Трехкомпонентный акселерометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК1049432 0-01 Р 1 У ГОСУД АРСТВЕННЫИ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕ ОМИТЕТ СССРИЙ И ОТКРЫТИИ АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О"(71) Рыбинский авиационный технологический институт(56) 1, А вторское свидетельство СССРй 824062, кл. С 01 Р 1 У 13, 1979.2. Коновалов С.Ф. и др. Гироско"пические системы. М ., "Высшая школа",1980, ц. О, с. 45.3, Патент США У 3491600,кл, 73-503, 1970 (прототип),(54)(57) ТРЕХКОМПОНЕНТНЦЙ АКСЕЛЕРМЕТР, содержащий инерционную массу, датчики перемещения и датчикисилы, расположенные вокруг инерционной массы попарно по трем перпендикулярным осям, три схемы управления,каждая из которых включает фильтрусилитель, фазочувствительный демодулятор, логический блок, электронный ключ, источник переменного напряжения, подключенный к фазочувствительному демодулятору и электронному ключу, и счетчик импульсов,причем вход фаэочувствительного демодулятора подсоединен к соответст" вующим датчикам перемещения через фильтр-усилитель, выходы логического блока - к первым управляющим входам электронного ключа, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в каждую схему управления введены два регулятора индукции, блок динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор, формирователь строба постоянной длительности и блок индикации, при этом выход каждого регулятора индукции соединен с соответствующим датчиком силы, а вход - с соответствующим входом электронного ключа, блок динамической коррекции, частот-но-импульсный модулятор и формирователь строба постоянной длительности соединены последовательно, вход блока динамической коррекции соединен с выходом фазочувствительного демодулятора, выход - с входами логического блока и частотно-импульсного модулятора, выход которого соединен с входами счетчика им- д пульсов и формирователя строба постоянной длительности, выход последнего подсоединен ко второму управляющему входу электронного ключа, а входы блока индикации " к выходам логического блока и счетчика импульсов.Изобретение относится к приборостроению и может найти применение.в приборах инерциальной навигации.,Известен компенсационный акселерометр, содержащий инерционный элемент, расположенный в зазоре междудвумя электромагнитами, обмоткисоединены с выходами усилительно-преобразовательных блоков, датчик положения инерционного элемента, подклю О.ценный ко входу блока динамическойкоррекции, блок суммирования и блоквычитания, одни из входов которыхподключены к источнику опорного сигнала, другие - к выходу блока динамицеской коррекции, блок индикации,датчики индукции, чувствительные элементы которых размещены в зазорахмежду инерционным элементом и соответствующим электромагнитом, два ин Отегратора и две схемы сравнения, причем одни из входов схем сравнениясоединены с соответствующими выходами блока суммирования и блока вычитания и с входами блока индикации, а 25выходы со входами интеграторов, выходы которых подключены к соответствующим входам усилительно-преобразовательных блоков 1.1 1.Недостатком известного компенсаци-ЗОонного акселерометра является низкаяточность измерения малых ускорений,связанная с тем, цто несмотря на низкую относительную погрешность регулирования величины электродвижущей силы Зиндукции (не более 0,013),относительная величина погрешности измеренияускорения будет во столько раз больше во сколько раз абсолютная величина суммарной индукции в зазорах элекОтромагнитов больше разности индукцийв зазорах этих зле кт рома гнитов, т, е.при замере максимального ускорения,когда инерционный элемент ляжет наполюс оДного из электромагнитов,погрешность измерения ускорения будет не более 0,02 при снижении измеряемого ускорения в 10 раз погрешность возрастает до 0,24 при замереускорения, составляющего 0,01 от мак-.,50симального, погрешность измеренияувеличится до 2 и так далее,Известен также цифровой акселерометр, содержащий чувствительный элемент, усилитель, преобразователь 55 напряжение-частота мультивибратор, триггеры, схемы совпадений, мостовой переклюцатель тока обратной связи,стабилизатор тока и магнитоэлектри"ческий обратный преобразователь Г 23.