[1]Способ относится к измерительной технике и может быть использован в области проектирования приборов для измерения линейного ускорения.
[2]Линейность масштабного коэффициента акселерометра линейных ускорений является важнейшей технической характеристикой, определяющей класс измерителя линейных ускорений. Для маятниковых акселерометров линейных ускорений компенсационного типа как кварцевых, так и кремниевых величина нелинейности масштабного коэффициента, вызванная датчиком компенсационного момента, обычно является наибольшей по отношению к значениям нели-нейностей, возникающих от других погрешностей. Поясним причину этого явления.
[3]В маятниковых акселерометрах Q-flex и Si-flex для создания компенсационного момента обычно используются плунжерные датчики, в которых при протекании тока по катушке возникают две силы.
[4]Первая сила Fмэ - магнитоэлектрическая, пропорциональна току, создает компенсационную силу Ампера:
[5]
[6]где В - магнитная индукция в зазоре, I - ток, n, Lcp - число витков в катушке датчика и средняя длина витка, α - угол ориентации направления тока относительно направления вектора В.
[7]Вторая сила - электромагнитная Fэм, возникает вследствие притяжения катушкой с током магнитопровода плунжерного датчика.
[8]Электромагнитная сила:
[9]
[10]пропорциональна квадрату тока и создает упомянутую выше нелинейность масштабного коэффициента.
[11]Аналогом способа снижения нелинейности масштабного коэффициента, вызванной электромагнитным моментом, является способ, описанный в книге Коновалова С.Ф. [1, стр. 54]. Способ использует устройство, состоящее во введении в конструкцию дополнительной обмотки с числом витков ω1 [1, стр. 52, 54, рис. 2.4], по которой течет ток I1, пропорциональный основному току I.
[12]Обмотка ω1 с протекающим по ней током I1 создает магнитный поток, который, взаимодействуя с током I, создает момент компенсации:
[13]
[14]где (см. формулу (2.53) в [1, стр. 54]), RNS+Rв.з. - суммарное магнитное сопротивление постоянного магнита и воздушного зазора, ω, h - число витков основной катушки и плечо ее крепления.
[15]Способ-аналог состоит в выборе параметров системы, при котором обеспечивается равенство коэффициента К1 коэффициенту К2, где К1 - коэффициент пропорциональности крутизны характеристики датчика момента акселерометра углу поворота подвижного узла α, КДМ=К1α, коэффициент К2 - коэффициент пропорциональности между компенсационным моментом, создаваемым введенной в конструкцию обмоткой с числом витков ω1, и квадратом тока I2, который создает электромагнитную силу, вызывающую нелинейность масштабного коэффициента.
[16]Недостатком способа-аналога является невозможность полного устранения нелинейности масштабного коэффициента в виду невозможности точного обеспечения требования К1=К2.
[17]В качестве способа-прототипа выбран способ исключения нелинейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра, вызванной возникновением электромагнитной силы, асимметрией магнитной системы моментного датчика акселерометра, состоящий в «выполнении контура разгрузки акселерометра в виде импульсной следящей системы, обеспечивающей постоянство амплитуды тока, протекающего в обмотке датчика момента» [1, стр. 55, 160-164]. При такой импульсной системе исключение нелинейности масштабного коэффициента за счет минимизации электромагнитной силы обеспечивается «изменением времени протекания в обмотке датчика момента положительно и отрицательно направленных токов благодаря использованию широтно-импульсной модуляции».
[18]Действительно, для маятникового акселерометра линейных ускорений, у которого системой обратной связи подаются в датчик момента импульсы тока постоянной амплитуды, основное уравнение записывается в виде:
[19]
[20]где m⋅l - маятниковость, а - линейное ускорение вдоль оси чувствительности акселерометра, KДМ - крутизна характеристики датчика момента, Iср - среднее значение тока за определенный отрезок времени, определяемый типом модулятора. Поскольку при использовании, например, широтно-импульсной модуляции, среднее значение тока зависит от отношения длительности импульса постоянной амплитуды, формируемой модулятором, к периоду дискретизации, а импульсы могут иметь противоположный знак, то обеспечить обнуление электромагнитной силы, пропорциональной квадрату тока, можно, выбирая определенное соответствие длительностей интервалов положительных и отрицательных импульсов тока.
