Компенсационный акселерометр Российский патент 2020 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах стабилизации, навигации, наведения и медицине.

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. 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 акселерометра является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления с жесткой отрицательной обратной связью ограничен условием устойчивости системы. Точность работы 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 компенсационный акселерометр для измерения ускорений (патент РФ №2513667 C1 G01P 15/13, опубл. в бюл. №11, 20.04.2014), содержащий чувствительный элемент, угловое положение которого фиксируется датчиком угла, усилитель, вход которого соединен с выходом датчика угла, 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, 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, генератор опорного напряжения, выходы которого соединены с входами датчика угла и фазового детектора отрицательной обратной связи, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика соединены с генератором вспомогательной частоты, введена местная отрицательная обратная связь с выхода усилителя на вход фазового детектора отрицательной обратной связи через последовательно соединенные по информационным входам сумматор, пороговый элемент, интегро-дифференцирующее звено с передаточной функцией (где Т₁<Т₂, постоянные времени) и один из входов сумматора соединен с выходом интегро-дифференцирующего звена через звено запаздывания с передаточной функцией (где K и Т - коэффициент передачи и постоянная времени звена запаздывания) и выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом компаратором через дифференцирующее звено с передаточной функцией (где T₁<T₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.

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

Это достигается тем, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируются датчиком угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход соединен с усилителем, интегратор, соединенный с выходом усилителя, отрицательную обратную связь, выход компаратора соединен с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, а выход с одним из входов датчика момента, 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 генератором вспомогательной частоты, при этом, в него введены положительная обратная связь с выхода усилителя на один из входов датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, интегратор, пороговый элемент и фильтр третьего порядка, пороговый элемент соединен с входом компаратора в отрицательной обратной связи, триггер с выхода схемы сравнения на вход электронного ключа, выход которого соединен с одним из входов датчика момента, выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

Введение положительной обратной связи с пороговым элементом и отрицательной обратной связи с фильтром третьего порядка позволяет создать компенсационный акселерометр с астатизмом по отклонению, повысить точность и расширить полосу пропускания. Кроме того, введение фильтра третьего порядка в положительную обратную связь позволяет создать самонастраивающуюся автоколебательную систему, изменять полосу пропускания за счет регулирования как амплитуды, так и частоты автоколебаний.

На фиг. изображена функциональная схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2. Один из входов датчика угла 2 соединен с выходом генератора опорного напряжения 3. Выход датчика угла 2 соединен с входом усилителя 4. Выход усилителя 4 соединен с входом интегратора 5. Выход интегратора 5 соединен с входом порогового элемента 6. Выход порогового элемента 6 соединен с входом фильтра третьего порядка 7, с передаточной функцией (где Т, k - постоянная времени и коэффициент передачи фильтра, S - оператор преобразования Лапласа). Выход порогового элемента 6 соединен с входом компаратора 8, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 9, выходы которого соединены с входами двух ждущих синхронных генераторов 10 и 11. Выходы ждущих синхронных генераторов 10 и 11 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 12. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 соединен с входом схемы сравнения 13. Другой вход схемы сравнения 13 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 14. Выход схемы сравнения 13 соединен с входом триггера 15. Выход триггера 15 соединен с входом электронного ключа 16, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 17. Выход электронного ключа 16 соединен с одним из входов датчика момента 18. Датчик момента 18 соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 8, ждущих синхронных генераторов 10 и 11, реверсивного двоичного счетчика 12 и суммирующего двоичного счетчика 14 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 19.

Внутреннее содержание порогового элемента, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора и интегратора описаны в книгах: П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993, Н.Т. Кузовков Динамика систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1968, С. -428.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W/g отклонение чувствительного элемента 1 фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом генератора опорного напряжения 3. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 4, поступает на вход интегратора 5, а затем на вход порогового элемента 6. Напряжение с выхода порогового элемента 6 подается на вход фильтра третьего порядка 7, включенного в положительную обратную связь с выхода порогового элемента 6, через фильтр третьего порядка 7, на один из входов датчика момента 18. Положительная обратная связь обеспечивает реализацию самонастройки автоколебаний в компенсационном акселерометре. Выходной сигнал с порогового элемента 6 поступает на вход компаратора 8. В компараторе 8 происходит сравнение сигнала с выхода порогового элемента 6 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 19. Если сигнал с выхода порогового элемента 6 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 19, то на выходе компаратора 8 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 8 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 8 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода компаратора 8, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 9, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 10 и 11, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 19, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 9) равное "1". Реверсивный двоичный счетчик 12 производит подсчет единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 10 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 11. Реверсивный двоичный счетчик 12 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 13 и суммирующим двоичным счетчиком 14. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 13, сигнал поступает на вход триггера 15, а затем, в виде уровня, на вход электронного ключа 16. Стабилизация параметров электронного ключа 16 осуществляется генератором тока 17. На выходе электронного ключа 16 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 13. На датчик момента 18 поступают сигналы как с выхода электронного ключа 16 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 12, так и с фильтра третьего порядка 7, включенного в положительную обратную связь. Датчик момента 18 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

Введение в компенсационный акселерометр как положительной обратной связи с интегратором, пороговым элементом и фильтром третьего порядка позволяет создать саморегулирующуюся автоколебательную систему, так и отрицательной обратной связи, позволяет обеспечить устойчивость и стабилизировать параметры компенсационного акселерометра, а также повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в системах стабилизации, навигации, наведения и медицине. Сущность изобретения заключается в том, что компенсационный акселерометр дополнительно содержит положительную обратную связь с выхода усилителя на один из входов датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, интегратор, пороговый элемент и фильтр третьего порядка, пороговый элемент соединен с входом компаратора в отрицательной обратной связи, триггер с выхода схемы сравнения на вход электронного ключа, выход которого соединен с одним из входов датчика момента, выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Технический результат – расширение полосы пропускания и повышение точности измерения. 1 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого определяется датчиком угла, один из входов которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход соединен с усилителем, интегратор, соединенный с выходом усилителя, отрицательную обратную связь, выход компаратора соединен с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, а выход с одним из входов датчика момента, 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 генератором вспомогательной частоты, отличающийся тем, что в него введены положительная обратная связь с выхода усилителя на один из входов датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам усилитель, интегратор, пороговый элемент и фильтр третьего порядка, пороговый элемент соединен с входом компаратора в отрицательной обратной связи, триггер с выхода схемы сравнения на вход электронного ключа, выход которого соединен с одним из входов датчика момента, выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.