RU2741277C1 - Compensation type accelerometer - Google Patents

Compensation type accelerometer Download PDF

Info

Publication number
RU2741277C1
RU2741277C1 RU2020107219A RU2020107219A RU2741277C1 RU 2741277 C1 RU2741277 C1 RU 2741277C1 RU 2020107219 A RU2020107219 A RU 2020107219A RU 2020107219 A RU2020107219 A RU 2020107219A RU 2741277 C1 RU2741277 C1 RU 2741277C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
accelerometer
thermistor
output
microcontroller
Prior art date
Application number
RU2020107219A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Борисович Белугин
Александр Николаевич Гусев
Игорь Юрьевич Козлов
Алексей Александрович Рязанов
Андрей Юрьевич Чемоданов
Владимир Андреевич Шерстнев
Original Assignee
Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" filed Critical Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики"
Priority to RU2020107219A priority Critical patent/RU2741277C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741277C1 publication Critical patent/RU2741277C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Indication And Recording Devices For Special Purposes And Tariff Metering Devices (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to accurate instrument-making and can be used mainly in precision inertial motion control systems, for example, aircrafts, missiles, submarines and other objects. Summary of invention consists in spatial division of temperature field of accelerometer into two areas containing elastic suspension and analogue-digital converter, respectively, in measurement of temperature of each region and in compensation of zero signals of accelerometer according to special algorithm.
EFFECT: technical result is higher accuracy of accelerometer.
1 cl, 2 tbl, 1 dwg

Description

1. Область техники, к которой относится изобретение1. The technical field to which the invention relates

Изобретение относится к прецизионному приборостроению и может быть использовано преимущественно в инерциальных системах управления движением, например, самолетов, ракет, подводных лодок и других объектов.The invention relates to precision instrumentation and can be used primarily in inertial motion control systems, for example, aircraft, missiles, submarines and other objects.

Для управления необходимо точно измерять кажущееся ускорение объектов. Этому препятствуют погрешности известных акселерометров, обусловленные окружающей температурой и температурой собственного прогрева акселерометра после включения. Из-за температуры изменяется нулевой сигнал акселерометра, что ведет в определении скорости объекта в системах управления к значительным ошибкам, пропорциональным времени движения.For control, it is necessary to accurately measure the apparent acceleration of objects. This is prevented by the errors of the known accelerometers caused by the ambient temperature and the temperature of the accelerometer's own warming up after switching on. Due to the temperature, the zero signal of the accelerometer changes, which leads to significant errors in determining the speed of an object in control systems, proportional to the time of movement.

2. Уровень техники2. Technology level

Рассмотрим аналоги предлагаемого изобретения.Let's consider analogs of the present invention.

2. библиографические данные аналогов изобретения2.bibliographic data of analogues of the invention

[1] G01P 15/08, 15/13 Акселерометр компенсационного типа. Патент №2050549 по заявке №3186551/10 от 11.12.87 г. Авторы: Китанин Н.Г., Ивченко Н.Н., Гринь В.В., Рязанов А.А.[1] G01P 15/08, 15/13 Compensation type accelerometer. Patent No. 2050549 for application No. 3186551/10 dated 11.12.87. Authors: Kitanin N.G., Ivchenko N.N., Grin V.V., Ryazanov A.A.

Опубликован в бюл. №35 20.12.1995 г. Published in Bul. No. 35 12/20/1995

[2] G01P 15/13 Акселерометр компенсационного типа. Патент №2434233 по заявке №2010108260/28 от 05.03.2010 г. Авторы: Рязанов А.А., Козлов И.Ю., Гусев А.Н., Чемоданов А.Ю.[2] G01P 15/13 Compensation type accelerometer. Patent No. 2434233 for application No. 2010108260/28 dated 05.03.2010. Authors: Ryazanov A.A., Kozlov I.Yu., Gusev A.N., Chemodanov A.Yu.

Опубликован в бюл. №32 20.11.2011 г. Published in Bul. No. 32 November 20, 2011

2.2 В акселерометре компенсационного типа по патенту РФ №2050549 общими признаками с предлагаемым изобретением являются чувствительный элемент с магнитоэлектрическим датчиком силы и датчиком положения, усилители датчика силы и датчика положения, масштабный резистор. В данном изобретении [1] компенсация линейной составляющей температурной погрешности масштабного коэффициента акселерометра выполнена подключением преобразователя напряжение - ток параллельно обмотке датчика силы, а направление выходного тока преобразователя выбирают, исходя из знака температурного изменения масштабного коэффициента.2.2 In the accelerometer of the compensation type according to the patent of the Russian Federation No. 2050549, the common features with the proposed invention are a sensitive element with a magnetoelectric force sensor and a position sensor, amplifiers of a force sensor and a position sensor, a scale resistor. In this invention [1], compensation of the linear component of the temperature error of the scale factor of the accelerometer is performed by connecting a voltage-current converter parallel to the winding of the force sensor, and the direction of the output current of the converter is selected based on the sign of the temperature change in the scale factor.

Недостатком этого акселерометра является низкая точность измерения ускорения из-за нулевого сигнала вследствие окружающей температуры.The disadvantage of this accelerometer is the low accuracy of the acceleration measurement due to the zero signal due to the ambient temperature.