[21]Способ-прототип, реализованный с помощью устройства, описанного в [1, стр. 162-163, рис. 6.7 а)], имеет недостатки:
[22]1. Способ-прототип, исключая нелинейность масштабного коэффициента акселерометра, вызванную электромагнитной силой, создает нелинейность вследствие несоответствия между цифровым сигналом на выходе схемы и импульсами тока, поступающими в цепь обратной связи. В установившемся режиме в акселерометре, система обратной связи которого формирует импульсный ток Iср, поступающий в датчик момента, а выходной сигнал формируется в виде количества импульсов Nвых (цифрового сигнала), пропорционального среднему значению тока, выполняются соотношения (4) и (5).
[23]
[24]где Fвых=1/Nвых, КМ - масштабный коэффициент акселерометра. Нарушение соответствия между Iср средним значением тока, поступающим в датчик момента, и средней за период Т0 частотой Fвых и соответствующим Nвых - количеством импульсов, т.е. цифровым сигналом на выходе схемы означает нелинейность масштабного коэффициента. [1, стр. 161, рис. 6.6)].
[25]Действительно, поскольку устройство, реализующее способ-прототип [1, стр. 162-163, рис. 6.7 а)], содержащее широтно-импульсный модулятор в виде преобразователя «напряжение - временной интервал», выполнено на аналоговых компонентах, то для того, чтобы начало и конец импульса тока обратной связи совпадали с передним (или задним) фронтом заполняющих импульсов fзап.0, поступающих в ЦВМ и формирующих выходной цифровой сигнал, в способ-прототип приходится вводить специальные операции для обеспечения соответствия между количеством импульсов, заполняющих временной интервал, и импульсами тока, поступающими в цепь обратной связи.
[26]Это достигается путем формирования в способе-прототипе вспомогательных импульсов, к которым предъявляются требования к их частоте и фазовой ориентации относительно заполняющих (счетных) импульсов.
[27]Введение вспомогательных импульсов в способ-прототип исключает нелинейность масштабного коэффициента акселерометра от несоответствия между количеством импульсов, заполняющих временной интервал, и импульсами тока, поступающими в датчик момента цепи обратной связи, но это приводит к усложнению устройства, реализующего способ-прототип.
[28]2. Способ-прототип обладает еще одним недостатком, для устранения которого в способе-прототипе не предложено никаких операций.
[29]Дело в том, что устройство, реализующее способ-прототип [1, стр. 162-163, рис. 6.7 а)], как и любая схема устройства, формирующего импульсы тока постоянной амплитуды для подачи в датчик момента, содержит стабилизатор тока и переключатель. При формировании импульсов тока в стабилизаторе имеет место переходный процесс, вследствие чего форма импульса тока отличается от прямоугольной. Любой переключатель тока создает задержку, что приводит к возрастанию амплитуды тока в переходном процессе. Оба этих фактора приводят к несоответствию среднего значения тока Iср, поступающего в датчик момента за период дискретизации, расчетному значению, а, следовательно, приводят к нелинейности масштабного коэффициента.
[30]Задачей изобретения является обеспечение линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа.
