Компенсационный акселерометр Российский патент 2022 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 БИ №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 CI G01P 15/13, опубл. в БИ №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, два ждущих синхронных генератора, 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 К 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 Т₁>Т₂, 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 фиксируется датчиком угла, генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с датчиком угла, выход которого соединен с входом интегрирующего усилителя, отрицательную обратную связь, выход компаратора соединен с входом датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, а выход с входом 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, введены с выхода датчика угла на один из входов компаратора последовательно соединенные по информационным входам, фазовый детектор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, нелинейный элемент с зоной неоднозначности, сумматор, причем один из входов порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с одним из выходов фазового детектора, а выход порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с одним из входов сумматора, кроме того, один из выходов генератора опорного напряжения соединен с одним из входов фазового детектора и один из входов сумматора соединен с выходом фазового детектора через нелинейный элемент с зоной нечувствительности, кроме того, один из входов порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с выходом генератора вспомогательной частоты, кроме того, введен фильтр высоких частот, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход соединен с входом триггера и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.

На чертеже изображена функциональная схема компенсационного акселерометра.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, угловое отклонение которого фиксируется датчиком угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с входом интегрирующего усилителя 3, выход которого соединен с входом фазового детектора 4. Дополнительные входы датчика угла 2 и фазового детектора 4 соединены с выходом генератора опорного напряжения 5. Выход фазового детектора 4 соединен с входами нелинейного элемента с зоной нечувствительности 6 и порогового элемента с зоной неоднозначности 7. Выходы нелинейного элемента с зоной нечувствительности 6 и порогового элемента с зоной неоднозначности 7 соединены с входами сумматора 8. Выход сумматора 8 соединен с входом компаратора 9, выход которого соединен с входом преобразователя уровня 10, выходы которого соединены с входами двух ждущих синхронных генераторов 11 и 12. Выходы ждущих синхронных генераторов 11 и 12 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 13. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 соединен с входом схемы сравнения 14. Другой вход схемы сравнения 14 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 15. Выход схемы сравнения 14 соединен с входом фильтра высоких частот 16. Выход фильтра высоких частот 16 соединен с входом триггера 17. Выход триггера 17 соединен с входом электронного ключа 18, другой вход которого соединен с выходом генератора тока 19. Выход электронного ключа 18 соединен с входом датчика момента 20. Датчик момента 20 соединен с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы порогового элемента с зоной неоднозначности 7, компаратора 9, ждущих синхронных генераторов 11 и 12, реверсивного двоичного счетчика 13 и суммирующего двоичного счетчика 15 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 21.

Внутреннее содержание порогового элемента с зоной неоднозначности, нелинейного элемента с зоной нечувствительности, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы сравнения, суммирующего двоичного счетчика, преобразователя уровня, сумматора 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 одним из выходов генератора опорного напряжения 5. Сигнал с датчика угла 2, после усиления интегрирующим усилителем 3, поступает на один из входов фазового детектора 4. Другой вход фазового детектора 4 соединен с выходом генератора опорного напряжения 5. Напряжение с выхода фазового детектора 4, в соответствии с фазой отклонения чувствительного элемента 1, поступает, как на вход порогового элемента с зоной неоднозначности 7, так и на вход нелинейного элемента с зоной нечувствительности 6. Сигнал, в виде уровня, с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 7 поступает на один из входов сумматора 8. Сигнал с выхода фазового детектора4 в виде напряжения подается на один из входов нелинейного элемента с зоной нечувствительности 6, а затем на один из входов сумматора 8. Сумматор 8 фиксирует величину аналогового сигнала с фазового детектора 4 на время преобразования. Напряжение на выходе порогового элемента с зоной неоднозначности 7 фиксируется с приходом каждого импульса с генератора вспомогательной частоты 21 и поступает на один из входов сумматора 8. С выхода сумматора 8 сигнал, в виде ступенчатого напряжения, поступает на один из входов компаратора 9, в котором происходит сравнение сигнала с выхода сумматора 8 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде треугольного сигнала генератора вспомогательной частоты 21. Если сигнал с выхода сумматора 8 больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 21, то на выходе компаратора 9 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 9 - низкий логический уровень. Уровень сигнала с выхода компаратора 9 зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигнал с выхода

компаратора 9, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 10, а затем на входы ждущих синхронных генераторов 11 и 12, которые, с помощью генератора вспомогательной частоты 21, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 10) равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 13 производит суммирование единичных импульсов поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 11 и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 12. Реверсивный двоичный счетчик 13 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную - в дополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 14 и суммирующим двоичным счетчиком 15. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 14, сигнал поступает на вход фильтра высоких частот 16, а затем на вход триггера 17. Сигнал с выхода триггера 17, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 18. Стабилизация параметров электронного ключа 18 осуществляется генератором тока 19. Число импульсов, с выхода электронного ключа 18, пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 14. Выход электронного ключа 18 соединен с токовой обмоткой датчика момента 20, который компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 является выходом цифрового кода компенсационного акселерометра.

Введение в отрицательную обратную связь фазового детектора, порогового элемента с зоной неоднозначности, нелинейного элемента с зоной нечувствительности, сумматора, фильтра высоких частот позволяет повысить точность измерения, создать автоколебательную систему с расширенной полосой пропускания и с астатизмом по отклонению.

Изобретение относится к измерительной технике. В компенсационный акселерометр введены с выхода датчика угла на один из входов компаратора последовательно соединенные по информационным входам фазовый детектор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, нелинейный элемент с зоной нечувствительности, сумматор, причем один из входов порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с одним из выходов фазового детектора, а выход порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с одним из входов сумматора, кроме того, один из выходов генератора опорного напряжения соединен с одним из входов фазового детектора и один из входов сумматора соединен с выходом фазового детектора через нелинейный элемент с зоной нечувствительности, кроме того, один из входов порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с выходом генератора вспомогательной частоты, кроме того, введен фильтр высоких частот, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход соединен с входом триггера и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. Технический результат – расширение полосы пропускания, повышение точности измерения. 1 ил.

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с датчиком угла, выход которого соединен с входом интегрирующего усилителя, отрицательную обратную связь, выход компаратора соединен с входом датчика момента через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, схему сравнения, триггер, электронный ключ, вход которого соединен с выходом генератора тока, а выход с входом 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 с выхода датчика угла на один из входов компаратора последовательно соединенные по информационным входам фазовый детектор, пороговый элемент с зоной неоднозначности, нелинейный элемент с зоной нечувствительности, сумматор, причем один из входов порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с одним из выходов фазового детектора, а выход порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с одним из входов сумматора, кроме того, один из выходов генератора опорного напряжения соединен с одним из входов фазового детектора и один из входов сумматора соединен с выходом фазового детектора через нелинейный элемент с зоной нечувствительности, кроме того, один из входов порогового элемента с зоной неоднозначности соединен с выходом генератора вспомогательной частоты, кроме того, введен фильтр высоких частот, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход соединен с входом триггера и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.