Наиболее близким к заявляемому изобретению аналогом (прототипом) является изобретение по патенту РФ №2434233 «Акселерометр компенсационного типа» [2]. В этом акселерометре общими признаками с предлагаемым изобретением являются чувствительный элемент с магнитоэлектрическим датчиком силы, датчиком положения и упругим подвесом, усилители датчиков силы и положения, масштабный резистор, первый терморезистор, аналого-цифровой преобразователь, первый источник тока, микроконтроллер, первый шунтирующий резистор.The closest analogue (prototype) to the claimed invention is the invention under the RF patent No. 2434233 "Compensation type accelerometer" [2]. In this accelerometer, common features with the invention are a sensing element with a magnetoelectric force sensor, a position sensor and an elastic suspension, amplifiers for force and position sensors, a scale resistor, a first thermistor, an analog-to-digital converter, a first current source, a microcontroller, and a first shunt resistor.

Этот акселерометр имеет невысокую точность измерений: из-за окружающей температуры и температуры собственного прогрева прибора, на выходе акселерометра появляется значительный нулевой сигнал, что неприемлемо для прецизионных измерений.This accelerometer has a low measurement accuracy: due to the ambient temperature and the temperature of its own warming up of the device, a significant zero signal appears at the output of the accelerometer, which is unacceptable for precision measurements.

3.1 Раскрытие изобретения3.1 Disclosure of the invention

3.1 Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности акселерометра за счет компенсации нулевого сигнала.3.1 The technical result of the proposed invention is to improve the accuracy of the accelerometer by compensating for the zero signal.

Технический результат достигается совокупностью существенных признаков - введением в акселерометр второго терморезистора, второго шунтирующего резистора, второго источника тока и связей введенных элементов между собой и с элементами прототипа, первый терморезистор размещен вблизи упругого подвеса, а второй терморезистор - вблизи аналого-цифрового преобразователя.The technical result is achieved by a combination of essential features - the introduction into the accelerometer of a second thermistor, a second shunt resistor, a second current source and connections of the introduced elements with each other and with the prototype elements, the first thermistor is placed near the elastic suspension, and the second thermistor - near the analog-to-digital converter.

Сущность изобретения заключается в пространственном разделении температурного поля акселерометра на две области, содержащие упругий подвес и аналого-цифровой преобразователь соответственно, в измерении температуры каждой области и в компенсации нулевых сигналов акселерометра по специальному алгоритму.The essence of the invention lies in the spatial division of the temperature field of the accelerometer into two regions containing an elastic suspension and an analog-to-digital converter, respectively, in measuring the temperature of each region and in compensating for zero signals of the accelerometer using a special algorithm.

Пространственное разделение температурного поля позволяет осуществить раздельную компенсацию нулевых сигналов акселерометра, обусловленных в основном упругим подвесом и аналого-цифровым преобразователем, имеющими различные температуры в процессе измерения ускорения, что и обеспечивает повышение точности акселерометра.The spatial separation of the temperature field allows for separate compensation of zero signals of the accelerometer, which are mainly due to the elastic suspension and the analog-to-digital converter, which have different temperatures in the process of measuring the acceleration, which improves the accuracy of the accelerometer.

3.2 Заявляемое изобретение направлено на решение следующих трех задач:3.2 The claimed invention is aimed at solving the following three problems:

- измерение температуры первой области (температуры упругого подвеса) и компенсация нулевого сигнала, обусловленного этой температурой;- measurement of the temperature of the first region (temperature of the elastic suspension) and compensation of the zero signal due to this temperature;

- формирование специальной схемы получения информации о температуре второй области (о температуре аналого-цифрового преобразователя);- formation of a special scheme for obtaining information about the temperature of the second area (about the temperature of the analog-to-digital converter);

- измерение температуры второй области и компенсация нулевого сигнала, обусловленного этой температурой (температурой аналого-цифрового преобразователя).- measurement of the temperature of the second area and compensation of the zero signal due to this temperature (the temperature of the analog-to-digital converter).

Существенные признаки, характеризующие предлагаемое изобретение и общие с прототипом [2]: чувствительный элемент с магнитоэлектрическим датчиком силы (ДС), датчиком положения (ДП) и упругим подвесом, усилители датчиков силы и положения, масштабный резистор, первый терморезистор, аналого-цифровой преобразователь, первый источник тока, микроконтроллер, первый шунтирующий резистор.Essential features that characterize the invention and are common with the prototype [2]: a sensitive element with a magnetoelectric force sensor (DS), a position sensor (DP) and an elastic suspension, amplifiers for force and position sensors, a scale resistor, the first thermistor, an analog-to-digital converter, the first current source, the microcontroller, the first shunt resistor.

Существенные признаки, характеризующие предлагаемое изобретение и отличающиеся от прототипа [2]: введенные второй терморезистор, второй шунтирующий резистор, второй источник тока и связи введенных элементов между собой и с элементами прототипа, первый терморезистор размещен вблизи упругого подвеса, а второй терморезистор - вблизи аналого-цифрового преобразователя.The essential features that characterize the proposed invention and differ from the prototype [2]: introduced the second thermistor, the second shunt resistor, the second current source and the connection of the introduced elements with each other and with the prototype elements, the first thermistor is placed near the elastic suspension, and the second thermistor is located near the analog digital converter.

В настоящем изобретении, в отличие от прототипа, первый терморезистор используется по новому назначению - для решения первой задачи: измерение температуры упругого подвеса и компенсация нулевого сигнала, обусловленного температурой первой области. Источником информации об этой температуре и является первый терморезистор, установленный вблизи упругого подвеса.In the present invention, unlike the prototype, the first thermistor is used for a new purpose - to solve the first problem: measuring the temperature of the elastic suspension and compensating for the zero signal caused by the temperature of the first region. The source of information about this temperature is the first thermistor installed near the elastic suspension.