[31]Технический результат достигается тем, что в способе обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа, заключающемся в том, что выполняют модуляцию тока датчика момента с периодом дискретизации Т0, обеспечивают постоянство амплитуды Iа и определенную длительность τраб рабочих импульсов тока, подаваемых в датчик момента и соответствующих измеряемому линейному ускорению, интервалы времени Т0 и τраб заполняют целым числом счетных импульсов, для чего формируют и подают в систему обратной связи акселерометра вспомогательные импульсы определенной частоты и фазового расположения по отношению к счетным импульсам, согласно изобретению на каждом такте дискретизации n⋅Т0 посредством микроконтроллера обратной связи акселерометра в соответствии с алгоритмом разностного уравнения, рассчитывают цифровой код IДМ(n⋅T0), который соответствует среднему за период Т0 значению тока датчика момента Iср; формируют последовательность рабочих импульсов, формируют два равных по величине вспомогательных импульса длительностью τвсп и две равные по величине паузы τпауз, при этом длительность рабочего импульса τраб(n⋅Т0) на «n»-м такте определяется выражением
[32]
[33]где Iдм (n⋅Т0) - цифровой код уровня сигнала на входе широтно-импульсного модулятора на том же такте, IДМmax - цифровой код, определяемый соотношением:
[34]
, длительность каждого вспомогательного импульса τвсп равна либо превышает время переходного процесса по переднему фронту рабочего импульса, а длительность каждой паузы тпауз выбрана в соответствии с выражением 
, где минимальная длительность паузы равна: 
, обеспечивают формирование постоянной и высокостабильной величины амплитуды Iа рабочего и вспомогательных импульсов, размещают вспомогательные импульсы либо: в начале каждого «nТ0»-ого такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс тока; к первому вспомогательному импульсу присоединяют рабочий импульс; через промежуток времени, обеспечивающий выполнение соотношения , размещают на интервале Т0 второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса; либо: на «n⋅Т0»-м такте дискретизации размещают первый вспомогательный импульс тока; к этому вспомогательному импульсу тока присоединяют рабочий импульс; через промежуток времени, обеспечивающий выполнение соотношения: , размещают на интервале Т0 второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса, а в начале следующего «(n+1)⋅T0»-го такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс, знак которого совпадает со знаком второго вспомогательного импульса «n⋅Т0»-ого такта дискретизации, через интервал времени, обеспечивающий выполнение соотношения , размещают второй вспомогательный импульс «(n+1)⋅T0»-го такта, знак которого соответствует знаку рабочего импульса, который формируют и присоединяют ко второму вспомогательному импульсу.
[35]На фиг. 1 приведена структурная схема устройства - маятникового акселерометра с цифровой обратной связью. Цифровая обратная связь реализуется микроконтроллером и усилителем мощности, в состав которого входит стабилизатор тока и переключатель.
[36]На фиг. 2 представлена структурная схема микроконтроллера. Микроконтроллер, помимо центрального вычислителя (процессора), имеет периферию, т.е. кристаллы, на которых выполнены следующие элементы: АЦП, центральный вычислитель, сложные программируемые логические микросхемы, на которых организованы широтно-импульсный модулятор (ШИМ), первый таймер и второй таймер, умножитель частоты; ШИМ образуют второй таймер и сравнивающее устройство.
[37]Способ включает выполнение следующих операций:
[38]1. Центральный вычислитель микроконтроллера на каждом такте дискретизации n⋅Т0, где Т0 - период дискретизации, в соответствии с алгоритмом разностного уравнения рассчитывает цифровой код IДМ(n⋅Т0), который соответствует среднему за период Т0 значению тока датчика момента, который, в свою очередь, пропорционален измеряемому линейному ускорению.
[39]Использование алгоритмов, задаваемых разностным уравнением, которое записывается для систем регулирования цифровых систем, широко известно и приведено, например, в [3, стр. 451, выражение (15.96)].
[40]2. Для расчета цифрового кода IДМ(n⋅Т0) центральный вычислитель микроконтроллера использует значения цифрового кода на предыдущих шагах IДМ[(n-1)⋅Т0], IДМ[(n-2)⋅Т0], а также значения цифровых кодов напряжения на выходе АЦП микроконтроллера UДУ(n⋅Т0), UДУ[(n-1)⋅Т0], UДУ[(n-2)⋅Т0] с коэффициентами, записанными в разностном уравнении.
[41]Разностное уравнение имеет вид:
[42]IДМ(nТ0)=К1⋅IДМ[(n-1)Т0]-К2⋅IДМ[(n-2)Т0]+R1⋅UДУ(n⋅Т0)-R2⋅UДУ[(n-1)Т0]+
[44]где К1,2 и R1,2,3 - численные значения коэффициентов, которые формируются при построении разностного уравнения для каждого конкретного значения параметров акселерометра и цифрового усилителя обратной связи.
[45]3. ШИМ организованный внутри микроконтроллера, в соответствии с сигналом IДМ(n⋅Т0) формирует последовательность импульсов, амплитуда которых постоянна и определяется напряжением питания микроконтроллера, а длительность равна τраб(n⋅Т0). Рабочие импульсы длительности τраб(n⋅Т0) формируются по двум каналам - положительному и отрицательному в соответствии со знаком измеряемого линейного ускорения. Длительность интервала рабочего импульса τраб(n⋅Т0) на «n»-м такте определяется выражениями 
, где Iдм (n-Т0) - цифровой код уровня сигнала на входе широтно-импульсного модулятора на том же такте, IДМ max - цифровой код, определяемый соотношением 
.
