Акселерометр Российский патент 2024 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа систем стабилизации, навигации, наведения и медицинской технике.

Известен акселерометр (А.С № 742801, опубл. в Бюл. № 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 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 акселерометр (патент РФ № 2793845 C1, G01P 15/13, опубл. в Бюл. № 10, 07.04.2023), содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, вход которого соединен с генератором опорного напряжения, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, отрицательную обратную связь, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, 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 аналоговая отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход датчика момента через усилитель с насыщением, первый низкочастотный фильтр, интегратор и второй низкочастотный фильтр, дискретная отрицательная обратная связь с выхода интегратора на вход компаратора кроме того выход схемы сравнения соединен с входом электронного ключа через высокочастотный фильтр и триггер, а выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра.

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

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

Это достигается тем, что в акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, вход которого соединен с генератором опорного напряжения, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, отрицательные обратные связи, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход соединен с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя уровня соединены с генератором вспомогательной частоты. Дополнительно в акселерометр введены аналоговая отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход датчика момента через усилитель с насыщением и низкочастотный фильтр, дискретная отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход компаратора через последовательно соединенные по информационным входам усилитель с насыщением, высокочастотный фильтр, пороговый элемент с зоной неоднозначности, интегратор. Кроме того, выход схемы сравнения соединен с входом электронного ключа через широкополосный фильтр и триггер, а один из выходов реверсивного двоичного счетчика соединен с одним из входов порогового элемента с зоной неоднозначности, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра.

Введение в акселерометр аналоговой и дискретной отрицательных обратных связей, причем аналоговая содержит усилитель с насыщением и низкочастотный фильтр, а дискретная - высокочастотный фильтр и пороговый элемент с зоной неоднозначности, параметры которого регулируются выходными импульсами двоичного реверсивного счетчика позволило реализовать режим регулируемых автоколебаний, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.

На фиг. изображена функциональная схема акселерометра.

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 с насыщением 4. Выход усилителя с насыщением 4 соединен с входом высокочастотного фильтра 5, выход которого соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 6. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 6 соединен с входом интегратора 7, выход которого соединен с входом компаратора 8. Выход компаратора 8 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 широкополосного фильтра 15, выход которого соединен с входом триггера 16. Выход триггера 16 соединен с одним из входов электронного ключа 17. Другой вход электронного ключа 17 соединен с выходом генератора тока 18. Выход электронного ключа 17 соединен с одним из входов датчика момента 19. Другой вход датчика момента 19 соединен с усилителем с насыщением 4 через низкочастотный фильтр 21. Датчик момента 19 соединен кинематически с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 8, преобразователя уровня 9, ждущих синхронных генераторов 10 и 11, реверсивного двоичного счетчика 12, суммирующего двоичного счетчика 14 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 20. Один из выходов реверсивного двоичного счетчика 12 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 6. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является цифровым выходом акселерометра.

Элементы, входящие в функциональную схему акселерометра, приведены 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.

Акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения 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 с насыщением 4, поступает на вход высокочастотного фильтра 5, а затем на вход порогового элемента с зоной неоднозначности 6. Выход порогового элемента с зоной неоднозначности 6 соединен с интегратором 7. Кроме того, вход порогового элемента с зоной неоднозначности 6 соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика 12. Это позволяет уменьшить погрешности, вызванные нестационарными возмущающими факторами, путем изменения параметров порогового элемента с зоной неоднозначности 6 (величины зоны неоднозначности). Напряжение с выхода интегратора 7 поступает на вход компаратора 8. В компараторе 8 происходит сравнение сигнала с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 6 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 20. Если сигнал с выхода интегратора 7 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 20, то на выходе компаратора 8 будет высокий логический уровень, если меньше - то на выходе компаратора 8 будет низкий логический уровень. Сигнал с выхода компаратора 8, в виде уровня, поступает на вход преобразователя уровня 9, а затем на входы двух ждущих синхронных генераторов 10 и 11, которые с помощью генератора вспомогательной частоты 20, выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 9) равного "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 с выхода схемы сравнения 13 поступает на вход широкополосного фильтра 15, а затем на вход триггера 16. Выходной сигнал с триггера 16 в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 17. Стабилизация параметров электронного ключа 17 осуществляется генератором тока 18. На выходе электронного ключа 17 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 13. На токовую обмотку датчика момента 19 поступают сигналы с выхода электронного ключа 17 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 12 и с выхода низкочастотного фильтра 21, вход которого соединен с одним из выходов усилителя с насыщением 4. Датчик момента 19 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1 в соответствии с фазой входного воздействия. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является выходом цифрового кода акселерометра.

Введение в дискретную отрицательную обратную связь порогового элемента с зоной неоднозначности, параметры которого регулируются импульсами с реверсивного двоичного счетчика, позволяет реализовать инвариантную систему, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру и точность измерения, расширить полосу пропускания.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения заключается в том, что в акселерометр дополнительно введены аналоговая отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход датчика момента через усилитель с насыщением и низкочастотный фильтр, дискретная отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход компаратора через последовательно соединенные по информационным входам усилитель с насыщением, высокочастотный фильтр, пороговый элемент с зоной неоднозначности, интегратор, кроме того, выход схемы сравнения соединен с входом электронного ключа через широкополосный фильтр и триггер, а один из выходов реверсивного двоичного счетчика соединен с одним из входов порогового элемента с зоной неоднозначности, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра. Технический результат – повышение точности, расширение полосы пропускания акселерометра. 1 ил.

Акселерометр, содержащий чувствительный элемент, отклонение которого фиксируется датчиком угла, вход которого соединен с генератором опорного напряжения, датчик момента, соединенный с выходом электронного ключа, вход которого соединен с генератором тока, отрицательные обратные связи, компаратор, соединенный с входом схемы сравнения через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня, два ждущих синхронных генератора, реверсивный двоичный счетчик, суммирующий двоичный счетчик, выход которого соединен с одним из входов схемы сравнения, а вход соединен с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя уровня соединены с генератором вспомогательной частоты, отличающийся тем, что в него введены аналоговая отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход датчика момента через усилитель с насыщением и низкочастотный фильтр, дискретная отрицательная обратная связь с выхода датчика угла на вход компаратора через последовательно соединенные по информационным входам усилитель с насыщением, высокочастотный фильтр, пороговый элемент с зоной неоднозначности, интегратор, кроме того, выход схемы сравнения соединен с входом электронного ключа через широкополосный фильтр и триггер, а один из выходов реверсивного двоичного счетчика соединен с одним из входов порогового элемента с зоной неоднозначности, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра.