Способ измерения линейных ускорений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке акселерометров для систем управления современных комплексов. Сущность: для измерения линейных ускорений компенсационным акселерометром с аналого-цифровым преобразователем с входным интегрирующим конденсатором повышают дискретность его выходной информации при помощи дополнительных входных компараторов преобразователя. Одновременно повышают помехозащищенность при помощи RC-фильтра, включенного между выходом аналоговой части акселерометра и входом преобразователя. При этом импульс эталонного разряжающего тока подают на входной интегрирующий конденсатор преобразователя при достижении на нем напряжения с величиной, равной отношению произведения эталонного тока и эталонного времени к сумме величин емкостей входного интегрирующего конденсатора аналого-цифрового преобразователя и конденсатора RC-фильтра. Кроме того, дополнительные информационные выходные импульсы формируют при достижении на входном конденсаторе части этого напряжения, пропорциональной отношению порядкового номера дополнительного компаратора к общему числу компараторов. Технический результат: повышение точности. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке акселерометров для систем управления современных комплексов.

Известен способ измерения ускорения маятниковым компенсационным акселерометром с дискретным выходом путем повышения дискретности его выходной информации при помощи частотно-зависимого делителя тока обратной, связи аналоговой части акселерометра (см., например, авт. св. №1839853 от 24.08.78 г.). Недостатком этого способа является резкое уменьшение диапазона измеряемых ускорений, что ограничивает область применения данного способа измерением ускорений, меньших 1 g.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения линейных ускорений при помощи маятникового компенсационного акселерометра с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с входным интегрирующим конденсатором, в котором повышение дискретности достигается установкой дополнительных входных компараторов. Недостатком указанного способа является то, что при использовании его для акселерометра, в котором для повышения помехозащищенности установлен RC-фильтр между выходом аналоговой части акселерометра и входом его АЦП (см., например, авт. св. №1839856 г.), он обладает существенной погрешностью в режиме измерения малых ускорений, вследствие того, что при расчете напряжения срабатывания промежуточных компараторов не учитывается емкость конденсатора RC-фильтра.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения малых ускорений.

Эта цель достигается тем, что в способе измерения ускорения маятниковым компенсационным акселерометром с аналого-цифровым преобразователем с входным конденсатором путем повышения дискретности его выходной информации при помощи дополнительных входных компараторов при одновременном повышении помехозащищенности при помощи RC-фильтра, включенного между выходом аналоговой части акселерометра и входом аналого-цифрового преобразователя, импульс эталонного разряжающего тока на входной конденсатор подают при достижении на нем напряжения, величина которого равна отношению произведения значений эталонного тока и эталонного времени к сумме величин емкостей входного конденсатора аналого-цифрового преобразователя и конденсатора RC-фильтра, в то время как дополнительные информационные выходные импульсы акселерометра формируют при достижении на входном конденсаторе преобразователя части этого напряжения, пропорциональной отношению порядкового номера дополнительного компаратора к общему числу компараторов.

Среди известных авторам технических решений не обнаружена предлагаемая совокупность новых признаков, которая позволяет повысить точность измерения малых ускорений выбором напряжения срабатывания компараторов аналого-цифрового преобразователя акселерометра в зависимости от величин емкостей конденсаторов RC-фильтра, включенного между выходом аналоговой части акселерометра и входом аналого-цифрового преобразователя, и входного конденсатора преобразователя. Следовательно, предложенный способ соответствует критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ предусматривает проведение следующих операций.

1. Исходя из заданной точности измерения и диапазона измеряемых перегрузок определяют величины эталонного времени Т_эт , эталонного тока I_эт и емкости входного конденсатора аналого-цифрового преобразователя С_вх.

2. Исходя из необходимой степени подавления помех на входе преобразователя определяют величину резистора R_ф и емкость конденсатора С_Ф фильтра.

3. Исходя из необходимой дискретности выходной информации определяют количество дополнительных компараторов n, имея в виду, что выходная частота f_вых=f₀ (n+1), где f₀ - исходная выходная частота акселерометра.

4. Определяют напряжение срабатывания основного компаратора преобразователя

5. Определяют напряжение срабатывания каждого дополнительного компаратора

где i=1, 2, 3...m,

n=1, 2, 3...m.