[46]4. Таймеры микроконтроллера формируют два равных по величине вспомогательных импульса длительностью τвсп и две равные по величине паузы длительностью τпауз. Длительность каждого вспомогательного импульса τвсп равна либо превышает время переходного процесса по переднему фронту рабочего импульса, а длительность каждой паузы τпауз выбрана в соответствии с выражением , где минимальная длительность паузы равна .
[47]Длительность каждого вспомогательного импульса τвсп должна быть такой, чтобы она была равна времени переходного процесса по переднему фронту рабочего импульса либо несколько превышала ее (см. фиг. 3 и фиг. 4). Основная цель введения вспомогательных импульсов состоит в том, чтобы они выдавались на время переходного процесса, который возникает по переднему фронту рабочего импульса. Завершение переходного процесса должно совпадать с задним фронтом вспомогательного импульса, с которым совмещают передний фронт рабочего импульса.
[48]Паузы необходимы для того, чтобы фронты импульсов ШИМ не попадали на момент измерения сигнала, иначе наводки от фронтов мощных импульсов добавят большую ошибку в измерение сигнала.
[49]Равенство 0,5⋅(Т0-2 τвсп-τраб)=τпауз должно быть обеспечено, чтобы длительность обеих пауз была одинакова и длительности интервала Т0 было достаточно для размещения рабочего импульса, двух одинаковых вспомогательных импульсов и двух одинаковых пауз. Неравенство 
носит рекомендательный характер, как обеспечившее при экспериментальной проверке наилучший результат.
[50]5. Интервалы времени Т0, τвсп, τпауз формируются целым числом счетных импульсов.
[51]В способе-прототипе возникали проблемы при решении аналогичной задачи, которые приводили к несоответствию между количеством импульсов, заполняющих временной интервал, и импульсов тока, поступающих в цепь обратной связи. При наличии цифровой обратной связи в акселерометре эта задача решается программным способом, поскольку в микроконтроллере обеспечивается тактовая синхронизация ядра процессора, таймеров, реализующих временные интервалы Т0, τвсп, τпауз, внутреннего АЦП, преобразующего аналоговый сигнал с выхода предварительного усилителя, пропорциональный величине измеряемого ускорения, в цифровой код.
[52]6. Обеспечивают с помощью стабилизатора тока устройства формирование постоянной и высокостабильной величины амплитуды Iа рабочего и вспомогательных импульсов. Стабилизатор тока (см. фиг. 1) входит в состав усилителя мощности, который формирует импульсы тока, подаваемого в обмотку датчика момента. Операционный усилитель и резисторы Rэт, R1, R2 (фиг. 5) образуют обратную связь и вместе с источником опорного напряжения (ИОН) образуют стабилизатор тока. Эти элементы выбирают с повышенными требованиями к стабильности их параметров, чем и обеспечивается высокая стабильность амплитуды Iа рабочего и вспомогательных импульсов.
[53]7. Выполняют размещение рабочего и вспомогательных импульсов тока внутри каждого периода дискретизации Т0 по одному из двух вариантов:
[55]В начале каждого «nТ0»-го такта дискретизации размещают вспомогательный импульс амплитуды Iа, длительности τвсп, знак которого соответствует знаку рабочего импульса тока амплитуды Iа и длительности τраб(nТ0); к этому вспомогательному импульсу тока присоединяют рабочий импульс, амплитуда которого равна Iа и длительность τраб(nТ0). Присоединение выполняют таким образом, чтобы задний фронт вспомогательного импульса был совмещен с передним фронтом рабочего импульса. Через промежуток времени, при котором выполняется соотношение , размещают на периоде Т0 второй вспомогательный импульс амплитуды Iа, длительность которого равна τвсп, а знак противоположен знаку первого вспомогательного импульса;
[57]На каждом «nТ0» такте дискретизации повторяют размещение импульсов Варианта 1.
[58]В начале следующего «(n+1)Т0»-го такта дискретизации размещают вспомогательный импульс амплитуды Iа, знак и длительность которого совпадают со знаком и длительностью второго вспомогательного импульса «nТ0»-ого такта дискретизации, через интервал времени, при котором выполняется соотношение , на «n+1»-м такте дискретизации размещают второй вспомогательный импульс амплитудой Iа, длительности τвсп, знак которого соответствует знаку рабочего импульса; к этому вспомогательному импульсу тока присоединяют рабочий импульс, амплитуда которого равна Ia, длительность равна τраб(n⋅Т0).
