RU2818692C1

RU2818692C1 - Accelerometer

Info

Publication number: RU2818692C1
Application number: RU2024103128A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вениаминович Кулешов; Лев Викторович Кузовлев; Николай Львович Коржук; Всеволод Николаевич Коржук; Ирина Евгеньевна Первак
Filing date: 2024-02-07
Publication date: 2024-05-03

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: invention, an accelerometer, is intended for use as an element in stabilization and navigation systems and in medicine. Accelerometer includes analogue negative feedback from the output of the angle sensor to the input of the torque sensor through the first integrator, amplifier with saturation, broadband filter, output of amplifier with saturation is connected to threshold element with ambiguity zone, in feedback of which differentiating filter and second integrator are included, discrete negative feedback from the output of the threshold element with the ambiguity zone to the input of the comparator, the output of the reverse binary counter is the digital output of the accelerometer. Introduction of analogue and discrete negative feedbacks into the accelerometer makes it possible to implement the mode of stable self-oscillations, increase the transmission coefficient along the open circuit, increase the measurement accuracy and expand the pass band.

EFFECT: high accuracy and wider bandwidth.

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.An accelerometer is known (AS No. 742801, published in Bulletin No. 23, 1980), containing a sensing element, an angle sensor, an integrating feedback amplifier, a torque sensor, an additional integrating amplifier, an electronic key, and a threshold element. Moreover, the first output of the angle sensor is connected through an integrating feedback amplifier to the torque 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 key.

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 gain with strict negative feedback is limited by the condition of system stability. The accuracy of the accelerometer depends on the integrating analog amplifiers, threshold element and electronic key included in the feedback. The main error is associated with the finite charging time of the capacitor of the integrating amplifier. This error leads to the aperture error inherent in such a sampling and processing scheme.

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 функциейThe closest technical solution is a compensation accelerometer for measuring accelerations (RF patent No. 2513667 C1, G01P 15/13, published in Bulletin No. 11, 04/20/2014), containing a sensitive element, the angular position of which is fixed by an angle sensor, amplifier, 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, a level converter, two standby synchronous generators, a reversing binary counter, a comparison circuit, a trigger, an electronic a switch, the input of which is connected to the output of the current generator, a 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, a 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, a reversing binary counter are connected to the auxiliary frequency generator, local negative feedback is introduced from the output of the amplifier to the input of the phase detector of negative feedback through an adder, a threshold element, an integro-differentiating link with a transfer unit connected in series along the information inputs function

(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 (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 transfer coefficient and the time constant of the delay link) and the output of the negative feedback phase detector is connected to the input of the comparator through a differentiating link with a transfer function

(где Т₁>Т₂, постоянные времени звена запаздывания), и выход реверсивного двоичного счетчика является цифровым выходом компенсационного акселерометра. (where T ₁ >T ₂ are the time constants of the delay link), and the output of the upstream binary counter is the digital output of the compensation accelerometer.

Недостатком компенсационного акселерометра является малая полоса пропускания и невысокая точность измерения.The disadvantage of a compensation accelerometer is its low 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 increase 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 первый интегратор, усилитель с насыщением, широкополосный фильтр, выход усилителя с насыщением соединен с пороговым элементом с зоной неоднозначности, в обратную связь которого включены дифференцирующий фильтр и второй интегратор, дискретная отрицательная обратная связь с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 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 recorded by an angle sensor, the input of which is connected to a reference voltage generator, a torque sensor connected to the output of an electronic key, the input of which is connected to a current generator, negative feedback, a comparator connected to input of the comparison circuit through a level converter connected in series across the information inputs, two waiting synchronous generators, a reversing binary counter, a summing 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, analog negative feedback is introduced from the output of the angle sensor to the input of the torque sensor through the first integrator, an amplifier with saturation, a wideband filter, the output of the amplifier with saturation is connected to a threshold element with an ambiguity zone, the feedback of which includes a differentiating filter and a second integrator, discrete negative feedback from the output of a threshold element with an ambiguity zone 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 reversible binary counter is digital accelerometer output.

Введение в акселерометр усилителя с насыщением, интегрирующих отрицательных обратных связей, содержащих пороговый элемент с зоной неоднозначности, широкополосного фильтра, позволило реализовать режим устойчивых автоколебаний, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, повысить точность измерения и расширить полосу пропускания.The introduction of a saturation amplifier into the accelerometer, integrating negative feedback containing a threshold element with an ambiguity zone, and a broadband filter, made it possible to implement a stable self-oscillation mode, a significant open-loop transmission coefficient, increase the measurement accuracy and expand the bandwidth.

