Трехкомпонентный акселерометр Советский патент 1983 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к приборостроению и может найти применение j. в приборах инерциальной навигации,. Известен компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, расположенный в зазоре между двумя электромагнитами, обмотки соединены с выходами усилительно-пре образовательных блоков, датчик положения инерционного элемента, подклго.ценный ко входу блока динамической коррекции, блок суммирования и блок вычитания, одни- из входов которых подключены к источнику опорного сигнала, другие - к выходу блока динамической коррекции, блок индикации, .датчики индукции, чувствительные эле менты которых размещены в зазорах между инерционным элементом и соответствующим электромагнитом, два имтегратора и две схемы сравнения, при чем одни из входов схем сравнения соединены с соответствующими выходами блока суммирования и блока вычитания и с входами блока индикации, а выходы со входами интеграторов, выхо ды которых подключены к соответствующим входам усилительно-преобразовательных блоков 11. Недостатком известного компенсаци онного акселерометра является низкая точность измерения малых ускорений, связанная с- тем, что несмотря на низ кую относительную погрешность регули рования величины электродвижущей силы индукции (не более 0,01%) относительная величина погрешности измерения ускорения будет во столько раз больше во сколько раз абсолютная величина суммарной индукции в зазорах элек тромагнитое больше разности индукций в зазорах этйх электромагнитов, т.е. при замере максимального ускорения, когда инерционный элемент ляжет на полюс одного из электромагнитов, погрешность измерения ускорения будет не более 0,02% при снижении измеряемого ускорения в 10 раз погрешность возрастает до 0,2 при замере ускорения, составляющего 0,01 от мак симального, погрешность измерения увеличится до 2% и так далее, Известен также цифровой акселерометр, содержащий чувствительный элемент, усилитель, преобразователь напряжение-частота мультивибратор, триггеры, схемы совпадений, мостовой переключатель тока обратной связи, стабилизатор тока и магнитоэлектрический обратный преобразователь 2. Недостатком известного цифрового акселерометра является относительно низкая точность, обусловленная низкой точностью преобразователей сигнала в части замкнутого контура от преобразователе напряжение-частота до выхода магнитоэлектрического преоС5разоЕ ателя, Известно, что именно эта часть замкнутого контура определяет погрешность компенсационного акселерометра. Сигнал с преобразователя напряжение-частота преобразуется в импульсы постоянного интервала достаточно точно. Мостовой переключатель тока обратной связи и магнитоэлектрический обратный преобразователь управляют уровнями аналоговых сигналов и не могут работать с высокой томностью при изменении внешних условий и зазора в обратном преобразователе. Погрешность нелинейности характеристики магнитоэлектрического ,npeoбpaзo8ateля тока в электромагнитную силу, компенсирующую инерционную силу, может быть значительной при изменении зазора. Применение электромагнитного преобразователя в выше отмеченной схеме увеличивает погрешность акселерометра из-за остаточных электромагнитных явлений в магнитопроводах. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является трехкомпонентный акселерометр, содержащий инерционную массу,погруженную в демпфирую1иую жидкость, расположенные вокруг инерционной массы шесть датчиков усилия, представляющих собой электромеханические преобразователи, создаощие усилия на инерционную массу, шесть элементов трех датчиков перемещения, конструктивно являющихся частью датчиков усилия, три схемы управления, осуществляющих работу прибора по трем осям, каждая из которых включает в себя фильтрусилитель, обрабатывающий сигнал с датчика перемещения инерционной массы по одной оси,подключенный к нему фазомувстэительный демодулятор, логический блок, определяющий полярность выходного напряжения с фазочувствительного демодулятора и имеющий зану нечувствительности; электронный

ключ, осуществляющий пропускание импульсов с источника тактовых импульсов в зависимости от полярности выходного сигнала с логического блок переключатель, подающий с источника переменного напряжения импульсы постоянной энергии через конденсаторы в датчики усилия, и реверсивный счетчик импульсов С 3 3.

Недостатком известного трехкомпонентного акселерометра является низкая точность измерения ускорения, связанная с тем, что электромагнитная сила, компенсирующая инерционную силу, пропорциональную измеряемому ускорению, определяется по каждой оси разностью двух электромагнитных сил, созданных двумя неточными датчиками усилия. Относительная погрешность каждого датчика усиЛИЯ определяется нелинейностью зависимости средней электромагнитной силы датчика усилия от числа тактовых импульсов, поданных в канал электронного ключа схемы управления, связанной с тем, что в датчике усилия импульсы постоянной энергии не преобразуются в импульсы электромагнитной силы постоянной величины при изменении зазора между полюсом датчика усилия и инерционной массой, а также при изменении параметров датчика усилия, вызванных изменением тe « epaтypы и старением элементов. В то же время ускорение, определяемое по разности чисел тактовых импульсов, поданных в каналы электроного ключа, будет вычислено в известном трехкомпонентном акселерометре с относительной погрешностью во столько раз большей относительной погрешности каждого канала, во сколько раз суммарная электромагнитная сила двух противоположных датчиков усилия больше разности электрома - нитных сил этих датчиков.