[59]8. Обеспечивают указанную последовательность размещения вспомогательных и рабочих импульсов по варианту 1 либо 2 на всех тактах дискретизации в течение всего времени измерения акселерометром линейного ускорения.
[60]Рассмотрим, каким образом при использовании способа обеспечивается линейность масштабного коэффициента.
[61]Задача импульсов, поступающих с выхода ШИМ на вход усилителя мощности, содержащего стабилизатор тока и переключатель, только одна: обеспечить открытие переключателя тока усилителя мощности на промежуток времени, равный указанным строго регламентированным значениям τ(n⋅T0)=τраб(n⋅Т0).
[62]Импульсы, поступающие с выхода ШИМ на вход усилителя мощности, имеют строго прямоугольную форму (см. фиг. 3 и фиг. 4). В стабилизаторе тока применяют прецизионную электронную компонентную базу для обеспечения с высокой стабильностью постоянства амплитуды тока в импульсе Iа для обеспечения высокостабильного среднего за период дискретизации Т0 значения тока, пропорционального измеряемому линейному ускорению. Однако, индуктивность датчика момента, наличие переходных процессов в стабилизаторе тока приводят к отклонению реальной формы импульса тока от прямоугольной.
[63]В переключателе тока имеет место временная задержка, что приводит к перерегулированию и дополнительному отклонению формы импульса от прямоугольной. Переходные процессы по переднему и заднему фронтам рабочего импульса τраб(n⋅Т0), если не принять дополнительных мер, приводят к отклонению площади реального импульса от площади идеального импульса, которая должна быть равна Iа⋅τраб(n⋅Т0), т.е. к отклонению фактической величины среднего значения тока за период дискретизации от расчетного значения и, как следствие, к нелинейности масштабного коэффициента акселерометра.
[64]Действительно, в установившемся режиме измерения акселерометром линейного ускорения а выполняется равенство маятникового момента ml⋅a и компенсирующего момента, создаваемого датчиком момента при протекании среднего за интервал времени Т0 тока Iср.
[65]Среднее значение тока Iср выражается через значения тока в импульсе Iа, длительность рабочего импульса τраб(n⋅Т0) и период работы ШИМ, равный периоду дискретизации Т0:
[67]С другой стороны, измеряемое линейное ускорение пропорционально среднему за период Т0 значению частоты Fвых выходной информации и определено выражением (5), если выходная информация представляет собой унитарный код.
[68]Нарушение соответствия между Iср средним значением тока, поступающим в датчик момента, и частотой Fвых и количеством импульсов выходной информации Nвых, т.е. цифровым сигналом на выходе схемы означает нелинейность масштабного коэффициента.
[69]Произведение Ia⋅τраб(n⋅T0) - это площадь идеального импульса прямоугольной формы, которая искажается переходными процессами (см. фиг. 3 и 4).
[70]Длительность рабочего импульса τраб(n⋅Т0) меняется в зависимости от измеряемого линейного ускорения, поэтому относительная величина искажения площади идеального импульса практически не изменяющейся площадью переходных процессов будет меняться, это и является физическим объяснением влияния переходных процессов на нелинейность масштабного коэффициента акселерометра.
[71]Идея, которая реализуется в предлагаемом способе и обеспечивает линейность масштабного коэффициента, следующая.
[72]Если в течение периода Т0 ШИМ подавать по одному положительному и отрицательному вспомогательному импульсу одинаковой длительности τвсп, приближенно равной длительности переходного процесса по переднему фронту импульса тока датчика момента, и одинаковой амплитуды Iа, то средняя величина тока за период Т0 будет равна нулю с точностью, определяемой неодинаковостью фронтов вспомогательных импульсов. Если же длительность одного из импульсов увеличить на некоторую величину, то очевидно, средний ток за период ШИМ будет пропорционален этой самой величине.
[73]Следовательно, требуемая линейность преобразования может быть достигнута, если в течение периода ШИМ подавать два одинаковых вспомогательных импульса разной полярности, а к одному из них присоединять рабочий импульс длительности τраб(nТ0), то переходные процессы не будут искажать площадь рабочего импульса Iа⋅τраб(nТ0), т.к. переходные процессы на фронтах импульсов взаимно компенсируются с определенной точностью.