Для решения второй задачи - формирование специальной схемы получения информации о температуре второй области (о температуре аналого-цифрового преобразователя), в результате введения в акселерометр новых элементов создан новый канал измерения температуры. Источником информации о температуре аналого-цифрового преобразователя является введенный второй терморезистор.To solve the second problem - the formation of a special scheme for obtaining information about the temperature of the second region (about the temperature of the analog-to-digital converter), as a result of the introduction of new elements into the accelerometer, a new temperature measurement channel was created. The source of information about the temperature of the analog-to-digital converter is the introduced second thermistor.

Этот новый канал измерения температуры используется для решения третьей задачи - измерение температуры второй области (температуры аналого-цифрового преобразователя) и компенсация нулевого сигнала, обусловленного этой температурой.This new temperature measuring channel is used to solve the third problem - measuring the temperature of the second region (the temperature of the analog-to-digital converter) and compensating for the zero signal due to this temperature.

Решение трех вышеуказанных задач обеспечивает повышение точности акселерометра.The solution of the above three tasks provides an increase in the accuracy of the accelerometer.

4 Краткое описание чертежей4 Brief Description of Drawings

Сущность изобретения поясняется рисунком, где представлена блок-схема предлагаемого устройства.The essence of the invention is illustrated by the figure, which shows a block diagram of the proposed device.

На рисунке цифрами обозначены:In the figure, the numbers indicate:

1 - обмотка датчика силы;1 - force sensor winding;

2 - усилитель датчика силы;2 - force sensor amplifier;

3 - датчик положения;3 - position sensor;

4 - усилитель датчика положения;4 - position sensor amplifier;

5 - масштабный резистор;5 - scale resistor;

6 - первый терморезистор;6 - the first thermistor;

7 - аналого-цифровой преобразователь;7 - analog-to-digital converter;

8 - первый источник тока;8 - the first current source;

9 - микроконтроллер;9 - microcontroller;

10 - первый шунтирующий резистор10 - the first shunt resistor

11 - второй шунтирующий резистор;11 - the second shunt resistor;

12 - второй терморезистор;12 - the second thermistor;

13 - второй источник тока.13 - the second current source.

5 Осуществление изобретения5 Implementation of the invention

5.1 Как и в прототипе, предлагаемый акселерометр компенсационного типа, содержит чувствительный элемент с датчиком силы 1 и датчиком положения 3, масштабный резистор 5, усилители датчика силы 2 и положения 4, аналого-цифровой преобразователь 7, микроконтроллер 9, первый терморезистор 6, первый шунтирующий резистор 10, первый источник тока 8, первый вывод обмотки датчика силы 1 соединен с первым выводом масштабного резистора 5, второй вывод обмотки датчика силы 1 подключен к выходу усилителя датчика силы 2, выход датчика положения 3 соединен с входом усилителя датчика положения 4, выход усилителя датчика положения соединен с первым входом микроконтроллера 9, первый вывод масштабного резистора 5 через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 подключен к второму входу микроконтроллера 9, выход первого источника тока 8 соединен с выводами первого терморезистора 6, первого шунтирующего резистора 10 и третьим входом микроконтроллера 9, а выход микроконтроллера 9 соединен с входом усилителя датчика силы 2.5.1 As in the prototype, the proposed accelerometer of the compensation type contains a sensitive element with a force sensor 1 and a position sensor 3, a scale resistor 5, amplifiers for a force sensor 2 and position 4, an analog-to-digital converter 7, a microcontroller 9, the first thermistor 6, the first shunt resistor 10, the first current source 8, the first terminal of the winding of the force sensor 1 is connected to the first terminal of the scale resistor 5, the second terminal of the winding of the force sensor 1 is connected to the output of the amplifier of the force sensor 2, the output of the position sensor 3 is connected to the input of the amplifier of the position sensor 4, the output of the amplifier the position sensor is connected to the first input of the microcontroller 9, the first output of the scale resistor 5 through an analog-to-digital converter (ADC) 7 is connected to the second input of the microcontroller 9, the output of the first current source 8 is connected to the outputs of the first thermistor 6, the first shunt resistor 10 and the third input of the microcontroller 9, and the output of the microcontroller 9 is connected to the input of the amplifier d force sensor 2.

В отличие от прототипа, в предлагаемый акселерометр введены блоки 11, 12, 13 и связи блоков: выход второго источника тока 13 соединен с выводами второго терморезистора 12, второго шунтирующего резистора 11 и четвертым входом микроконтроллера 9, причем первый терморезистор размещен вблизи упругого подвеса, а второй терморезистор - вблизи аналого-цифрового преобразователя.Unlike the prototype, blocks 11, 12, 13 and block connections are introduced into the proposed accelerometer: the output of the second current source 13 is connected to the terminals of the second thermistor 12, the second shunt resistor 11 and the fourth input of the microcontroller 9, and the first thermistor is placed near the elastic suspension, and the second thermistor is near the analog-to-digital converter.

5.2 Измерение ускорения с использованием предлагаемого акселерометра осуществляется следующим образом.5.2 Measurement of acceleration using the proposed accelerometer is carried out as follows.

При воздействии на акселерометр ускорения gиз, чувствительный элемент, не показанный на чертеже, отклоняется на упругом подвесе. Это отклонение фиксирует датчик положения 3, выходной сигнал которого после усиления в усилителе 4 поступает на первый вход микроконтроллера 9. Микроконтроллер 9 формирует ШИМ-сигнал, поступающий с выхода микроконтроллера 9 на вход усилителя 2. По этому ШИМ-сигналу усилитель 2 создает ток, поступающий с его выхода в обмотку датчика силы 1 и последовательно включенный с ним масштабный резистор 5. В результате датчик силы прикладывает к чувствительному элементу силу до обнуления выходного сигнала датчика положения (до обнуления отклонения чувствительного элемента).When the accelerometer is acted upon by the acceleration g from , the sensitive element, not shown in the drawing, is deflected on an elastic suspension. This deviation is fixed by position sensor 3, the output signal of which, after amplification in amplifier 4, is fed to the first input of microcontroller 9. Microcontroller 9 generates a PWM signal from the output of microcontroller 9 to the input of amplifier 2. According to this PWM signal, amplifier 2 generates a current from its outlet to the winding of the force sensor 1 and the scale resistor 5 connected in series with it. As a result, the force sensor applies force to the sensitive element until the output signal of the position sensor is zeroed (until the deflection of the sensitive element is zeroed).

