RU2793845C1

RU2793845C1 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2793845C1
Application number: RU2023100130A
Authority: RU
Inventors: Николай Львович Коржук; Владимир Вениаминович Кулешов; Лев Викторович Кузовлев
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-04-07

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: accelerometer has an analog negative feedback from the output of the angle sensor to the input of the torque sensor through an amplifier with saturation, the first low-pass filter, the integrator and the second low-frequency filter, discrete negative feedback from the output of the integrator to the input of the comparator, in addition, the output of the comparison circuit is connected to the input of the electronic key through a high-frequency filter and a trigger, and the output of the reverse binary counter is the digital output of the accelerometer.

EFFECT: broadening the bandwidth of the accelerometer and improving the measurement accuracy.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах компенсационного типа в системах стабилизации, навигации, наведения и медицине.The invention relates to measuring technology and is intended for use in compensation type devices in stabilization, navigation, guidance and medicine systems.

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. 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.Known accelerometer (A.S. No. 742801, publ. in Bull. Invention No. 23, 1980) containing a sensitive element, an angle sensor, an integrating feedback amplifier, a torque sensor, an additional integrating amplifier, an electronic key, a threshold element. Moreover, the first output of the angle sensor is connected through an integrating feedback amplifier to the moment sensor, and the second output of the angle sensor, through a threshold element and an additional integrating amplifier, to the control input of the electronic switch.

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 связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя. Эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.The disadvantage of the accelerometer is the low measurement accuracy, since the choice of the gain with hard negative feedback is limited by the system stability condition. The accuracy of the accelerometer depends on the integrating analog amplifiers, the threshold element and the electronic key included in the feedback. The main error is related to the finiteness of the charge time of the capacitor of the integrating amplifier. This error leads to the aperture error inherent in such a scheme for sampling and information processing.

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, 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 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 Т₁>Т₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра.The closest in technical solution is a compensation accelerometer for measuring accelerations (RF patent No. 2513667 C1, G01P 15/13, published in bull. No. 11, 04/20/2014), containing a sensitive element, the angular position of which is fixed by an angle sensor, an amplifier, an input which is connected to the output of the angle sensor, a phase detector of negative feedback, integrating negative feedback from the output of the comparator to the input of the torque sensor through a comparator connected in series through the information inputs, a level converter, two standby synchronous generators, a reversible binary counter, a comparison circuit, a trigger, an electronic switch, the input of which is connected to the output of the current generator, the summing binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, and the input, to the output of the auxiliary frequency generator, the reference voltage generator, the outputs of which are connected to the inputs of the angle sensor and the negative feedback phase detector , additional inputs of the comparator, waiting for synchronous generators, reversible binary counter are connected to the auxiliary frequency generator, local negative feedback is introduced from the amplifier output to the input of the negative feedback phase detector through an adder, a threshold element, an integro-differentiating link with a transmission function

(where T ₁ <T ₂ , time constants) and one of the inputs of the adder is connected to the output of the integro-differentiating link through a delay link with a transfer function

(where K and T are the gain and time constant of the delay link) and the output of the negative feedback phase detector is connected to the input by a comparator through a differentiating link with a transfer function

(where T ₁ >T ₂ , the time constants of the delay link), and the output of the reverse binary counter is the digital output of the compensation accelerometer.

Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.The disadvantage of the compensation accelerometer is a small bandwidth and low measurement accuracy.

Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы пропускания акселерометра и повышение точности измерения.The technical objective of the present invention is to expand the bandwidth of the accelerometer and improve the measurement accuracy.