Недостатком известного цифровогоакселерометра является относительно низкая точность, обусловленнаянизкой точностью преобразователейсигнала в части замкнутого контураот преобразователя напряжение-частота до выхода магнитоэлектрическогопреобразователя, Известно, цто именно эта часть замкнутого контура определяет погрешность компенсационногоакселерометра,Сигнал с преобразователя напряжение-частота преобразуется в импульсыпостоянного интервала достаточноточно. Мостовой переключатель токаобратной связи и магнитоэлектрический обратный преобразователь управляют уровнями аналоговых сигналови не могут работать с высокой точностью при изменении внешних условий и зазора в обратном пресбразователе. Погрешность нелинейности характеристики магнитоэлектрическогопреобразователя тока в электромагнитную силу, компенсирующую инерционную силу, может быть значительной при изменении зазора. Применениеэлектромагнитного преобразователяв выше отмеченной схеме увелициваетпогрешность акселерометра из-за остаточных электромагнитных явлений вмагнитопроводах,Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому результату является трехкомпонентный акселерометр, содержащийинерционную массу, погруженную в демпФирующую жидкость, расположенныевокруг инерционной массы шесть датчиков усилия представляющих собойэлектромеханические преобразователи,создающие усилия на инерционную массу, шесть элементов трех датчиковперемещения, конструктивно являющихся частью датчиков усилия трисхемы управления, осуществляющихработу прибора по трем осям, каждаяиз которых включает в себя фильтрусилитель, обрабатывающий сигнал сдатчика перемещения инерционной массыпо одной оси,подключенный к нему Фазоцувствительный демодулятор, логический блок, определяющий полярностьвыходного напряжения с фазочувствительного демодулятора и имеющий зц,ну нечувствительности, электронныйключ, осуществляющий пропусканиеимпульсов с источника тактовых импульсов в зависимости от полярностивыходного сигнала с логического блока,переключатель, подающий с истоцникапеременного напряжения импульсы постоянной энергии через конденсаторыв датчики усилия, и реверсивный счетчик импульсов3 3.Недостатком известного трехком- Опонентного акселерометра являетсянизкая точность измерения ускорения,связанная с тем, цто электромагнитная сила, компенсирующая инерционную силу, пропорциональную измеряемому ускорению, определяется по каждой оси разностью двух электромагнитных сил, созданных двумя нетоцными датчиками усилия, Относительная погрешность каждого датчика усилия определяется нелинейностью за=висимости средней электромагнитнойсилы датчика усилия от числа тактовых импульсов, поданных в канал электронного ключа схемы управления, 25связанной с тем, цто в датчике усилия импульсы постоянной энергии непреобразуются в импульсы электромагнитной силы постоянной величиныпри изменении зазора между полюсом ЗОдатчика усилия и инерционной массой,а также при изменении параметровдатчика усилия, вызванных изменением температуры и старением элементов. В то же время ускорение, опреде ляемое по разности чисел тактовыхимпульсов, поданных в каналы электронного ключа, будет вычислено в известном трехкомпонентном акселерометрес относительной погрешностью во 40столько раз большей относительнойпогрешности каждого канала, во сколько раз суммарная электромагнитнаясила двух противоположных датчиковусилия больше разности электромагнитных сил этих датчиков,Целью изобретения является повц.шение точности измерения ускорения.