Ток i, протекающий через датчик силы и масштабный резистор, можно записать в виде:The current i flowing through the force sensor and the scale resistor can be written as:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Км - масштабный коэффициент акселерометра;where K m is the scale factor of the accelerometer;

gиз - ускорение, измеряемое акселерометром;g from - acceleration measured by the accelerometer;

g0 - нулевой сигнал (в единицах ускорения).g 0 - zero signal (in acceleration units).

Напряжение UВ1 на входе АЦП 7 пропорционально току i:The voltage U B1 at the input of the ADC 7 is proportional to the current i:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Rм - сопротивление масштабного резистора.where R m is the resistance of the scale resistor.

Масштабный резистор имеет малый температурный коэффициент сопротивления (ТКС).The scaling resistor has a low temperature coefficient of resistance (TCR).

С учетом (1), (2) выходной (цифровой) сигнал АЦП 7:Taking into account (1), (2), the output (digital) signal of ADC 7:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Кц - коэффициент пропорциональности;where K c - coefficient of proportionality;

U1g=KцRмKмgиз - цифровой измерительный сигнал;U 1g = K c R m K m g from - digital measuring signal;

U1g0=KцRмKмg0 - суммарный цифровой нулевой сигнал, обусловленный температурами областей упругого подвеса и аналого-цифрового преобразователя.U 1g0 = K c R m K m g 0 - total digital zero signal due to the temperatures of the areas of the elastic suspension and the analog-to-digital converter.

Цифровой сигнал (3) поступает с выхода АЦП 7 на второй вход микроконтроллера 9.The digital signal (3) comes from the output of the ADC 7 to the second input of the microcontroller 9.

Микроконтроллер 9 корректирует значение U1 с учетом раздельной компенсации нулевых сигналов, составляющих суммарный цифровой нулевой сигнал и обусловленных двумя различными температурами областей упругого подвеса и аналого-цифрового преобразователя.The microcontroller 9 corrects the value of U 1 taking into account the separate compensation of zero signals constituting the total digital zero signal and due to two different temperatures of the areas of the elastic suspension and the analog-to-digital converter.

По скорректированному цифровому сигналу W с выхода микроконтроллера судят об ускорении gиз.According to the corrected digital signal W from the microcontroller output, the acceleration g from is judged.

5.3 Измерение и компенсацию нулевого сигнала акселерометра, обусловленного температурой первой области (области упругого подвеса), осуществляют с использованием кусочно-линейной модели следующим образом.5.3 Measurement and compensation of the zero accelerometer signal due to the temperature of the first region (elastic suspension region) is carried out using a piecewise linear model as follows.

С выхода первого источника тока 8 постоянный ток поступает на первый терморезистор 6, сопротивление которого изменяется пропорционально текущей температуре Tt корпуса терморезистора, расположенного вблизи упругого подвеса чувствительного элемента. В результате на первом шунтирующем сопротивлении формируется напряжение, пропорциональное текущей температуре Tt упругого подвеса. Сигнал, соответствующий температуре Tt, поступает на третий вход микроконтроллера. По команде микроконтроллера проводится калибровка (учет нулевого сигнала) АЦП.From the output of the first current source 8, a direct current is supplied to the first thermistor 6, the resistance of which changes in proportion to the current temperature T t of the thermistor housing located near the elastic suspension of the sensitive element. As a result, a voltage proportional to the current temperature T t of the elastic suspension forms on the first shunt resistance. The signal corresponding to the temperature T t is fed to the third input of the microcontroller. At the command of the microcontroller, the ADC is calibrated (accounting for the zero signal).

Рабочий температурный диапазон акселерометра (при его изготовлении), соответствующий области упругого подвеса, разделяют на r поддиапазонов (r больше 5) и для каждого поддиапазона температуры от Тi до Ti+1 (i от 1 до r) определяют начальный поправочный коэффициент Pi (для температуры Тi) и конечный поправочный коэффициент Pi+1 (для температуры Ti+1).The operating temperature range of the accelerometer (during its manufacture), corresponding to the area of elastic suspension, is divided into r subranges (r is greater than 5) and for each temperature subrange from T i to T i + 1 (i from 1 to r) the initial correction factor P i is determined (for temperature T i ) and the final correction factor P i + 1 (for temperature T i + 1 ).

Коэффициенты модели температурной компенсации Рi, Тi характеризуют смещение нуля акселерометра (после калибровки нулевого сигнала АЦП) и значение температуры на i-той границе температурного поддиапазона соответственно.The coefficients of the temperature compensation model Р i , Т i characterize the zero offset of the accelerometer (after calibrating the ADC zero signal) and the temperature value at the i-th limit of the temperature sub-range, respectively.

5.4 Измерение и компенсацию нулевого сигнала акселерометра, обусловленного температурой второй области (области аналого-цифрового преобразователя), осуществляют с использованием кусочно-линейной модели следующим образом.5.4 Measurement and compensation of the zero signal of the accelerometer due to the temperature of the second region (the region of the analog-to-digital converter) is carried out using a piecewise-linear model as follows.