[74]Если из-за неодинаковости переходных процессов площади вспомогательных импульсов отличаются, то это приведет к возникновению момента, действующего на маятник. Но этот момент постоянен на любом из тактов n⋅Т0, проявляется как смещение нуля, которое легко компенсируется с помощью контроллера.
[75]Таким образом, в результате введения вспомогательных импульсов рабочий импульс приобретает форму прямоугольника с площадью Iа⋅τраб(nТ0), чему соответствует уменьшение на порядок нелинейности масштабного коэффициента акселерометра.
[76]На фиг. 3 представлено размещение вспомогательных импульсов и рабочего при организации размещения по варианту 1, а на фиг. 4 - при организации по варианту 2. Аналитическое доказательство эффективности способа громоздко и сложно математически. Экспериментальные проверки были проведены в большом объеме на макете с чувствительным элементом акселерометра и цифровой обратной связью и на измерительном канале модернизируемого прибора «безобогревной измеритель линейного ускорения» (БИЛУ).
[77]Прибор БИЛУ представляет собой шестиканальный измеритель линейного ускорения, который эксплуатируется в составе системы управления спускаемого аппарата корабля «Союз - ТМА». Каждый измерительный канал содержит акселерометр с аналоговым усилителем обратной связи и преобразователем «напряжение-частота». Техническое решение измерительного канала прибора БИЛУ запатентовано [4]. Модернизация прибора состоит в замене аналогового усилителя обратной связи акселерометра и преобразователя «напряжение-частота» на цифровой усилитель обратной связи с ШИМ, что обеспечит не только термоинвариантность масштабного коэффициента и смещения нуля, которые в существующем приборе обеспечивались реализацией патента [4], но и существенным повышением линейности масштабного коэффициента за счет реализации предлагаемого способа. Термоинвариантность параметров прибора при наличии цифровой обратной связи обеспечивается внесением в выходной цифровой код, вычисляемый процессором, поправок по информации термодатчика акселерометра, подключенного к внутреннему АЦП микроконтроллера. Это техническое решение очевидно и поэтому в заявляемом способе не отражено.
[78]Результаты экспериментальной проверки способа:
[79]Чувствительный элемент акселерометра имеет характеристики:
[80]Маятниковость m⋅l=0,15 Г⋅см при ускорении а=1 g. Крутизна характеристики датчика момента Кдм=150 Г⋅см/А=0,15 Г⋅см/мА. Это определяет характеристику чувствительного элемента 1 мА/g. Необходимо обеспечить диапазон измерения ±10g. Для реализации устройства применены: отечественный микроконтроллер 1986ВЕ9ЗУ (ЗАО ПКК «Миландр»), внешний генератор - кварцевый резонатор РК535-6АМ-8М-П10 (8 МГц), источник опорного напряжения 1369 ЕС01А4 («Интеграл» Белоруссия), операционный усилитель 544УД16УЗ («Восток» Новосибирск) для реализации стабилизатора тока, переключатель мостовой, выполненный на полевых транзисторах 2П524А9 («Интеграл», Белоруссия).
[81]В микроконтроллере с помощью умножителя частоты частота 8 МГц внешнего генератора увеличена в 10 раз, тактовая частота синхронизации - частота следования счетных импульсов выбрана 80 МГц. В соответствии с требованиями теоремы Котельникова-Шеннона период дискретизации Т0 выбран Т0=2⋅10-4 с (частота дискретизации 5 кГц). Величина постоянной в импульсе амплитуды тока Iа выбрана Iа=16 мА. На периоде Т0 размещается 16000 счетных импульсов; длительность рабочего импульса при измерении 10g имеет максимальное значение, равное τраб(n⋅Т0)max, чему соответствует размещение на интервале траб(n-Т0)max 12000 счетных импульсов, τраб(nТ0)max⇔12000 сч. имп. При измерении линейных ускорений в диапазоне от 0 до +10g величина τраб(n⋅Т0) изменяется в диапазоне от 0 до 12000 счетных импульсов. При измерении линейных ускорений в диапазоне от 0 до - 10g величина τраб(n⋅Т0) изменяется в тех же пределах, но импульсы идут по отрицательному каналу. Длительность каждого из двух вспомогательных импульсов τвсп выбрана такой, что на интервале τвсп размещается 1500 счетных импульсов.