Указанная цель достигается тем,что в трехкомпонентном акселерометре,50содержащем инерционную массу, датчикиперемещения и датчики силы, расположенные вокруг инерционной массы попарно по трем перпендикулярным осям,три схемы управления, каждая из ко торых включает фильтр-усилитель фазоцувствительный демодулятор, ло гический блок, электронный ключ, источник переменного напряжения подключенный к фазоцувствительному демодулятору и электронному ключу,и сцетчик импульсов, причем входфазочувствительного демодулятора подсоединен к соответствующим датчикамперемещения через фильтр-усилитель,а выходы логического блока - к первымуправляющим входам электронного ключа, в каждую схему управления введены два регулятора индукции, блок динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор, формировательстроба постоянной длительности иблок индикации, при этом выход каждого регулятора индукции соединенс соответствующим датчиком силы,а вход - с соответствующим входомэлектронного ключа, блок динамической коррекции, цастотно-импульсныймодулятор и формирователь стробапостоянной длительности соединеныпоследовательно, вход блока дина"мической коррекции соединен с выхо"дом фазочувствительного демодулято"ра, выход - с входами логическогоблока и частотно-импульсного модулятора, выход которого соединен свходами счетчика импульсов и формирователя строба постоянной длительности, выход последнего подсоединен ко второму управляющему входуэлектронного ключа, а входы блокаиндикации - к выходам логическогоблока и счетчика импульсов,На фиг, 1 изображена конструктивная схема трехкомпонентного акселерометра, на фиг, 2 - функциональ"ная схема одного канала трехкомпонентного акселерометра.Трехкомпонентный акселерометр содержит инерционную массу 1, расположенные вокруг инерционной массы шесть датчиков 2 силы, представляю щих собой электромеханические преобразователи, шесть элементов 3 трех датчиков перемещения, конструктивно являющихся частью датчиков силы, три схемы управления, каждая из которых включает в себя два регулятора 4 индукции, фильтр-усилительфазочувствительный демодулятор 6 блок 7 динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор 8, формирователь 9 строба постоянной длительности, логический блок 10, электронный ключ 11, источник 12 и: ременного напряжения, счетцик 135импульсов и блок 11 индикации, причем регуляторыиндукции, нагружен" ные датчиками 2 силы, подключены к источнику 12 переменного напряжения через электронный ключ 11, датчик 3 перемещения, фильтр-усилитель 5 фазочувствительный демодулятор 6, блок 7 динамической коррекции, частотно-импульсный модулятор 8 и формирователь 9 строба постоянной длительности включены последовательно, вход логического блока 10 подключен к выходу блока 7 динамической коррекции, первые управляющие входы электронного ключа 11 - к выходам логического блока 10, второй управляющий вход ключа 11 - к выходу формирователя 9 строба постоянной длительности, вход счетчика 13 импульсов - к выходу частотно-импульсного модулятора 8, входы блока 1 индикации - к выходам логицеского блока 10 и выходу счетчика 13 импульсов. Трехкомпонентный акселерометр ра" ботает следующим образом.При отсутствии ускорения инерционная масса 1 находится в среднем положении относительно датчиков 2 силы, Сигнал с пар элементов 3 задатчика перемещения, конструктивно являющихся частью датчиков силы, вычитаются друг из друга, результирующие сигналы датчиков перемещения равны нулю. Датчики силы и конструктивно связанные с ними, датчики перемещения запитаны небольшим переменным напряжением с регуляторов ч индукции. Небольшие величины индукции в зазорах между датчиками силц и инерционной мвссой стабили" зируются регуляторами индукции, выполненными по замкнутой схеме, так что суммарная электромагнитная сила, действующая на инерционную массу, равна нулю. В каждой электронной схеме управления нулевой сигнал не запускает цастотно-импульсный модуля тор 8, а формирователь 9 строба по" стоянной длительности и логический блок 10 имеют на выходах напряжения, соответствующие логическому нулю. В этом случае электронный ключ 11 подает на регуляторы 1 индукции низкий уровень напряжения с источника 12 переменного напряжения, Со сце чика 13 импульсов снимаются, дешиф,рируются и индицируются индикатором 5 10 5 20 25 ЗО 35 40 45 е 50 55 14 сигналы, соответствующие нулевомуускорению. При действии ускорения, например по оси У инерционная масса 1 смещается вправо от среднего положения фиг. 2). Зазор между левым датчиком 2 силы и инерционной массой 1 увеличивается, а между правым датчиком силы и инерционной массой уменьшается. Сигналы с элементов 3 датцика перемещения, выцитаясь друг из друга, дают результирующее переменное напряжение не равное нулю. Это напряжение усиливается