С выхода второго источника тока 13 постоянный ток поступает на второй терморезистор 12, сопротивление которого изменяется пропорционально текущей температуре T2t корпуса терморезистора, расположенного в электронном блоке акселерометра вблизи АЦП. В результате на втором шунтирующем резисторе формируется напряжение, пропорциональное текущей температуре T2t. Сигнал, соответствующий температуре T2t, поступает на четвертый вход микроконтроллера. По команде микроконтроллера проводится калибровка (учет нулевого сигнала) АЦП.From the output of the second current source 13, direct current is supplied to the second thermistor 12, the resistance of which changes in proportion to the current temperature T 2t of the thermistor housing located in the electronic unit of the accelerometer near the ADC. As a result, a voltage is generated across the second shunt resistor, which is proportional to the current temperature T 2t . The signal corresponding to the temperature T 2t is fed to the fourth input of the microcontroller. At the command of the microcontroller, the ADC is calibrated (taking into account the zero signal).

Второй рабочий температурный диапазон акселерометра (при его изготовлении), соответствующий области аналого-цифрового преобразователя, разделяют на s поддиапазонов (s больше 5) и для каждого поддиапазона температуры от T2i до T2i+1 (i от 1 до s) определяют начальный поправочный коэффициент Ei (для температуры T2i) и конечный поправочный коэффициент E2i+1 (для температуры T2i+1). Количество поддиапазонов s для области АЦП может отличаться от количества поддиапазонов r для упругого подвеса.The second operating temperature range of the accelerometer (during its manufacture), corresponding to the area of the analog-to-digital converter, is divided into s sub-ranges (s is greater than 5) and for each temperature sub-range from T 2i to T 2i + 1 (i from 1 to s) the initial correction factor E i (for temperature T 2i ) and final correction factor E 2i + 1 (for temperature T 2i + 1 ). The number of subbands s for the ADC domain may differ from the number of subbands r for an elastic suspension.

Коэффициенты модели температурной компенсации Еi, T2i характеризуют смещение нуля акселерометра (после калибровки нулевого сигнала АЦП) и значение температуры АЦП на i-той границе температурного поддиапазона соответственно. Систематическая составляющая нулевого сигнала, обусловленного температурой области АЦП, фиксируется микроконтроллером после калибровки АЦП и исключается из выходной информации.The coefficients of the temperature compensation model E i , T 2i characterize the zero offset of the accelerometer (after calibrating the ADC zero signal) and the ADC temperature value at the i-th limit of the temperature subrange, respectively. The systematic component of the zero signal due to the temperature of the ADC area is fixed by the microcontroller after the ADC calibration and is excluded from the output information.

5.5 Коэффициенты модели компенсации нулевого сигнала акселерометра определяют при его изготовлении на этапе регулирования с использованием термокамеры.5.5 The coefficients of the model of compensation of the zero signal of the accelerometer are determined during its manufacture at the stage of regulation using a heat chamber.

Измерения выходного сигнала акселерометра начинают на границе (верхней или нижней) рабочего температурного диапазона i=1. На каждой температуре, соответствующей i-той (i от 1 до r) границе температурного поддиапазона, акселерометр выдерживают до установившегося режима его работы.Measurements of the output signal of the accelerometer begin at the border (upper or lower) of the operating temperature range i = 1. At each temperature corresponding to the i-th (i from 1 to r) border of the temperature sub-range, the accelerometer is maintained until its steady state of operation.

На границе рабочего температурного диапазона i=1:At the border of the working temperature range i = 1:

- включают акселерометр, проводят калибровку АЦП;- turn on the accelerometer, calibrate the ADC;

- устанавливают акселерометр в положение измерительной осью вертикально вверх, измеряют выходной сигнал АЦП U11;- set the accelerometer to the position of the measuring axis vertically upward, measure the output signal of the ADC U1 1 ;

- устанавливают акселерометр в положение измерительной осью вертикально вниз, измеряют выходной сигнал АЦП U21;- set the accelerometer to the position of the measuring axis vertically downward, measure the output signal of the ADC U2 1 ;

- рассчитывают нулевой сигнал акселерометра, соответствующий границе i=1, по формуле:- calculate the zero signal of the accelerometer corresponding to the boundary i = 1, according to the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

Не выключая акселерометр, устанавливают температуру в термокамере, соответствующую границе температурного поддиапазона i=2, и выдерживают акселерометр при этой температуре до установившегося режима его работы.Without turning off the accelerometer, set the temperature in the heat chamber corresponding to the boundary of the temperature sub-range i = 2, and hold the accelerometer at this temperature until its steady state of operation.

На границе рабочего температурного диапазона i=2:At the border of the working temperature range i = 2:

- устанавливают акселерометр в положение измерительной осью вертикально вверх, измеряют выходной сигнал АЦП U12;- set the accelerometer to the position of the measuring axis vertically upward, measure the output signal of the ADC U1 2 ;

- устанавливают акселерометр в положение измерительной осью вертикально вниз, измеряют выходной сигнал АЦП U22;- set the accelerometer to the position of the measuring axis vertically downward, measure the output signal of the ADC U2 2 ;

- проводят калибровку АЦП;- carry out the calibration of the ADC;

- устанавливают акселерометр в положение измерительной осью вертикально вверх, измеряют выходной сигнал АЦП U12k;- set the accelerometer to the position of the measuring axis vertically upward, measure the output signal of the ADC U1 2k ;

- устанавливают акселерометр в положение измерительной осью вертикально вниз, измеряют выходной сигнал АЦП U22k;- set the accelerometer to the position of the measuring axis vertically downward, measure the output signal of the ADC U2 2k ;

- рассчитывают нулевые сигналы по формулам:- zero signals are calculated using the formulas:

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где τi=2 - смещение нуля акселерометра на границе i=2 температурного поддиапазона до калибровки АЦП;where τ i = 2 is the zero offset of the accelerometer at the boundary of the i = 2 temperature sub-range before the ADC calibration;

Figure 00000007
- смещение нуля акселерометра на границе i=2 температурного поддиапазона после калибровки АЦП.
Figure 00000007
- displacement of the accelerometer zero at the boundary of the i = 2 temperature sub-range after the ADC calibration.

