Компенсационный акселерометр с дискретным выходом

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке современных прецизионных акселерометров. Сущность: акселерометр содержит чувствительный элемент с датчиком силы и датчиком смещения, усилительно-преобразующий блок, блок изменений масштабного коэффициента, командное устройство и коммутатор. При этом блок изменения масштабного коэффициента выполнен в виде усилителя постоянного тока с цепочкой последовательно включенных резисторов на его входе и параллельно включенными резисторами в цепи обратной связи. К выходу усилителя параллельно подключена цепочка параллельно соединенных резисторов, а последовательно - обмотка датчика силы через цепочку параллельно соединенных резисторов и конденсаторов. Входные резисторы усилителя и параллельно соединенные резисторы и конденсаторы связаны с нормально замкнутыми контактами коммутатора. Резисторы обратной связи усилителя и резисторы параллельной его выходу цепочки подключены через нормально разомкнутые контакты коммутатора. Кроме того, на выход усилительно-преобразующего устройства включен резистивный двухполюсник, содержащий резисторы, сопротивления которых меньше, чем у соответствующих резисторов блока изменения масштабного коэффициента, включенных последовательно с датчиком силы. При этом резисторы двухполюсника зашунтированы дополнительными нормально замкнутыми контактами коммутатора. Конденсаторы блока изменений масштабного коэффициента через нормально разомкнутые контакты коммутатора связаны с соответствующими резисторами двухполюсника. Дополнительные нормально замкнутые контакты коммутатора подключены к соответствующим резисторам блока масштабного коэффициента, включенным последовательно с датчиком силы. Технический результат: повышение точности. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке современных прецизионных акселерометров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является "Компенсационный акселерометр с дискретным выходом" по а.с. 1839853 от 24.08.78 г., содержащий чувствительный элемент с датчиками смещения и силы, усилительно-преобразующий блок, аналого-цифровой интегратор, командное устройство, коммутатор и блок изменения масштабного коэффициента, выполненный в виде усилителя постоянного тока с цепочкой последовательно включенных резисторов на его входе и параллельно включенными резисторами в цепи обратной связи, к выходу которого параллельно подключена цепочка параллельно соединенных резисторов, а последовательно - обмотка датчика силы через цепочку параллельно соединенных резисторов и конденсаторов, при этом входные резисторы усилителя и параллельно соединенные резисторы и конденсаторы связаны с нормально замкнутыми контактами коммутатора, а резисторы обратной связи усилителя и резисторы параллельной его выходу цепочки подключены через нормально разомкнутые контакты коммутатора.

Недостатком данного акселерометра является погрешность измерения малых ускорений, обусловленная большой постоянной времени установления входного тока аналого-цифрового интегратора (АЦИ) акселерометра.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности акселерометра в режиме измерения малых ускорений за счет уменьшения времени установления входного тока АЦИ.

Эта цель достигается тем, что в акселерометре по а.с. 1839853 на выход усилительно-преобразующего устройства включен резистивный двухполюсник, содержащий резисторы с сопротивлениями, меньшими пропорционально коэффициенту блока изменения масштабного коэффициента (БМ), чем у соответствующих резисторов этого блока, включенных последовательно с датчиком силы, при этом резисторы двухполюсника зашунтированы дополнительными нормально замкнутыми контактами коммутатора, конденсаторы блока БМ через дополнительные нормально разомкнутые контакты коммутатора связаны с соответствующими резисторами двухполюсника, а через дополнительные нормально замкнутые контакты подключены к соответствующим резисторам БМ, включенным последовательно с датчиком силы.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в предварительном заряде конденсатора блока изменения масштабного коэффициента входным током АЦИ, что уменьшает время установления входного тока АЦИ в режиме измерения малых ускорений до пренебрежимо малой величины и исключает возможность возникновения соответствующей погрешности измерения.

На чертеже приведен пример упрощенной структурной схемы предлагаемого акселерометра, где обозначено:

1 - чувствительный элемент, содержащий:

2 - воспринимающий элемент,

3 - датчик смещения,

4 - датчик силы;

5 - усилительно-преобразующий блок;

6 - аналого-цифровой интегратор;

7 - блок изменения масштабного коэффициента с элементами R₁ ¹÷R₁ ⁿ, R₂, C₁ ¹÷C ₁ ⁿ;

8 - коммутатор;

9 - командный блок;

10 - резистивный двухполюсник с резисторами R _g1÷R_gn;

i_вх - входной ток АЦИ;

i_ос - ток обратной связи акселерометра.