Целью изобретения является повышение точности измерения ускорения.

Указанная цель достигается тем, что в трехкомпонентном акселерометре содержащем инерционную массу, датчик перемещения и датчики силы, расположенные вокруг инерционной массы попарно по трем перпендикулярным осям, три схемы управления, каждая из которых включает фильтр-усилитель, фазочувствительный демодулятор, логический блок, электронный ключ, источник переменного напряжения, подключенный к фазочувствительному демодулятору и электронному ключу, и счетчик импульсов, причем вход фазочувствительного демодулятора посоединен к соответствующим датчикам перемещения через фильтр-усилитель, а выходы логического блока - к перв управляющим входам электронного ключа, в каждую схему управления введены два регулятора индукции, блок динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор, формирователь строба постоянной длительности и блок индикации, при этом выход каждого регулятора индукции соединен с соответствующим датчиком силы, а вход - с соответствующим входом электронного ключа, блок динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор и формирователь строба постоянной длительности соединены последовательно, вход блока динамической коррекции соединен с выходом фазочувствительного демодулятора, выход - с входами логического блока и частотно-импульсного модулятора, выход которого соединен с входами счетчика импульсов и формирователя строба постоянной длительности, выход последнего подсоединен ко второму управляющему входу электронного ключа, а входы блока индикации - к выходам логического блока и счетчика импульсов.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема трехкомпонентного акселерометра; на фиг. 2 - функциональная схема одного канала трехкомпонентного акселерометра. I

Трехкомпонентный акселерометр содержит инерционную массу 1, расположенные вокруг инерционной массы шесть датчиков 2 силы, представляющих собой электромеханические пр еобразователи, шесть элементов 3 трех датчиков перемещения, конструктивно являющихся частью датчиков силы, три схемы управления, каждая из которых включает в себя два регулятора k индукции, фильтр-усилитель

5,фазочувствительный демодулятор

6,блок 7 динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор 8, формирователь 9 строба постоянной длительности, логический блок 10, электронный ключ 11, источник 12 гч ременного напряжения, счетчик 13 импульсов и блок индикации, примем регуляторы k индукции, нагружен ные датчиками 2 силы, подключены к источнику 12 переменного напряжения через электронный ключ 11, датчик 3 перемещения, фильтр-усилитель 5, фазочувствительный демодулятор 6 блок 7 динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор 8 и фор мирователь 9 строба постоянной длительности включены последовательно, вход логического блока 10 подключен к выходу блока 7 динамической коррекции, первые управляющие входы электронного ключа 11 - к выходам логического блока 10, второй управляющий вход ключа 11 - к выходу фор мирователя 9 строба постоянной длительности, вход счетчика 13 импульсов - к выходу частотно-импульсного модулятора 8, входы блока индикации - к выходам логического блока 10 и выходу счетчика 13 импульсов. Трехкомпонентный акселерометр ра ботает следующим образом. При отсутствии ускорения инерционная масса 1 находится а среднем положении относительно датчиков 2 силы. Сигнал с пар элементов 3 задатчика перемещения, конструктивно являющихся частью силы, вычитаются друг из друга, результирующие сигналы датчиков перемещения равны нулю. Датчики силы и конструктивно связанные с ними, датчики перемещения запитаны небольшим переменным напряжением с регуляторо k индукции. Небольшие величины индукции а зазорах между датчиками силы и инерционной массой стабилизируются регуляторами индукции, выполненными по замкнутой схеме, так что суммарная электромагнитная сила действующая на инерционную массу, равна нулю. В каждой электронной схеме управления нулевой сигнал не запускает частотно-импульсный модул тор 8, а формирователь 9 строба пс стоянной длительности и логический блок 10 имеют на выходах напряжения соответствующие логическому нулю. В этом случае электронный ключ 11 подает на регуляторы t индукции низкий уровень напряжения с источника 12 переменного напряжения. Со сч чика 13 импульсов снимаются, дешиф.рируются и индицируются индикатором 1 сигналы, соответствующие нулевому ускорению. При действии ускорения, например, по оси У, инерционная масса 1 смещается вправо от среднего положения (фиг. 2). Зазор между левым датчиком 2 силы и инерционной массой 1 увелиЧ1®ается, а между правым датчиком силы и инерционной массой уменьшается. Сигналы с элементов 3 датчика перемещения, вычитаясь друг из друга, дают результирующее переменное напряжение не равное нулю. Это напряжение усиливается фильтром-усилителем 5 и преобразуется в постоянное напряжение, например, положительной полярности фазочувствительным демодулятором 6, а блок динамической коррекции вводит производную из изменения величины напряжения в структуру сигнала и тем самым формирует необходимые динамические характеристики в системе стабилизации зазоров между датчиками 2 силы и инерционной массой 1. Частотно-импульсный модулятор, независимо от полярности сигнала на входе, вырабатывает импульсы с частотой, пропорциональной величине входного сигнала, а генератор 9 строба постоянной длительности формирует строб на каждый или через определенное число импульсов, поданных с частотно-импульсного модулятора. Логический блок 10 определяет знак выходного напряжения с блока динамической коррекции и в рассматриваемом случае работы прибора подает в левый канал электронного ключа II напряжение, соответствующее логической единице. 8 случае прихода на ключ 11 строба с генератора 9 строба постоянной длительности, одновременно с логической единицей с логического блока 10, левый канал ключа пропускает высокий уровень напряжения с источника 12 переменного напряжения на левый регулятор индукции, который стабилизирует высокий заданный уровень индукции в зазоре между левым датчиком 2 силы и инерционной массой 1. В этом случае будет сформирован точный импульс силы. Частота следования импульсов силы пропорциональна выходной частоте частотноимпульсного модулятора, тогда средняя электромагнитная сила, сформированная левым датчиком силы будет пропорциональна выходной частоте частотно-импуяьсного. модулятора, электромагнитная сила левого датчика силы скомпенсирует инерционную силу, пропорциональную измеряемому ускорению следовательно выходная частота частотно-импульсного модулятора будет пропорциональна измеряемому ускорению. При постоянном действующем ускорении инерционная масса будет находиться в смещенном положении отнбсительно среднего, и величина смещения тем меньше, чем больш коэффициент усиления разомкнутого контура системы стабилизации зазоров между датчиками силы и инерционной массой. Зтот коэффициент усиления увеличивается -за счет того, что при подаче высокого уровня напряжения в левый датчик силы 2 увеличивается выходной сигнал с левого элемента 3 датчика перемещения, конструктивно являющегося частью датчика силы. Счетчик 13 импульсов подсчитывает число импульсов , выработанных частотно-импульсным модулятором 8 за некоторый промежуток времени, а блок I индикации дешифрирует и индицирует эту информацию в единицах ускорения, причем знак ускорения определяется дешифрированием сигналов с логического блока 10. Точность измерения ускорения определяется точностью стабилизации амплитуды и длительности им1 пульса силы, соответствием числа импульсов силы числу импульсов на выходе частотно-импульсного модулятора