Аналогично проводят измерение выходной информации АЦП и расчет смещения нуля акселерометра на всех последующих температурных границах поддиапазонов, в том числе на i-тых границах второй области от 1 до s.Similarly, the ADC output information is measured and the zero offset of the accelerometer is calculated at all subsequent temperature boundaries of the sub-ranges, including on the i-th boundaries of the second region from 1 to s.

5.6 Расчет коэффициентов модели компенсации нулевого сигнала акселерометра, обусловленного температурой первой области (температурой упругого подвеса), проводят по формуле:5.6 The calculation of the coefficients of the model for compensating the zero signal of the accelerometer due to the temperature of the first region (the temperature of the elastic suspension) is carried out according to the formula:

Figure 00000008
Figure 00000008

где U10, U20 - выходные сигналы АЦП в положениях измерительной оси акселерометра вертикально вверх и вниз соответственно при нормальной температуре.where U1 0 , U2 0 are the output signals of the ADC in the positions of the measuring axis of the accelerometer vertically up and down, respectively, at normal temperature.

5.7 Расчет коэффициентов модели компенсации нулевого сигнала акселерометра, обусловленного температурой второй области (температурой АЦП), проводят по формулам:5.7 The calculation of the coefficients of the compensation model for the zero signal of the accelerometer due to the temperature of the second region (ADC temperature) is carried out according to the formulas:

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

5.8 С учетом линейной зависимости температурной погрешности в выбранных поддиапазонах от T1 до Ti+1 коэффициент компенсации нулевого сигнала, обусловленного температурой первой области (температурой упругого подвеса), имеет вид:5.8 Taking into account the linear dependence of the temperature error in the selected subranges from T 1 to T i + 1, the compensation coefficient for the zero signal due to the temperature of the first region (temperature of the elastic suspension) has the form:

Figure 00000011
Figure 00000011

5.9 С учетом линейной зависимости температурной погрешности в выбранных поддиапазонах от T2i до T2i+1 коэффициент компенсации нулевого сигнала, обусловленного температурой второй области (температурой АЦП), имеет вид:5.9 Taking into account the linear dependence of the temperature error in the selected subranges from T 2i to T 2i + 1, the compensation coefficient of the zero signal due to the temperature of the second region (ADC temperature) has the form:

Figure 00000012
Figure 00000012

или после преобразований:or after transformations:

Figure 00000013
Figure 00000013

где Т20 - начальное значение температуры АЦП после включения акселерометра.where T 20 is the initial value of the ADC temperature after turning on the accelerometer.

5.10 Результирующий выходной (цифровой) сигнал акселерометра с учетом компенсации нулевого сигнала, обусловленного температурами двух областей, имеет вид:5.10 The resulting output (digital) signal of the accelerometer, taking into account the compensation of the zero signal due to the temperatures of the two regions, has the form:

Figure 00000014
Figure 00000014

где K=g/(M0fCe) - коэффициент преобразования выходного сигнала микроконтроллера для формирования требуемой цены единицы младшего разряда выходного кода;where K = g / (M 0 fC e ) is the conversion factor of the microcontroller output signal to form the required unit price of the least significant bit of the output code;

g - ускорение Земного тяготения в месте испытаний акселерометра;g - acceleration of the Earth's gravity at the place where the accelerometer was tested;

Figure 00000015
- расчетное значение выходного сигнала акселерометра при действии ускорения 1g без учета систематической составляющей относительной погрешности масштабного коэффициента;
Figure 00000015
- the calculated value of the output signal of the accelerometer under the action of acceleration 1g without taking into account the systematic component of the relative error of the scale factor;

f - частота опроса АЦП;f is the sampling rate of the ADC;

Се - цена единицы младшего разряда выходного кода акселерометра.С е - unit price of the least significant bit of the output code of the accelerometer.

5.11 Для реализации предлагаемого акселерометра могут быть использованы полупроводниковый терморезистор ТР-1 и шунтирующий резистор С2-29В. В качестве источника тока может быть использована, например, микросхема AD7711.5.11 To implement the proposed accelerometer, a semiconductor thermistor TR-1 and a shunt resistor C2-29V can be used. The current source can be used, for example, the AD7711 microcircuit.

5.12 Расчет эффективности изобретения5.12 Calculation of the effectiveness of the invention

Рассмотрим результаты регулирования в процессе изготовления акселерометра.Consider the results of regulation in the process of manufacturing the accelerometer.

В таблице 1 приведены результаты определения коэффициентов М0, Pi и Ei модели компенсации нулевого сигнала акселерометра с учетом измерения температуры двух (Тi первой и T2i второй) областей в диапазоне окружающих температур минус 5…+65°С при отсутствии компенсации.Table 1 shows the results of determining the coefficients M 0 , P i and E i of the model of compensation of the zero signal of the accelerometer taking into account the measurement of the temperature of two (T i first and T 2i second) regions in the range of ambient temperatures minus 5 ... + 65 ° C in the absence of compensation.