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, 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 соединен с выходом генератора вспомогательной частоты, дополнительные входы компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя уровня 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, и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом акселерометра.This is achieved by the fact that in an accelerometer containing a sensitive element, the deviation of which is fixed by an angle sensor, the input of which is connected to the reference voltage generator, a torque sensor connected to the output of an electronic key, the input of which is connected to the current generator, negative feedback, a comparator connected to by the input of the comparison circuit through a level converter connected in series through the information inputs, two waiting synchronous generators, a reversible binary counter that sums up the binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, and the input is connected to the output of the auxiliary frequency generator, additional inputs of the comparator waiting for synchronous generators, a reversible binary counter, a level converter are connected to an auxiliary frequency generator, an analog negative feedback is introduced from the output of the angle sensor to the input of the torque sensor through an amplifier with saturation, the first low-frequency filter, an integrator and a second low-frequency filter, discrete negative feedback from the output of the integrator to the input of the comparator, in addition, the output of the comparison circuit is connected to the input of the electronic key through a high-pass filter and a trigger, and the output of the reversible binary counter is the digital output of the accelerometer.

Введение в акселерометр отрицательных обратных связей, одна из которых содержит усилитель с насыщением, а другая высокочастотный фильтр и триггер позволило реализовать режим устойчивых автоколебаний, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.The introduction of negative feedbacks into the accelerometer, one of which contains an amplifier with saturation, and the other a high-frequency filter and a trigger, made it possible to implement a stable self-oscillation mode, a significant open-loop transmission coefficient, improve the measurement accuracy and expand the bandwidth.

На чертеже изображена функциональная схема акселерометра.The drawing shows a functional diagram of the accelerometer.

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 первого низкочастотного фильтра 5, выход которого соединен с входом интегратора 6. Один из выходов интегратора 6 соединен с входом второго низкочастотного фильтра 7. Другой выход интегратора 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 высокочастотного 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 выходом второго низкочастотного фильтра 7. 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. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является цифровым выходом акселерометра.The accelerometer contains a sensitive element 1, the angular deviation of which is fixed by the angle sensor 2. One of the inputs of the angle sensor 2 is connected to the output of the reference voltage generator 3. The output of the angle sensor 2 is connected to the input of the amplifier with saturation 4. The output of the amplifier with saturation 4 is connected to the input of the first low-frequency filter 5, the output of which is connected to the input of the integrator 6. One of the outputs of the integrator 6 is connected to the input of the second low-pass filter 7. The other output of the integrator 6 is connected to the input of the comparator 8, the output of which is connected to the input of the level converter 9, the outputs of which are connected to the inputs of two waiting synchronous generators 10 and 11. The outputs of the waiting synchronous generators 10 and 11 are connected to the inputs of the reversible binary counter 12. The output of the reversible binary counter 12 is connected to the input of the comparison circuit 13. The other input of the comparison circuit 13 is connected to the output of the summing binary counter 14. The output of the comparison circuit 13 connected to the input of the high-frequency filter 15, the output of which is connected to the input of the trigger 16. The output of the trigger 16 is connected to one of the inputs of the electronic key 17. The other input of the electronic key 17 is connected to the output of the current generator 18. The output of the electronic key 17 is connected to one of the inputs of the torque sensor 19. Another input of the torque sensor 19 is connected to the output of the second low-frequency filter 7. The torque sensor 19 is kinematically connected to the sensing element 1. Additional inputs of the comparator 8, the level converter 9, the waiting synchronous generators 10 and 11, the reversible binary counter 12, the summing binary counter 14 connected to the outputs of the auxiliary frequency generator 20. The output of the reverse binary counter 12 is the digital output of the accelerometer.

