Компенсационный акселерометр

Изобретение предназначено для применения в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. Акселерометр содержит чувствительный элемент, датчик угла, датчик момента, положительную и отрицательную обратные связи, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей. В отрицательную обратную связь введены с выхода интегрирующего усилителя, вход которого соединен с выходом фазового детектора отрицательной обратной связи, на дополнительные входы ждущих синхронных генераторов последовательно по информационным входам управляемый релейный элемент и преобразователь уровня. Кроме того, в положительную обратную связь с выхода фазового детектора положительной обратной связи последовательно на дополнительный вход сумматора введены сглаживающий фильтр, блок управления динамической ошибкой и преобразователь напряжение-ток, а выход сумматора соединен с входом датчика момента. Введение в компенсационный акселерометр блока управления динамической ошибкой, управляемого релейного элемента и цифрового фильтра с большим быстродействием позволяет создать устройство с дискретным выходом, повышенной точности и расширенной полосой пропускания. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации и навигации. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения ускорений (патент РФ №2098833, МПК⁶ G01P 15/13, опубл. 10.12.97), содержащее чувствительный элемент, включающий в себя два неподвижных электрода и подвижную пластину, три усилителя, два резистора, при этом выход первого усилителя подключен к первому резистору, а вход второго усилителя соединен со вторым резистором и является выходом устройства. Для повышения помехоустойчивости, при воздействии электрических помех, в него введен источник опорного напряжения, генератор электрического сигнала, две транзисторные пары, три резистора, два конденсатора, позволяющих, за счет охвата усилителя отрицательной обратной связью, осуществлять компенсацию электрических помех.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления, с жесткой отрицательной обратной связью, ограничен условием устойчивости системы.

Наиболее близким по техническому решению является устройство (пат. RU 2308038, МПК⁷ G01P 15/13, опуб. 10.10.2007, бюл. №28), содержащее чувствительный элемент, датчик угла, усилитель, положительную обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь напряжение-ток, отрицательную интегрирующую обратную связь с выхода усилителя на вход датчика момента через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, интегрирующий усилитель, компаратор, первый ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания (ИЛИ), двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, при этом второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через второй ждущий синхронный генератор, и второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторыми входами схемы собирания и знакового переключателя, а выходы генератора опорного напряжения соединены с входами датчика угла, фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей, и выходы схемы синхронизации соединены с входами компаратора и ждущих синхронных генераторов, и в положительную обратную связь введены первое и второе дифференцирующие устройства в положительную обратную связь с выхода фазового детектора положительной обратной связи на вход преобразователя напряжение-ток через сумматор, входы которого соединены с выходами первого и второго дифференцирующих устройств, а вход второго дифференцирующего устройства соединен с выходом первого дифференцирующего устройства и выход схемы собирания (ИЛИ) является выходом цифрового кода устройства.

Недостатком подобного устройства является малая полоса пропускания.

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

Это достигается за счет того, что в компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик угла, выход которого с входом усилителя, датчик момента, положительную и отрицательную обратные связи, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей, входы которых соединены с выходом усилителя, и дополнительные входы датчика угла, фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей соединены с выходом генератора опорного напряжения, причем выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом интегрирующего усилителя, выходы пары ждущих синхронных генераторов соединены с входом двоичного умножителя через последовательно соединенные по информационным входам реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой и схему собирания, в отрицательную обратную связь введены с выхода интегрирующего усилителя на дополнительные входы ждущих синхронных генераторов последовательно по информационным входам управляемый релейный элемент и преобразователь уровня, причем дополнительные входы пары ждущих синхронных генераторов и управляемого релейного элемента соединены с выходом схемы синхронизации, а один из входов сумматора соединен с выходом двоичного умножителя через цифровой фильтр и знаковый переключатель, дополнительный вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика, являющегося цифровым выходом устройства, кроме того, в положительную обратную связь с выхода фазового детектора положительной обратной связи последовательно на дополнительный вход сумматора введены сглаживающий фильтр, блок управления динамической ошибкой и преобразователь напряжение-ток, и выход сумматора соединен с входом датчика момента.

Введение в компенсационный акселерометр обратных связей разных знаков, блока управления динамической ошибки, управляемого релейного элемента и цифрового фильтра обеспечивает расширение полосы пропускания, изменение динамической ошибки и повышение точности.