Figure 00000016
Figure 00000016

Без компенсации максимальное температурное изменение нулевого сигнала акселерометра в температурном диапазоне минус 5…+65°С (таблица 1):Without compensation, the maximum temperature change of the zero signal of the accelerometer in the temperature range of minus 5 ... + 65 ° С (table 1):

Figure 00000017
Figure 00000017

Максимальная систематическая составляющая нулевого сигнала акселерометра (при автоматическом исключении нулевого сигнала АЦП микроконтроллером) по абсолютной величине в рабочем температурном диапазоне минус 5…+65°С (таблица 1):The maximum systematic component of the zero signal of the accelerometer (with automatic exclusion of the zero signal of the ADC by the microcontroller) in absolute value in the operating temperature range of minus 5 ... + 65 ° С (table 1):

Figure 00000018
Figure 00000018

Температура области упругого подвеса акселерометра может отличаться от температуры области АЦП на 5…10°С в процессе измерения ускорения.The temperature of the elastic suspension area of the accelerometer can differ from the temperature of the ADC area by 5 ... 10 ° C during the acceleration measurement.

Проведем оценку эффективности пространственного разделения температурного поля акселерометра на две области (первую и вторую).Let us assess the efficiency of spatial division of the temperature field of the accelerometer into two regions (first and second).

Вначале рассмотрим вариант установки в акселерометр только одного датчика температуры (совместно второй терморезистор, второй источник тока, второй шунтирующий резистор) второй области. Температурный коэффициент нулевого сигнала, обусловленного первой областью, в диапазоне минус 5…+65°С составляет (таблица 1):First, we will consider the option of installing only one temperature sensor in the accelerometer (together the second thermistor, the second current source, the second shunt resistor) of the second region. The temperature coefficient of the zero signal due to the first area in the range of minus 5 ... + 65 ° С is (table 1):

Figure 00000019
Figure 00000019

Тогда отличие температуры области упругого подвеса на ΔТ=10°С от температуры АЦП приведет к появлению некомпенсируемого нулевого сигнала:Then the difference in the temperature of the elastic suspension region by ΔT = 10 ° C from the ADC temperature will lead to the appearance of an uncompensated zero signal:

Figure 00000020
Figure 00000020

Таким образом, установка одного датчика температуры и компенсация нулевого сигнала с его использованием приводит к повышению точности акселерометра в 0,00086/0,00017=5,05 раза.Thus, installing one temperature sensor and compensating for a zero signal using it leads to an increase in the accuracy of the accelerometer by a factor of 0.00086 / 0.00017 = 5.05 times.

Проведем оценку эффективности введения компенсации нулевого сигнала с учетом разделения температурного поля акселерометра на две области, где первая область соответствует упругому подвесу, а вторая область соответствует АЦП.Let us evaluate the efficiency of introducing compensation for the zero signal, taking into account the division of the temperature field of the accelerometer into two regions, where the first region corresponds to the elastic suspension, and the second region corresponds to the ADC.

Figure 00000021
Figure 00000021

В таблице 2 приведены результаты измерения нулевого сигнала с учетом пространственного разделения температурного поля акселерометра на две области и компенсации нулевых сигналов, обусловленных температурой каждой области, в соответствии с предлагаемым изобретением.Table 2 shows the results of measuring the zero signal taking into account the spatial division of the temperature field of the accelerometer into two regions and the compensation of zero signals due to the temperature of each region, in accordance with the invention.

Из таблицы 2 следует, что пространственное разделение температурного поля акселерометра на две области позволяет скомпенсировать нулевой сигнал (в рассматриваемом температурном диапазоне минус 5…+65°С), до величины δτ:It follows from Table 2 that the spatial division of the temperature field of the accelerometer into two regions allows compensating the zero signal (in the considered temperature range minus 5 ... + 65 ° С), up to the value δτ:

Figure 00000022
Figure 00000022

При этом максимальная систематическая составляющая нулевого сигнала не превысила по абсолютной величине (таблица 2):At the same time, the maximum systematic component of the zero signal did not exceed in absolute value (Table 2):

Figure 00000023
Figure 00000023

В результате температурная составляющая нулевого сигнала с учетом (14) и (16) снижена по абсолютной величине в 0,00086/0,00002507=34,3 раза.As a result, the temperature component of the zero signal, taking into account (14) and (16), is reduced in absolute value by a factor of 0.00086 / 0.00002507 = 34.3 times.

При этом систематическая составляющая нулевого сигнала с учетом (15) и (17) снижена в 0,0007349/0,0000163=45 раз.In this case, the systematic component of the zero signal, taking into account (15) and (17), is reduced by a factor of 0.0007349 / 0.0000163 = 45 times.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет, по сравнению с прототипом, существенно повысить точность рассматриваемого прибора и, тем самым, создать акселерометр, обладающий высокой точностью в широком диапазоне рабочих температур.Thus, the proposed invention allows, in comparison with the prototype, to significantly improve the accuracy of the device under consideration and, thereby, create an accelerometer with high accuracy in a wide range of operating temperatures.