На фиг. изображена функциональная схема акселерометра.In fig. 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. Выходдатчика угла 2 соединен с входом первого интегратора 4, выход которого соединен с входом усилителя с насыщением 5. Один из выходов усилителя с насыщением 5 соединен с входом порогового элемента с зоной неоднозначности 6. Один из выходов порогового элемента с зоной неоднозначности 6 соединен с одним из входов порогового элемента с зоной неоднозначности 6 через последовательно соединенные по информационным входам дифференцирующий фильтр 7 и второй интегратор 8. Дифференцирующий фильтр 7 и второй интегратор 8 включены в отрицательную обратную связь порогового элемента с зоной неоднозначности 6. Другой выход порогового элемента с зоной неоднозначности 6 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 одним из входов схемы сравнения 14. Другой вход схемы сравнения 14 соединен с выходом суммирующего двоичного счетчика 15. Выход схемы сравнения 14 соединен с входом высокочастотного фильтра 16, выход которого соединен с входом триггера 17. Выход триггера 17 соединен с одним из входов электронного ключа 18. Другой вход электронного ключа 18 соединен с выходом генератора тока 19. Выход электронного ключа 18 соединен с одним из входов датчика момента 20. Другой вход датчика момента 20 соединен с выходом усилителя с усилителя с насыщением 5 через широкополосный фильтр 21. Датчик момента 20 соединен кинематически с чувствительным элементом 1. Дополнительные входы компаратора 9, преобразователя уровня 10, ждущих синхронных генераторов 11 и 12, реверсивного двоичного счетчика 13, суммирующего двоичного счетчика 15 соединены с выходами генератора вспомогательной частоты 22. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 является цифровым выходом акселерометра.The accelerometer contains a sensitive element 1, the angular deviation of which is recorded by an 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 first integrator 4, the output of which is connected to the input of the amplifier with saturation 5. One of The outputs of the amplifier with saturation 5 are connected to the input of the threshold element with an ambiguity zone 6. One of the outputs of the threshold element with an ambiguity zone 6 is connected to one of the inputs of the threshold element with an ambiguity zone 6 through a differentiating filter 7 and a second integrator 8 connected in series along the information inputs. filter 7 and the second integrator 8 are included in the negative feedback of the threshold element with the ambiguity zone 6. The other output of the threshold element with the ambiguity zone 6 is connected to the input of the comparator 9, the output of which is connected to the input of the level converter 10, the outputs of which are connected to the inputs of two waiting synchronous generators 11 and 12. The outputs of the waiting synchronous generators 11 and 12 are connected to the inputs of the reversing binary counter 13. The output of the reversing binary counter 13 is connected to one of the inputs of the comparison circuit 14. The other input of the comparison circuit 14 is connected to the output of the summing binary counter 15. The output of the comparison circuit 14 connected to the input of the high-frequency filter 16, the output of which is connected to the input of the trigger 17. The output of the trigger 17 is connected to one of the inputs of the electronic key 18. The other input of the electronic key 18 is connected to the output of the current generator 19. The output of the electronic key 18 is connected to one of the inputs of the torque sensor 20. Another input of the torque sensor 20 is connected to the output of the amplifier from the amplifier with saturation 5 through a broadband filter 21. The torque sensor 20 is kinematically connected to the sensitive element 1. Additional inputs of the comparator 9, level converter 10, waiting synchronous generators 11 and 12, reversible binary counter 13, the summing binary counter 15 is connected to the outputs of the auxiliary frequency generator 22. The output of the reversing binary counter 13 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 circuit design. M.: Mir, vol. 1-3, 1993, N.T. Kuzovkov. Dynamics of automatic control systems. M.: Mechanical Engineering, 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 интегрирования в первом интеграторе 4, поступает на вход усилителя с насыщением 5. Сигнал с выхода усилителя с насыщением 5 поступает на вход порогового элемента с зоной неоднозначности 6, в отрицательную обратную связь которого, ведены дифференцирующий фильтр 7 и второй интегратор 8. Напряжение с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 6 поступает на вход компаратора 9, где происходит сравнение сигнала с напряжением, поступающим с выхода генератора вспомогательной частоты 22. Если сигнал с выхода порогового элемента с зоной неоднозначности 6 будет больше треугольного напряжения с выхода генератора вспомогательной частоты 22, 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 22, выдают сигналы в виде импульса, на каждое воздействие входного сигнала (с выхода преобразователя уровня 10) равного ”1”. Реверсивный двоичный счетчик 13 производит подсчет 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 - вдополнительном коде, и преобразование дополнительного кода осуществляется схемой сравнения 14 и суммирующим двоичным счетчиком 15. После логического сравнения сигналов в схеме сравнения 