На фиг.1 изображена блок-схема компенсационного акселерометра; на фиг.2 - аналоговая структурная схема компенсационного акселерометра; на фиг.3 - переходные процессы в компенсационном акселерометре при различных значениях динамической ошибки.

Компенсационный акселерометр содержит чувствительный элемент 1, отклонение которого фиксирует датчик угла 2. Выход датчика угла 2 соединен с усилителем 3. Один из выходов усилителя 3 соединен с входом фазового детектора отрицательной интегрирующей обратной связи 4 (ФДООС), а другой выход усилителя 3 соединен с входом фазового детектора положительной обратной связи 5 (ФДПОС). Дополнительные входы датчика угла 2, ФДООС 4, ФДПОС 5 соединены с выходом генератора опорного напряжения 6 (ГОН). Выход ФДПОС 5 соединен с входом сглаживающего фильтра 7. Выход сглаживающего фильтра 7 соединен с входом блока управления динамической ошибки 8, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-ток 9. Выход преобразователя напряжение-ток 9 соединен с одним из входов сумматора 10. Выход ФДООС 4 соединен с входом интегрирующего усилителя 11, выход которого соединен с входом управляемого релейного элемента 12. Выход управляемого релейного элемента 12 соединен с входом преобразователя уровня 13, выходы преобразователя уровня 13 соединены с входами пары ждущих синхронных генераторов 14 и 15. Выходы ждущих синхронных генераторов 14 и 15 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 16, выход которого соединен с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 17. Выход преобразователя дополнительного кода в прямой 17 соединен с входом схемы собирания 18. Выход схемы собирания 18 соединен с входом двоичного умножителя 19. Выход двоичного умножителя 19, через цифровой фильтр 20, соединен с одним из входов знакового переключателя 21. Другой вход знакового переключателя 21 соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика 16. Выход знакового переключателя 21 соединен с входом сумматора 10 и выход сумматора 10 соединен с входом датчика момента 22. Дополнительные входы пары ждущих синхронных генераторов 14 и 15, также управляемого релейного элемента 12 соединены с выходом схемы синхронизации 23.

Внутреннее содержание ФДООС, ФДПОС, компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, схемы собирания, двоичного умножителя, знакового переключателя, схемы синхронизации приведены в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т.1-3, 1993.

Компенсационный акселерометр работает следующим образом. При действии ускорения W на чувствительный элемент 1, выполненный в виде маятника, действует инерционный момент. Под действием момента происходит отклонение чувствительного элемента 1, которое фиксируется датчиком угла 2, обмотки возбуждения которого соединены с выходом ГОН 6. Сигнал с датчика угла 2, после усиления усилителем 3, поступает на входы ФДООС 4 и ФДПОС 5. С помощью ФДПОС 5 и ГОН 6 выделяется фаза отклонения чувствительного элемента 1. На выходе ФДООС 4 сигнал будет в противофазе отклонения чувствительного элемента 1, а на выходе ФДПОС - 5 в фазе отклонения 1. Сигнал с выхода ФДПОС 5, в виде напряжения, поступает на вход сглаживающего фильтра 7. Выход фильтра 7 соединен с входом блока управления динамической ошибкой 8, в котором с помощью управляющего сигнала можно изменять коэффициент передачи в положительной обратной связи, а следовательно, параметры всего компенсационного акселерометра. Выходной сигнал с блока управления динамической ошибкой 8 поступает на вход преобразователя напряжение-ток 9, и после преобразования на один из входов сумматора 10. Сигнал с ФДООС 4 поступает на вход интегрирующего усилителя 11, сигнал с которого поступает на один из входов управляемого релейного элемента 12. В управляемом релейном элементе 12 происходит сравнение сигнала с выхода интегрирующего усилителя 11 с сигналом выделенного стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 23. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 11 будет больше треугольного напряжения с выхода 23, то на выходе управляемого релейного элемента 12 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе 12 низкий логический уровень. Уровень сигнала зависит от фазы отклонения чувствительного элемента 1. Сигналы с управляемого релейного элемента 12, в виде уровня, поступают на вход преобразователя уровня 13, а затем на входы пары ждущих синхронных генераторов 14 и 15, которые с помощью схемы синхронизации 23 выдают сигналы в виде импульса на каждое воздействие входящего сигнала (с выхода 12), равного "1". Реверсивный двоичный счетчик 16 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 14, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 15. Реверсивный двоичный счетчик 16 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде. Информация с реверсивного двоичного счетчика 16, равная разности числа "положительных" и "отрицательных" импульсов, переписывается в преобразователь дополнительного кода в прямой 17. И со схемы собирания 18, включенной на выход 17, переписывается в двоичный умножитель 19. Импульсы с двоичного умножителя 19 поступают на вход цифрового сглаживающего фильтра с большим быстродействием 20, а затем на вход знакового переключателя 21, срабатывание которого происходит по импульсу с реверсивного двоичного счетчика 16. Сигнал с выхода знакового переключателя 21 поступает на один из входов сумматора 10, а затем на вход датчика момента 22, который развивает момент, по модулю и знаку, и компенсирующий угловое отклонение 1, вызванное действием ускорения объекта. Выходная информация о величине и знаке действующего ускорения, в виде цифрового кода, выдается с выхода реверсивного двоичного счетчика 16.