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.The elements included in the functional diagram of the accelerometer are given in the books: P. Horowitz, W. Hill. The art of circuitry. M.: Mir, vol. 1-3, 1993, N.T. Kuzovkov. Dynamics of automatic control systems. M.: Mashinostroenie, 1968, p. - 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 первого низкочастотного фильтра 5, а затем на вход интегратора 6. Один из выходов интегратора 6 соединен через второй низкочастотный фильтр 7 с входом датчика момента 19. Напряжение с выхода интегратора 6 поступает на вход компаратора 8. В компараторе 8 происходит сравнение сигнала с выхода интегратора 6 с сигналом, выделенного из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода генератора вспомогательной частоты 20. Если сигнал с выхода интегратора 6 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 - 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 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 высокочастотного 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 второго низкочастотного фильтра 7. Датчик момента 19 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1. Выход реверсивного двоичного счетчика 12 является цифровым выходом акселерометра.The accelerometer works as follows. Under the action of acceleration, the deviation of the sensitive element 1 is fixed by the angle sensor 2, the windings, the excitation of which is connected to the output of the reference voltage generator 3. The signal from the angle sensor 2, after amplification by the saturation amplifier 4, is fed to the input of the first low-frequency filter 5, and then to the input integrator 6. One of the outputs of the integrator 6 is connected through the second low-frequency filter 7 to the input of the torque sensor 19. The voltage from the output of the integrator 6 is fed to the input of the comparator 8. In the comparator 8, the signal from the output of the integrator 6 is compared with the signal extracted from the stable frequency and the amplitude of the signal from the output of the auxiliary frequency generator 20. If the signal from the output of the integrator 6 is greater than the triangular voltage from the output of the auxiliary frequency generator 20, then the output of the comparator 8 will be a high logic level, if less, then the output of the comparator 8 will be a low logic level. The signal level from the output of the comparator 8 depends on the phase of the deviation of the sensitive element 1. The signal from the output of the comparator 8, in the form of a level, is fed to the input of the level converter 9, and then to the inputs of the waiting synchronous generators 10 and 11, which, using the auxiliary frequency generator 20 , give out signals in the form of a pulse, for each impact of the input signal (from the output of the level converter 9) equal to "1". The reversible binary counter 12 counts single pulses coming from the output of the waiting synchronous generator 10, and subtracts the pulses coming from the output of the waiting synchronous generator 11. The reversible binary counter 12 represents positive information in the direct code, and negative information in the additional code, and the conversion of the additional code is carried out comparison circuit 13 and a summing binary counter 14. After a logical comparison of the signals in the comparison circuit 13, the signal from the output of the comparison circuit 13 is fed to the input of the high-frequency filter 15, and then to the input of the trigger 16. The output signal from the trigger 16, in the form of a level, is fed to input of the electronic key 17. The stabilization of the parameters of the electronic key 17 is carried out by the current generator 18. The output of the electronic key 17 will be pulses, the number of which is proportional to the binary code input to the comparison circuit 13. The current winding of the torque sensor 19 receives signals from the output of the electronic key 17 from the sign of the sign bit of the reversible binary counter 12 and from the output of the second low-pass filter 7. The torque sensor 19 compensates for the angular deviation of the sensing element 1. The output of the reversible binary counter 12 is the digital output of the accelerometer.

Введение в акселерометр аналоговой и дискретной отрицательных обратных связей позволяет реализовать режим устойчивых автоколебаний, повысить коэффициент передачи по разомкнутому контуру, увеличить точность измерений и расширить полосу пропускания.The introduction of analog and discrete negative feedback into the accelerometer makes it possible to implement the mode of stable self-oscillations, increase the open-loop transmission coefficient, increase the measurement accuracy, and expand the bandwidth.

Claims

An accelerometer containing a sensitive element, the deviation of which is fixed by an angle sensor, the input of which is connected to the reference voltage generator, a torque sensor connected to the output of an electronic key, the input of which is connected to the current generator, negative feedback, a comparator connected to the input of the comparison circuit through serially connected by information inputs, a level converter, two waiting synchronous generators, a reversible binary counter that sums up a binary counter, the output of which is connected to one of the inputs of the comparison circuit, and the input is connected to the output of an auxiliary frequency generator, additional inputs of a comparator, waiting synchronous generators, a reversible binary counter, the level converter is connected to an auxiliary frequency generator, characterized in that it has an analog negative feedback from the output of the angle sensor to the input of the torque sensor through an amplifier with saturation, the first low-frequency filter, the integrator and the second low-frequency filter, discrete negative feedback from the output of the integrator to the input of the torque sensor. the input of the comparator, in addition, the output of the comparison circuit is connected to the input of the electronic key through a high-frequency filter and a trigger, and the output of the reversible binary counter is the digital output of the accelerometer.