На фиг.1 приведен пример структурной реализации предлагаемого способа, на фиг.2 приведена схема включения входного конденсатора и RC-фильтра на входе преобразователя, на фиг.3 приведены графики, поясняющие принцип настройки промежуточных компараторов в режиме малых выходных частот.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - маятниковый чувствительный элемент,

2 - формирователь аналогового сигнала обратной связи,

3 - корректирующий RC-фильтр,

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

5 - входной конденсатор АЦП,

6 - основной компаратор АЦП,

7 - блок дополнительных компараторов АЦП,

8 - формирователь эталонного времени АЦП,

9 - источник эталонного тока АЦП.

На фиг.2 обозначены:

С_ф, R _ф - конденсатор и резистор фильтра соответственно.

На фиг.3 обозначены - напряжение срабатывания промежуточных компараторов без учета С_ф;

U_ср0 - напряжение срабатывания основного компаратора;

Т₁, Т₂, Т ₃, Т₀ - период выходной частоты акселерометра, определяемой основным и дополнительными компараторами при С _ф=0;

1 - характер изменения напряжения на С_вх при С_ф=0;

2 - характер изменения напряжения на С_вх с учетом С_ф;

- период выходной частоты акселерометра с учетом С _ф;

- напряжение срабатывания промежуточных компараторов, рассчитанных с учетом С_ф.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В случае, когда измерение ускорения производится акселерометром с дополнительными компараторами 7 на входе АЦП 4, импульс эталонного разряжающего тока с выхода источника 9 подают на конденсатор 5 фиг.1 при напряжении на нем, равном

где величина

В этом случае, как показано на фиг.3 для случая трех дополнительных компараторов, напряжения срабатывания каждого из них равны между собой, как и периоды следования дополнительных выходных импульсов Т₁, Т₂, T₃ . Однако неучитывание влияния конденсатора С_ф (фиг.2) фильтра 3 (фиг.1) приводит к неравномерности следования выходных импульсов акселерометра. Действительно, как это видно из рассмотрения схемы, изображенной на фиг.2, напряжение U₀ на конденсаторе C_вх в промежутках между подачей разряжающего импульса эталонного тока I_эт·T_эт будет изменяться в соответствии с выражением

где I_вых - выходной ток формирователя аналогового сигнала обратной связи 2 (фиг.1);

где R_ф - резистор фильтра 3 (фиг.1);

Очевидно, что при t→0, т.е. выражение для U_с примет вид

(график 1 на фиг.3), в то время как при t→∞, т.е. ,

(график 2 на фиг.3).

Из рассмотрения фиг.3 следует, что при регулировке напряжения срабатывания промежуточных (дополнительных) компараторов имеют величины:

при C_ф=0 периоды выходной частоты Т₁=Т₂=Т₃=Т₄=Т ₀/4. Однако при наличии С_ф выбор напряжений срабатывания, равными приводит к тому, что при проявляется существенная неравномерность периодов Это приводит к заметной погрешности измерения малых ускорений, возрастающей по мере уменьшения действующего ускорения.

На фиг.3 показано, что выбор напряжений срабатывания с учетом выражения (7), т.е.

восстанавливает равномерность периодов выходной частоты.

Лабораторные исследования эффективности реализации предлагаемого способа показали, что в отличие от способа-прототипа он позволил уменьшить неравномерность следования выходных импульсов с 20-25% до погрешности регулировки напряжения срабатывания дополнительных компараторов 5-7%, что практически исключает погрешность измерения малых ускорений от неравномерности следования выходных импульсов.

Очевидно, что при этом повышается неравномерность следования выходных импульсов акселерометра на средних и больших перегрузках. Однако режим измерения малых ускорений является определяющим по точности измерения ускорений на конечном этапе работы беспилотных летательных аппаратов.

Формула изобретения

Способ измерения линейных ускорений компенсационным акселерометром с аналого-цифровым преобразователем с входным интегрирующим конденсатором путем повышения дискретности его выходной информации при помощи дополнительных входных компараторов преобразователя при одновременном повышении помехозащищенности при помощи RC-фильтра, включенного между выходом аналоговой части акселерометра и входом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при измерении малых ускорений, импульс эталонного разряжающего тока на входной интегрирующий конденсатор преобразователя подают при достижении на нем напряжения с величиной, равной отношению произведения эталонного тока и эталонного времени к сумме величин емкостей входного интегрирующего конденсатора аналого-цифрового преобразователя и конденсатора RC-фильтра, а дополнительные информационные выходные импульсы формируют при достижении на входном конденсаторе части этого напряжения, пропорциональной отношению порядкового номера дополнительного компаратора к общему числу компараторов.

РИСУНКИ