго компаратора подключен к другому входу логического устройства ИЛИ, к выходу логического устройства ИЛИ подключено реле, первый замыкающий контакт которого подключен между точкой соединения компенсационной катушки с балластным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов, а второй замыкающий контакт подключен между точкой соединения балластного резистора с первым масштабным резистором и точкой соединения первого и второго масштабных резисторов.

Недостатком указанного акселерометра является значительная температурная нестабильность его коэффициента преобразования, минимальное значение которой определяется минимально возможной температурной нестабильностью индукции магнитов обратного преобразователя.

Известен компенсационный акселерометр [2], содержащий инерционный элемент, колебательную систему, преобразователь перемещения, усилитель, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, конденсатор, включенный параллельно обмотке обратного преобразователя, резистор отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а другой вывод - к точке соединения обмотки обратного преобразователя и масштабирующего резистора.

Недостатком акселерометра является низкая температурная стабильность его коэффициента преобразования из-за отсутствия в его составе цепей термокомпенсации, обеспечивающих значение температурной нестабильности коэффициента преобразования не хуже 0,004%/°C.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является компенсационный акселерометр [3], содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, дополнительный усилитель и резистор его обратной связи, подключенной к его инвертирующему входу цепью, содержащей параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего ее резистора R_П, соединенной последовательно с резистором R_Ш, а также дополнительный конденсатор C_ДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, а свободный вывод резистора отрицательной обратной связи усилителя цепи уравновешивания подключен к его выходу. Электрические сопротивления резисторов R_П, R_Ш определяются из выражений

где γ - назначенное значение составной части общей погрешности;

R₀ - электрическое сопротивление медной катушки при температуре, соответствующей середине температурного интервала;

α_R, α_M - температурные коэффициенты сопротивлений резистора R_П и медной катушки R₀;

n - установленное отношение температурных приращений сопротивлений R_П и R₀ (n>1);

ΔT - приращение температур относительно середины интервала температуры, воздействующей на акселерометр.

Недостатком акселерометра является значительная сложность регулирования температурного коэффициента усиления акселерометра при решении задачи компенсации температурных погрешностей на уровне менее 0,8%/100°C вследствие значительной нелинейности скомпенсированной температурной характеристики акселерометра, обусловленной наложением некомпенсированной температурной характеристики, нелинейность которой тем больше, чем меньше ее наклон, и обратно пропорциональной температурной характеристики термокомпенсирующего усилителя.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра.

Поставленная цель достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а его свободный вывод - к выходу усилителя цепи уравновешивания, термокомпенсирующий усилитель, резистор его обратной связи, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя цепь, содержащую параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего резистора R_Ш, соединенное последовательно с резистором R_П, a также дополнительный конденсатор C_ДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, в цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя согласно изобретению дополнительно введена цепь из датчика температуры R₀₁, подключенного одним выводом к инвертирующему входу операционного усилителя, другим выводом - к резистору обратной связи R_ОС операционного усилителя, и зашунтированного дополнительным резистором R_Ш1, электрическое сопротивление которого выбирается из следующего условия

где

где K_∑(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра;

K_t0(t₀), K_t0(Δt₁), K_t0(Δt₂) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;

K_A(t₀), K_A(Δt₁), K_A(Δt₂) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;

K_t(t₀), K_t(Δt₁), K_t(Δt₂) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;

R₀, R₀₁ - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении температуры окружающей среды;

α_R, α_M - температурные коэффициенты сопротивления резисторов R_П, R_П1 и медных катушек R₀, R₀₁ соответственно;

Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения.

Подключение дополнительного датчика температуры в обратную связь термокомпенсирующего усилителя позволяет линеаризовать скомпенсированную температурную характеристику акселерометра, что обеспечивает уменьшение температурной нестабильности его коэффициента преобразования и снижение трудоемкости процесса его температурной отладки.

На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема компенсационного акселерометра, содержащего:

1 - инерционный элемент;

2 - колебательную систему;

3 - преобразователь перемещения;

4 - усилитель цепи уравновешивания;

5 - обратный преобразователь;

6 - узел подключения масштабирующего резистора;

7 - термокомпенсирующий усилитель.

На фиг. 2 представлена обобщенная конфигурация термокомпенсирующего усилителя, содержащего:

R_П - последовательный резистор цепи, подключенной к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя;

R_ОС - резистор обратной связи термокомпенсирующего усилителя;

R₀(t), R₀₁(t) - медные датчики температуры;

R_Ш, R_Ш1 - шунтирующие резисторы;

DA - операционный усилитель.

На фиг. 3 представлены результаты моделирования процесса термокомпенсации средствами программы Mathcad с термокомпенсирующим усилителем согласно [3] и согласно предложенному техническому решению:

а - при конфигурации термокомпенсирующего усилителя [3], содержащей цепь из датчика температуры R₀(t), зашунтированного резистором R_Ш, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя;

б - при конфигурации термокомпенсирующего усилителя, содержащей цепь из датчика температуры R₀(t), зашунтированного резистором R_Ш, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя, и дополнительную цепь, состоящую из датчика температуры R₀₁(t), зашунтированного резистором R_Ш1.