и точностью подсчета числа этих импульсов. Постоянные во ,всем диапазоне измеряемых ускорений аналоговые характеристики импульса силы ( амплитуда, длительность J, задаются с высокой точностью, значительно больI шей чем переменные характеристики в известных устройствах. Импульсная и цифровая части электронных схем

отличаются более высокой точностью и в значительно меньшей степени влияют на точность измерения ускорения Поэтому точность трехкомпонентного акселерометра будет определяться

точностью стабилизации постоянной амплитуды и постоянной длительности импульса силы и на основании изложенного будет более высокой, чем точность измерения ускорения в известных устройствах.

Таким образом, предложенный трехкомпонентный акселерометр обеспечивает увеличение точности измерения ускорения за счет компенсации инер|ционной силы, пропорциональной измеряемому ускорению, электромагнитной силой в виде последовательности импульсов силы постоянной длительности, стабилизированной амплитуды и формы,

сформированных датчиком, силы, выбранным логическим блоком, причем средняя величина электромагнитной силы пропорциональна частоте импульсов частотно-импульсного модулятора,

по которой определяется величина измеряемого ускорения.

фиг.

ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий инерционную массу, датчики перемещения и датчики силы,расположенные вокруг инерционной массы попарно по трем перпендикулярным осям, три схемы управления, каждая из которых включает фильтрусилитель, фазочувствительный демодулятор, логический блок, электронный ключ, источник переменного напряжения, подключенный к фазочувствительному демодулятору и электронному ключу, и счетчик импульсов, причем вход фазочувствительного демодулятора подсоединен к соответствующим датчикам перемещения через фильтр-усилитель, выходы логического блока - к первым управляющим входам электронного ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в каждую схему управления введены два регулятора индукции, блок динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор, формирователь строба постоянной длительности и блок индикации, при этом выход каждого регулятора индукции соединен с соответствующим датчиком силы, а вход - с соответствующим входом электронного ключа, с S блок динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор и форми(Л рователь строба постоянной длительности соединены последовательно, с: вход блока динамической коррекции соединен с выходом фазочувствительного демодулятора, выход - с входами логического блока и частотно-импульсного модулятора, выход котороо го соединен с входами счетчика им4 пульсов и формирователя строба постоСО .4; оо ю янной длительности, выход последнего подсоединен ко второму управляющему входу электронного ключа, а входы- блока индикации - к выходам логического блока и счетчика импульсов.