[83]Длительность минимальных пауз τпауз выбрана такой, что на каждой паузе размещается по 500 счетных импульсов. τпауз⇔500 сч. имп.
[84]Условие (8) выполняется.
[85]Испытания измерительного канала прибора БИЛУ с установленным в канал чувствительным элементом акселерометра и цифровым усилителем обратной связи с ШИМ - модулятором, в котором реализован заявляемый способ, испытывался следующим образом. Прибор устанавливался на оптическую делительную головку OPTIGON таким образом, чтобы при разворотах прибора последовательно на углы ±μр с помощью оптической делительной головки на ось чувствительности акселерометра измерительного канала проектировались составляющие вектора ускорения силы тяжести, равные ξкg: +1g, +0,942809678g, +0,57735041g, +0,333331531g, -0,333331531g, -0,57735041g, -0,942809678g, -1g.
[86]Для каждого действующего по оси чувствительности значения ускорения силы тяжести в пределах ±1g измерялся масштабный коэффициент Км±ξкg=ξкg/fξкg - мм/с/имп, где ξкg - действующее по оси чувствительности линейное ускорение мм/с, fξкg - среднее за период Т0 значение частоты следования импульсов выходной информации имп./с. По значениям Км±ξкg вычислялось среднее значение масштабного коэффициента Км и нелинейность масштабного коэффициента как максимальное отклонение значений Км±ξкg от среднего Км.
[87]Поскольку для измерителей линейных ускорений, эксплуатируемых в системах управления ракетно-космических объектов, любое техническое решение должно обладать временной стабильностью, а также стабильностью во всем рабочем диапазоне температур, в том числе и после воздействия дестабилизирующих факторов (например, после транспортирования при повышенных температурах), измерительный канал прибора БИЛУ с установленным в него акселерометром с цифровой обратной связью и ШИМ по заявляемому способу испытывался в течение длительного времени как в нормальных условиях (НУ), так и при крайних значениях температур рабочего диапазона прибора (+10°С…+40°С), так и после воздействия дестабилизирующих факторов в течение 12 часов - после воздействия температур минус 50°С и +50°С. Для акселерометра измерительного канала была при этом выполнена компенсация температурных погрешностей масштабного коэффициента и смещения нуля, которая при наличии цифровой обратной связи является тривиальной операцией.
[88]Результаты приведены в Таблице 1 и на графике - фиг. 6.
[89]При использовании первого варианта размещения вспомогательных импульсов (по Фиг. 3) в нормальных условиях нелинейность масштабного коэффициента не превышает 0,012%. (Измерения в течение декабря 2015-марта 2016 гг.). В марте 2016 г. программным способом было выполнено перепрограммирование канала с размещением вспомогательных импульсов по варианту 2. (Таблица 1, последние две сточки).
[90]Нелинейность масштабного коэффициента в нормальных условиях имеет величину 0,009%. Без введения вспомогательных импульсов по одному из вариантов для того же измерительного канала нелинейность масштабного коэффициента достигала 0,05%-0,07%.
[91]Таким образом, заявлен способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа, заключающийся в том, что выполняют модуляцию тока датчика момента с периодом дискретизации Т0, обеспечивают с помощью стабилизатора тока и переключателя тока усилителя мощности обратной связи акселерометра постоянство амплитуды Iа и определенную длительность τраб рабочих импульсов тока, подаваемых в датчик момента и соответствующих измеряемому линейному ускорению, интервалы времени Т0 и τраб заполняют целым числом счетных импульсов, для чего формируют и подают в систему обратной связи вспомогательные импульсы определенной частоты и фазового расположения по отношению к счетным импульсам.