Claims (2)

1. Акселерометр компенсационного типа, содержащий чувствительный элемент с магнитоэлектрическим датчиком силы, датчиком положения и упругим подвесом, масштабный резистор, усилители датчика силы и положения, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, первый терморезистор, первый шунтирующий резистор, первый источник тока, первый вывод обмотки датчика силы соединен с первым выводом масштабного резистора, второй вывод обмотки датчика силы подключен к выходу усилителя датчика силы, выход датчика положения соединен с входом усилителя датчика положения, выход усилителя датчика положения соединен с первым входом микроконтроллера, первый вывод масштабного резистора через аналого-цифровой преобразователь подключен ко второму входу микроконтроллера, выход первого источника тока соединен с выводами первого терморезистора, первого шунтирующего резистора и третьим входом микроконтроллера, а выход микроконтроллера соединен с входом усилителя датчика силы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй терморезистор, второй шунтирующий резистор и второй источник тока, причем выход второго источника тока соединен с выводами второго терморезистора, второго шунтирующего резистора и четвертым входом микроконтроллера.1.A compensatory type accelerometer containing a sensing element with a magnetoelectric force sensor, a position sensor and an elastic suspension, a scale resistor, amplifiers of a force and position sensor, an analog-to-digital converter, a microcontroller, a first thermistor, a first shunt resistor, a first current source, a first winding terminal of the force sensor is connected to the first terminal of the scale resistor, the second terminal of the winding of the force sensor is connected to the output of the force sensor amplifier, the output of the position sensor is connected to the input of the amplifier of the position sensor, the output of the amplifier of the position sensor is connected to the first input of the microcontroller, the first terminal of the scale resistor is through an analog-to-digital converter connected to the second input of the microcontroller, the output of the first current source is connected to the terminals of the first thermistor, the first shunt resistor and the third input of the microcontroller, and the output of the microcontroller is connected to the input of the force sensor amplifier, characterized in that it is supplemented with The second thermistor, the second shunt resistor and the second current source are introduced separately, and the output of the second current source is connected to the terminals of the second thermistor, the second shunt resistor and the fourth input of the microcontroller. 2. Акселерометр компенсационного типа по п. 1, отличающийся тем, что первый терморезистор расположен вблизи упругого подвеса, а второй терморезистор - вблизи аналого-цифрового преобразователя.2. An accelerometer of the compensation type according to claim 1, characterized in that the first thermistor is located near the elastic suspension, and the second thermistor is located near the analog-to-digital converter.
RU2020107219A 2020-02-17 2020-02-17 Compensation type accelerometer RU2741277C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020107219A RU2741277C1 (en) 2020-02-17 2020-02-17 Compensation type accelerometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020107219A RU2741277C1 (en) 2020-02-17 2020-02-17 Compensation type accelerometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741277C1 true RU2741277C1 (en) 2021-01-22

Family

ID=74213348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020107219A RU2741277C1 (en) 2020-02-17 2020-02-17 Compensation type accelerometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741277C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU220141U1 (en) * 2023-05-15 2023-08-29 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" Linear acceleration measuring device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5220831A (en) * 1991-07-31 1993-06-22 Sundstrand Corporation Closed loop temperature compensation for accelerometer current scale factor
RU2041465C1 (en) * 1988-01-04 1995-08-09 Миасский электромеханический научно-исследовательский институт Научно-производственного объединения "Электромеханика" Accelerometer of compensation type
GB2317018A (en) * 1996-08-29 1998-03-11 Gibert Francis Jean Paul Low drift, temperature compensated accelerometer component
SU1010950A1 (en) * 1980-11-14 2005-07-27 Н.А. Горбачев COMPENSATION ACCELEROMETER
RU2434233C1 (en) * 2010-03-05 2011-11-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение электромеханики" Compensation-type accelerometer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1010950A1 (en) * 1980-11-14 2005-07-27 Н.А. Горбачев COMPENSATION ACCELEROMETER
RU2041465C1 (en) * 1988-01-04 1995-08-09 Миасский электромеханический научно-исследовательский институт Научно-производственного объединения "Электромеханика" Accelerometer of compensation type
US5220831A (en) * 1991-07-31 1993-06-22 Sundstrand Corporation Closed loop temperature compensation for accelerometer current scale factor
GB2317018A (en) * 1996-08-29 1998-03-11 Gibert Francis Jean Paul Low drift, temperature compensated accelerometer component
RU2434233C1 (en) * 2010-03-05 2011-11-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение электромеханики" Compensation-type accelerometer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU220141U1 (en) * 2023-05-15 2023-08-29 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный комплекс "Электрооптика" Linear acceleration measuring device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI454671B (en) Method and apparatus for measuring the temperature of a gas in a mass flow controller
US8092084B2 (en) System and method for temperature measurement
US5343755A (en) Strain gage sensor with integral temperature signal
EP0073217A1 (en) Bridge circuit compensation for environmental effects
US8874387B2 (en) Air flow measurement device and air flow correction method
US5946642A (en) Air data measurement system with circuit for linearizing pressure transducer output
RU2741277C1 (en) Compensation type accelerometer
CN117129114B (en) High-precision pressure sensor with temperature compensation open loop bridge balance structure
GB2156087A (en) Temperature compensated resistance bridge circuit
US8823364B2 (en) DC responsive transducer with on-board user actuated auto-zero
KR101074599B1 (en) Temperature Detector and Measurement Method Of The Same
JP3084579B2 (en) Temperature sensor linearization processing method
RU2434233C1 (en) Compensation-type accelerometer
JPS6248280B2 (en)
RU2395060C1 (en) Frequency converter for disbalance signal of strain gauge bridge with low temperature error
JP2000266773A (en) Hot wire flowmeter and its conversion table forming method
RU2789106C1 (en) Method for measuring liquid or gas pressure and device for its implementation
Husak et al. Use of barometric sensor for vertical velocity measurement
US4044613A (en) Direct reading temperature measuring bridge circuit
SU584200A1 (en) Temperature measuring device
SU708174A1 (en) Temperature difference measuring device
SU838419A1 (en) Time-to-pulse converter for resistive temperature gages
SU295035A1 (en) P T B I
SU732685A1 (en) Temperature measuring device
Filina et al. BASIC INSTRUMENTATION FOR ELECTRICAL MEASUREMENT OF NON-ELECTRICAL QUANTITIES