Выход датчика смещения 3 подключен ко входу усилительно-преобразующего устройства 5, выход которого через двухполюсник 10 подключен ко входу АЦИ 6, который через блок изменения масштабного коэффициента 7 соединен с датчиком силы 4. Выходы командного блока 9 подключены к коммутатору 8, контакты которого связаны с R_g1÷R _gn блока 10 и R₁ ¹÷R₁ ⁿ, C₁ ¹÷C₁ ⁿ блока 7.

В исходном состоянии резисторы R _g1÷R_gn двухполюсника 10 зашунтированы нормально замкнутыми контактами коммутатора 8, а конденсаторы C₁ ¹÷C₁ ⁿ блока 7 через другие нормально замкнутые контакты коммутатора 8 подключены к соответствующим резисторам R₁ ¹÷R₁ ⁿ того же блока 7.

Предлагаемый акселерометр работает следующим образом.

Перед началом измерения конкретного значения малого ускорения по команде с блока 9 коммутатор 8 отключает конденсатор C₁ ⁱ от резистора R₁ ⁱ, расшунтирует резистор R_gi и подключает C₁ ⁱ через контакты коммутатора 8 к резистору R_gi. По прохождении времени, достаточного для заряда конденсатора С₁ ⁱ до напряжения U_i =iвх_i·R_gi, коммутатор 8 по соответствующей команде блока 9 отключает C₁ ⁱ от R _gi, шунтирует R_gi и подключает C₁ ⁱ параллельно R₁ ⁱ. При этих переключениях обязательно соблюдение соответствия полярности заряда конденсатора С₁ ⁱ в обоих случаях - в блоке 7 и его переключении на вход АЦИ 6.

По принципу работы предлагаемого акселерометра входной ток АЦИ 6 - iвх _i связан током обратной связи - ioc_i соотношением iвх_i=ioc_i·K_i, где К _i - коэффициент изменения масштабного коэффициента акселерометра при переводе его в режим измерения малых ускорений, равный

где R_gc - омическое сопротивление датчика силы 4.

Вследствие этого напряжения iвх_i ·R_gi и ioc_i·R₁ ⁱ равны c большой точностью и после обратного переключения конденсатора С₁ ⁱ параллельно резистору R₁ ⁱ переходный процесс по входному току АЦИ 6 из-за заряда конденсатора C₁ ⁱ практически отсутствует.

Таким образом, и погрешность акселерометра, обусловленная этим переходным процессом, как показали лабораторные исследования, практически равна нулю.

За базовый образец может быть принят "компенсационный акселерометр с дискретным выходом" по а.с. 1839853, который усовершенствуется предлагаемым изобретением. Этот акселерометр имеет следующие основные характеристики в режиме измерений малых ускорений:

1. Дискретность выходной информации - 300 кГц/g.

2. Время установления входного тока АЦИ - 60 сек.

3. Погрешность определения значения ускорения из-за переходного процесса по входному току АЦИ - 2-3·10 ^-3.

4. Потребляемая мощность ≤5 Вт.

Предлагаемый акселерометр по сравнению с базовым образцом имеет несколько усложненную схему (введен резистивный двухполюсник и задействованы дополнительные контакты коммутатора), а положительный эффект заключается в улучшении следующих основных характеристик:

1) время установления входного тока АЦИ ˜3 сек;

2) погрешность определения значения ускорения из-за переходного процесса по входному току АЦИ - 5·10 ^-4%.

При этом остальные параметры и характеристики базового образца не ухудшаются.

Формула изобретения

Компенсационный акселерометр с дискретным выходом по авт.св. №1839853, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, на выход усилительно преобразующего устройства включен резистивный двухполюсник, содержащий резисторы с сопротивлениями, меньшими пропорционально коэффициенту деления блока изменения масштабного коэффициента, чем у соответствующих резисторов этого блока, включенных последовательно с датчиком силы, при этом резисторы двухполюсника зашунтированы дополнительными нормально замкнутыми контактами коммутатора, конденсаторы блока изменения масштабного коэффициента через дополнительные нормально разомкнутые контакты коммутатора связаны с соответствующими резисторами двухполюсника, дополнительные нормально замкнутые контакты коммутатора подключены к соответствующим резисторам блока изменения масштабного коэффициента, включенным последовательно с датчиком силы.

РИСУНКИ