14, сигнал с выхода схемы сравнения 14 поступает на вход высокочастотного фильтра 16, а затем на вход триггера 17. Выходной сигнал с триггера 17, в виде уровня, поступает на вход электронного ключа 18. Стабилизация параметров электронного ключа 18 осуществляется генератором тока 19. На выходе электронного ключа 18 будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы сравнения 14. На токовую обмотку датчика момента 20 поступают сигналы с выхода электронного ключа 18 со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 13 и с выхода усилителя с насыщением 5 через широкополосный фильтр 21. Датчик момента 20 компенсирует угловое отклонение чувствительного элемента 1, вызванное действием ускорения. Выход реверсивного двоичного счетчика 13 является цифровым выходом акселерометра.The accelerometer works as follows. Under acceleration, the deviation of the sensitive element 1 is recorded by the angle sensor 2, the excitation windings of which are connected to the output of the reference voltage generator 3. The signal from the angle sensor 2, after integration in the first integrator 4, is fed to the input of the amplifier with saturation 5. The signal from the output of the amplifier with saturation 5 is supplied to the input of the threshold element with an ambiguity zone 6, into the negative feedback of which a differentiating filter 7 and a second integrator 8 are introduced. The voltage from the output of the threshold element with an ambiguity zone 6 is supplied to the input of the comparator 9, where the signal is compared with the voltage supplied from the output of the auxiliary frequency generator 22. If the signal from the output of the threshold element with ambiguity zone 6 is greater than the triangular voltage from the output of the auxiliary frequency generator 22, then the output of comparator 9 will be a high logical level, if less, then the output of comparator 9 will be a low logical level . The level of the signal from the output of the comparator 9 depends on the deflection phase of the sensitive element 1. The signal from the output of the comparator 9, in the form of a level, is supplied to the input of the level converter 10, and then to the inputs of the waiting synchronous generators 11 and 12, which, with the help of the auxiliary frequency generator 22 , produce signals in the form of a pulse for each impact of the input signal (from the output of the level converter 10) equal to “1”. The reversible binary counter 13 counts single pulses arriving from the output of the waiting synchronous generator 11, and subtracts the pulses coming from the output of the waiting synchronous generator 12. The reversing binary counter 13 represents positive information in the direct code, and negative information in the complementary code, and the conversion of the complementary code is carried out comparison circuit 14 and a summing binary counter 15. After a logical comparison of the signals in the comparison circuit 14, the signal from the output of the comparison circuit 14 is supplied to the input of the high-frequency filter 16, and then to the input of the trigger 17. The output signal from the trigger 17, in the form of a level, is supplied to input of the electronic key 18. Stabilization of the parameters of the electronic key 18 is carried out by a current generator 19. At the output of the electronic key 18 there will be pulses, the number of which is proportional to the binary code arriving at the input of the comparison circuit 14. The current winding of the torque sensor 20 receives signals from the output of the electronic key 18 with the sign digit of the reversing binary counter 13 and from the output of the amplifier with saturation 5 through the broadband filter 21. The torque sensor 20 compensates for the angular deviation of the sensing element 1 caused by the action of acceleration. The output of the up/down binary counter 13 is the digital output of the accelerometer.

Введение в акселерометр аналоговых 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 a stable self-oscillation mode, increase the open-loop transmission coefficient, increase the accuracy of measurements and expand the bandwidth.

Claims

An accelerometer containing a sensitive element, the deviation of which is recorded by an angle sensor, the input of which is connected to a reference voltage generator, a torque sensor connected to the output of an electronic key, the input of which is connected to a current generator, negative feedback, a comparator connected to the input of the comparison circuit through series-connected for information inputs, a level converter, two waiting synchronous generators, a reversing binary counter, a summing 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 synchronous generators, a reversing binary counter, the level converter is connected to an auxiliary frequency generator, characterized in that it contains analog negative feedback from the output of the angle sensor to the input of the torque sensor through the first integrator, an amplifier with saturation, a wideband filter, the output of the amplifier with saturation is connected to a threshold element with an ambiguity zone, the feedback of which includes a differentiating filter and a second integrator, discrete negative feedback from the output of a threshold element with an ambiguity zone 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 reversible binary counter is digital accelerometer output.