Динамику работы предложенного компенсационного акселерометра можно пояснить с помощью передаточных функций (фиг.3). Передаточную функцию замкнутой системы компенсационного акселерометра запишется в виде

где T - постоянная времени чувствительного элемента компенсационного акселерометра, ζ - относительный коэффициент демпфирования, k1 - коэффициент передачи положительной обратной связи, k - коэффициент передачи чувствительного элемента и датчика угла в отрицательной обратной связи, s - оператор преобразования Лапласа.

В зависимости от значения (1-k1·k) можно получить компенсационный акселерометр с различной динамической ошибкой. Если обеспечить выполнение условия (1-k1·k)>0, то получим акселерометр с положительной динамической ошибкой (зависимость 1 на фиг.3), если выполнить условие (1-k1·k)=0, то передаточная функция компенсационного акселерометра, охваченного как положительной, так и отрицательной обратными связями запишется в виде

При выполнении условия (1-k1·k)=0 акселерометр обладает астатизмом по отклонению и нулевой динамической ошибкой (зависимость 2 на фиг.3). При выполнении условия (1-k1·k)<0 компенсационный акселерометр имеет отрицательную динамическую ошибку (зависимость 3 на фиг.3). Изменяя коэффициент передачи в положительной обратной связи (фиг.2), с помощью блока управления динамической ошибкой, можно получить компенсационный акселерометр с различными динамическими характеристиками. Для стабилизации параметров компенсационного акселерометра в положительную обратную связь введен сглаживающий фильтр с передаточной функцией , а в отрицательную обратную связь фильтр с передаточной функцией (где T1, T2 - постоянные времени, k2 - коэффициент передачи).

Введение в компенсационный акселерометр блока управления динамической ошибкой, управляемого релейного элемента и цифрового фильтра с большим быстродействием позволяет создать устройство с дискретным выходом, повышенной точности и расширенной полосой пропускания.

Компенсационный акселерометр, содержащий чувствительный элемент, датчик угла, выход которого соединен с входом усилителя, датчик момента, положительную и отрицательную обратные связи, фазовые детекторы положительной и отрицательной обратных связей, входы которых соединены с выходом усилителя, и дополнительные входы датчика угла, фазовых детекторов положительной и отрицательной обратных связей соединены с выходом генератора опорного напряжения, причем выход фазового детектора отрицательной обратной связи соединен с входом интегрирующего усилителя, выходы пары ждущих синхронных генераторов соединены с входом двоичного умножителя через последовательно соединенные по информационным входам реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой и схему собирания, отличающийся тем, что в отрицательную обратную связь введены с выхода интегрирующего усилителя на дополнительные входы ждущих синхронных генераторов последовательно по информационным входам управляемый релейный элемент и преобразователь уровня, причем дополнительные входы пары ждущих синхронных генераторов и управляемого релейного элемента соединены с выходом схемы синхронизации, а один из входов сумматора соединен с выходом двоичного умножителя через цифровой фильтр и знаковый переключатель, дополнительный вход которого соединен с одним из выходов реверсивного двоичного счетчика, являющегося цифровым выходом устройства, кроме того, в положительную обратную связь с выхода фазового детектора положительной обратной связи последовательно на дополнительный вход сумматора введены сглаживающий фильтр, блок управления динамической ошибкой и преобразователь напряжение-ток, и выход сумматора соединен с входом датчика момента.