Процесс термокомпенсации реализуется следующим образом. Предварительно экспериментальным путем определяется температурная характеристика акселерометра K_A(t) при отключенных датчиках температуры. В том случае, если полученные значения K_A(Δt₁) и K_A(Δt₂) не удовлетворяют заданным требованиям, по результатам моделирования, реализующего алгоритм нахождения корней уравнений, описывающих условие (1) ,определяется конфигурация термокомпенсирующего усилителя, обеспечивающая минимизацию температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра:

- на основе полученных значений K_A(Δt₁), K_A(Δt₁) выбирается оптимальная конфигурация термокомпенсирующего усилителя;

- задаются начальные условия задачи: K_A(t), R_П, R_ОС, R₀, R₀₁;

- выполняется поиск решений (R_Ш, R_Ш1) системы неравенств, реализующих условие (1);

- оценивается соответствие заданным требованиям расчетной характеристики K_∑(t) с выбранной конфигурацией термокомпенсирующего усилителя.

После подключения выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в измерительную цепь акселерометра экспериментальным путем определяется скомпенсированная характеристика K_∑(t) акселерометра.

Результаты оценки эффективности предлагаемого решения на основе моделирования средствами программы Mathcad приведены в таблице 1.

Моделирование процесса термокомпенсации при конфигурации термокомпенсирующего усилителя с предложенной конфигурацией (Фиг. 3) при значениях $$K_A^{-50}=1,3\%$$ , $$K_A^{+50}=0,6\%$$ дает результат $$K_{\sum }^{-50}=0,007\%$$ , $$K_{\sum }^{+50}=-0,004\%$$ , что подтверждает существенное расширение возможностей по минимизации температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра.

Эффективность решения подтверждена результатами серийного изготовления и испытаний в составе изделия акселерометров АЛЕ 055-01 по КД, откорректированной с применением предлагаемого технического решения, в 2012 году.

Источники информации

1. RU патент № 2155965, G01 Р 15/13. Компенсационный акселерометр. Опубл.10.09.2000.

2. RU патент № 2138822, G01 P 15/08. Компенсационный аселерометр. Опубл.27.09 1999.

3. RU патент № 2341805, G01 P 15/13. Компенсационный акселерометр. Опубл. 2012.2008.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения ускорений в системах коррекции дальности полета реактивных снарядов. Целью предлагаемого изобретения является уменьшение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра. Компенсационный акселерометр содержит инерционный элемент (1), колебательную систему (2), преобразователь перемещения (3), усилитель цепи уравновешивания (4), обратный преобразователь (5), узел подключения масштабирующего резистора (6), термокомпенсирующий усилитель (7). В цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя между его инвертирующим входом и резистором обратной связи включена цепь, состоящая из датчика температуры R₀₁, зашунтированного резистором R_Ш1, значение электрического сопротивления которого выбирается из условия:

где

где K_∑(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра; K_t0(t₀), K_t0(Δt₁), K_t0(Δt₂) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно; K_A(t₀), K_A(Δt₁), K_A(Δt₂) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно; K_t(t₀), K_t(Δt₁), K_t(Δt₂) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно; R₀, R₀₁ - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении окружающей среды; α_R, α_M - температурные коэффициенты сопротивления резисторов R_П, R_П1 и медных катушек R₀, R₀₁ соответственно; Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения. Подключение двух датчиков температуры в схему термокомпенсирующего усилителя позволяет линеаризовать скомпенсированную температурную характеристику акселерометра, что обеспечивает уменьшение температурной нестабильности его коэффициента преобразования и снижение трудоемкости процесса его температурной отладки. 3 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, колебательную систему, датчик перемещения, усилитель цепи уравновешивания, выход которого соединен с последовательно соединенными обмоткой обратного преобразователя и масштабирующим резистором, резистор цепи отрицательной обратной связи усилителя, один вывод которого подключен к его инвертирующему входу, а его свободный вывод - к выходу усилителя цепи уравновешивания, термокомпенсирующий усилитель, резистор его обратной связи, подключенную к инвертирующему входу термокомпенсирующего усилителя цепь, содержащую параллельное включение медной обмотки датчика температуры и шунтирующего резистора R_Ш, соединенное последовательно с резистором R_П, а также дополнительный конденсатор C_ДОП, подключенный параллельно к масштабирующему резистору, отличающийся тем, что в цепь отрицательной обратной связи термокомпенсирующего усилителя дополнительно введена цепь из датчика температуры R₀₁, подключенного одним выводом к инвертирующему входу операционного усилителя, другим выводом - к резистору обратной связи R_ОС операционного усилителя, и зашунтированного дополнительным резистором R_Ш1, электрическое сопротивление которого выбирается из следующего условия

где

где K_∑(t) - скомпенсированное значение температурной нестабильности коэффициента преобразования акселерометра;
K_t0(t₀), K_t0(Δt₁), K_t0(Δt₂) - температурная характеристика усилителя термокомпенсации при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;
K_A(t₀), K_A(Δt₁), K_A(Δt₂) - температурная характеристика акселерометра при отключенных датчиках температуры в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;
K_t(t₀), K_t(Δt₁), K_t(Δt₂) - температурная характеристика выбранной конфигурации термокомпенсирующего усилителя в условиях воздействия номинальной, пониженной и повышенной рабочих температур акселерометра соответственно;
R₀, R₀₁ - электрическое сопротивление медных катушек, подключенных ко входу термокомпенсирующего усилителя и в цепь его отрицательной обратной связи соответственно, при номинальном значении окружающей среды;
α_R, α_M - температурные коэффициенты сопротивления резисторов R_П, R_П1 и медных катушек R₀, R₀₁ соответственно;
Δt - приращение значения температуры окружающей среды акселерометра относительно ее номинального значения.
.