[92]Отличительная особенность заключается в том, что на каждом такте дискретизации n⋅Т0 посредством микроконтроллера обратной связи акселерометра в соответствии с алгоритмом разностного уравнения вида IДМ(nТ0)=К1⋅IДМ[(n-1)Т0]-К2⋅IДМ[(n-2)Т0]+R1⋅UДУ(nТ0)-R2⋅UДУ[(n-1)Т0]+R3⋅UДУ[(n-2)Т0],, где IДМ(nT0) - цифровой код тока датчика момента на такте n⋅Т0, UДУ(nТ0) - цифровой код напряжения на выходе АЦП микроконтроллера на том же такте, IДМ[(n-1)Т0], IДМ[(n-2)Т0] - цифровые коды тока датчика момента и UДУ[(n-1)Т0], UДУ[(n-2)Т0] - цифровые коды напряжения на выходе АЦП микроконтроллера на предыдущих тактах, К1,2 и R1,2,3 - численные значения коэффициентов для каждого конкретного значения параметров акселерометра и цифрового усилителя обратной связи, рассчитывают цифровой код IДМ(n⋅Т0), который соответствует среднему за период Т0 значению тока датчика момента Iср, который пропорционален измеряемому линейному ускорению; посредством широтно-импульсного модулятора микроконтроллера формируют последовательность рабочих импульсов, посредством таймера микроконтроллера формируют два равных по величине вспомогательных импульса длительностью τвсп и две равные по величине паузы τпауз, при этом длительность рабочего импульса τраб(n⋅Т0) на «n»-м такте определяется выражением
[93]
[94]где Iдм (n-Т0) - цифровой код уровня сигнала на входе широтно-импульсного модулятора на том же такте, IДМ max - цифровой код, определяемый соотношением
[95]
, длительность каждого вспомогательного импульса τвсп равна либо превышает время переходного процесса по переднему фронту рабочего импульса, а длительность каждой паузы τпауз выбрана в соответствии с выражением , где минимальная длительность паузы равна , обеспечивают с помощью стабилизатора тока устройства формирование постоянной и высокостабильной величины амплитуды Iа рабочего и вспомогательных импульсов, размещают вспомогательные импульсы либо: в начале каждого «nТ0»-го такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс тока; к первому вспомогательному импульсу присоединяют рабочий импульс; через промежуток времени, обеспечивающий выполнение соотношения , размещают на интервале Т0 второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса; либо: на «n⋅Т0»-м такте дискретизации размещают первый вспомогательный импульс тока; к этому вспомогательному импульсу тока присоединяют рабочий импульс; через промежуток времени, обеспечивающий выполнение соотношения , размещают на интервале Т0 второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса, а в начале следующего «(n+1)⋅T0»-го такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс, знак которого совпадает со знаком второго вспомогательного импульса «n⋅Тo»-го такта дискретизации, через интервал времени, обеспечивающий выполнение соотношения , размещают второй вспомогательный импульс «(n+1)⋅To»-го такта, знак которого соответствует знаку рабочего импульса, который формируют и присоединяют ко второму вспомогательному импульсу.
[97]1. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение. 1991 г.
[98]2. Федоров С.М., Литвинов А.П. Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами. Москва, Ленинград. «Энергия», 1965.
[99]3. Бессекерский В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования, Москва, Наука, 1975.
[100]4. Патент №2528119 от 10.09. 2014. Заявка №2012156732 от 26.12.2012. Термоинвариантный измеритель линейного ускорения. / Калихман Л.Я., Калихман Д.М., Нахов С.Ф., Поздняков В.М., Чурилин Ю.С., Рыжков B.C., Самитов P.M. // Б.И. №25 2014.
[101]
, длительность каждого вспомогательного импульса τвсп равна либо превышает время переходного процесса по переднему фронту рабочего импульса, а длительность каждой паузы τпауз выбрана в соответствии с выражением 
, где минимальная длительность паузы равна 
, обеспечивают с помощью стабилизатора тока формирование постоянной и высокостабильной величины амплитуды Ia рабочего и вспомогательных импульсов, размещают вспомогательные импульсы либо: в начале каждого «nT0»-го такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс тока; к первому вспомогательному импульсу присоединяют рабочий импульс; через промежуток времени, обеспечивающий выполнение соотношения 
, размещают на интервале T0 второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса;
, размещают на интервале Т0 второй вспомогательный импульс, при этом знак первого вспомогательного импульса совпадает со знаком рабочего импульса, а знак второго вспомогательного импульса противоположен знаку рабочего импульса, а в начале следующего «(n+1)⋅T0»-го такта дискретизации размещают первый вспомогательный импульс, знак которого совпадает со знаком второго вспомогательного импульса «n⋅T0»-го такта дискретизации, через интервал времени, обеспечивающий выполнение соотношения 
, размещают второй вспомогательный импульс «(n+1)⋅T0»-го такта, знак которого соответствует знаку рабочего импульса, который формируют и присоединяют ко второму вспомогательному импульсу.