фильтром-усилителем 5 и преобразуется в постоянное напряжение, например, положительной полярности фазочувствительным демодулятором 6, а блок динамической коррекции вводит производную из изменения величины напряжения в структуру сигнала и тем самым формирует необходимые динамические характеристики в системе стабилизации зазоров между датчиками 2 силы и инерционной массой 1. Частотно-импульсный модулятор, независимо от полярности сигнала на входе, вырабатывает импульсы с частотой, пропорциональной величине входного сигнала, а генератор 9 строба постоянной длительности формирует строб на каждый или через определенное число импульсов, поданных .с частотно-импульсного модулятора. Логический блок 10 определяет знак выходного напряжения с блока динамической коррекции и в рассматриваемом случае работы прибора подает в левцй канал электронного ключа 11 напряжение, соответствующее логической единице, В случае прихода на ключ 11 строба с генератора 9 строба постоянной длительности, одновременно с логической единицей с логического блока 10, левый канал ключа пропускает высокий уровень напряжения с источника 12 переменного напряжения на левый регулятор индукции, который стабилизирует высокий заданный уровень индукции в зазоре между левым датчиком 2 силы и инерционной массой 1. В этом случае будет сформирован точный импульс силы, Частота следования импульсов силы пропорциональна выходной частоте частотно- импульсного модулятора, тогда средняя электромагнитная сила, сформированйая левым датчиком силы будет пропорциональна выходной цастоте частот 7 10494 но-импульсного. модулятора, электромагнитная сила левого датчика силы скомпенсирует инерционную силу, пропорциональную измеряемому ускорению следовательно выходная частота частотно-импульсного модулятора будет пропорциональна измеряемому ускорению. При постоянном действующем ускорении инерционная масса будет находиться в смещенном положении относительно среднего, и величина сме" щения тем меньше, чем больше коэффициент усиления разомкнутого контура системы стабилизации зазоров между датчиками силы и инерционной массой. Этот коэффициент усиления увеличивается за счет того, что при подаче высокого уровня напряжения в левый датчик силы 2 увеличивается выходной сигнал с левого элемента 3 датчика перемещения, конструктивно являющегося частью датчика силы. Счетчик 13 импульсов подсчитывает число импульсов, выработанных частотно-импульсным модулятором 8 за некоторый промежуток времени, а блок 14 индикации дешифрирует и индицирует эту информацию в единицах ускорения, причем знак ускорения определяется дешифрированием сигналов с логическо го блока 1 О, Точность измерения уско-, рения определяется точностью стаби" лизации амплитуды и длительности им" пульса силы, соответствием числа импульсов силы числу импульсов на вы-З 5 ходе частотно-импульсного модулятораи точностью подсчета числа этих импульсов. Постоянные во,всем диапазоне измеряемыхускорений аналоговые характеристики импульса силы 1 амплитуда, длительность ), задаются с высокой точностью, значительно большей чем переменные характеристики в известных устройствах. Импульсная и цифровая части электронных схем отличаются более высокой точностью и в значительно меньшей степени влияют на точность измерения ускорения Поэтому точность трехкомпонентного акселерометра будет определяться точностью стабилизации постоянной амплитуды и постоянной длительности импульса силы и на основании изложенного будет более высокой, чем точность измерения ускорения в известных устройствах.Таким образом, предложенный трех" компонентный акселерометр обеспечиВвает увеличение точности измерения ускорения за счет компенсации инерционной силы, пропорциональной измеряемому ускорению, электромагнитной силой в виде последовательности импульсов силы постоянной длительности, стабилизированной амплитуды и формы, сформированных датчиком, силы, выбранным логическим блоком, причем средняя величина электромагнитной силы пропорциональна частоте импульсов частотно-импульсного модулятора, по которой определяется величина из" меряемого ускорения.жгород, ул. Проектная илиал ППП "Патент ИИПИ каэ 8343 1049432 г.