ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и автоматике и может быть использовано в системах управления перемещением подвижных объектов (машин, летательных аппаратов), в частности в подсистеме ручного наведения объекта на заданный курс.

Известен преобразователь, содержащий полый цилиндрический диэлектрический корпус, закрепленный на нем защитный стаканообразный кожух, размещенный в полости корпуса управляющий стержень, выполненный с осевой полостью, в которой установлен подвижный шток с внутристержневой пружиной, и с торцевой ограничительной пластиной, установленный на шаровой опоре, и вихретоковый датчик для измерения перемещения торцевой ограничительной пластины и штока, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса r_k и высотой m, установленных в корпусе в одной плоскости попарно симметрично относительно его продольной оси и соединенных в пары последовательно -встречно, четырех подпружиненных сердечников, взаимодействующих с плоскостью торцевой ограничительной пластины, выполненных с участками цилиндрической формы, двух соосно идентичных катушек индуктивности радиуса R_k, установленных соосно в корпусе по его оси в параллельных плоскостях и соединенных между собой последовательно -встречно.

Известный преобразователь позволяет формировать независимые сигналы от угловых и линейных перемещений элементов конструкции. После угловых перемещений стержня, обеспечивающих наведение объекта на курс, производится линейное перемещение штока для включения другой подсистемы, например автопилота. Однако в момент включения другой подсистемы положение управляющего стержня жестко не фиксируется, к тому же требует от пилота воздействия на разные элементы конструкции (стержень и шток), что может привести к сходу с курса. Таким образом, известный преобразователь обладает недостаточной помехозащищенностью.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности за счет формирования линейных и угловых перемещений с помощью одного элемента преобразователя и угловой фиксации в нейтральном положении этого элемента при его линейных перемещениях.

Цель достигается тем, что преобразователь перемещений, содержащий полый цилиндрический диэлектрический корпус, закрепленный на нем защитный стаканообразный кожух с донным осевым секторным вырезом, размещенный в полости кожуха и проходящий через секторный вырез кожуха управляющий стержень, выполненный с осевой полостью, в которой установлен подвижный шток с внутристержневой пружиной, и с торцевой ограничительной пластиной, установленный на шаровой опоре, и вихретоковый датчик для измерения перемещений управляющего стержня, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса r_k и высотой m, установленных в корпусе в одной плоскости попарно симметрично относительно его продольной оси и соединенных в пары последовательно -встречно, четырех подпружиненных сердечников, взаимодействующих с плоскостью торцевой ограничительной пластины, двух соосных идентичных катушек индуктивности радиуса R_k, установленных соосно в корпусе по его оси в параллельных плоскостях и соединенных между собой последовательно-встречно, причем четыре подпружиненных сердечника выполнены в виде набора полых разъемных чередующихся диэлектрических и электропроводящих цилиндрических элементов высотой l1, l2, l3, l4, l5, охватывающих катушки индуктивности радиуса r_k, а в устройство дополнительно введен попружиненный цилиндрический стаканообразный ползун с осевым отверстием, дно которого установлено на той плоскости торцевой ограничительной пластины, которая не взаимодействует с четырьмя наборными сердечниками, причем ползун выполнен из материала, имеющего электрическую проводимость, в три раза большую чем электрическая проводимость защитного кожуха, а в абсолютном значении не менее 20 мсим/м, подвижный шток выполнен в форме шайбы с торцевой поверхностью в виде полусферы, установленной на шаровой опоре, внутристержневая пружина выполнена со свободным ходом более половины высоты l3 среднего диэлектрического элемента сердечника и с жесткостью выше суммарной жесткости четырех пружин, подпружинивающих сердечники, высота l3 среднего диэлектрического элемента сердечника выполнена больше чем величина 2r_k + m, элемент сердечника высотой l4 выполнен из ферромагнитного материала, катушки индуктивности радиуса r_k установлены в центре симметрии средних элементов сердечников высотой l3, элементы сердечников высотой l2 и l4 установлены в плоскости и внутри соответствующих двух катушек индуктивности радиуса R_k, причем элемент высотой l3 установлен на расстоянии, равном R_k от торца ползуна.

Конструкция преобразователя позволяет, воздействуя (в принципе одним пальцем пилота) только на один элемент (управляющий стержень), формировать сигналы об угловых и линейных перемещениях. При формировании сигнала о линейных перемещениях торцевая ограничительная пластина прижимается к корпусу и жестко фиксирует нейтральное положение стержня, исключающее его угловые перемещения.

Выбором положения, размеров и материалов электропроводящих элементов, связанных с размерами катушек индуктивности, обеспечивается формирование сигналов, линейно зависящих от угловых перемещений стержня, и формирование сигнала о линейных перемещениях стержня при жесткой фиксации стержня в нейтральном положении, что исключает сбой с курса при включении другой подсистемы. Таким образом, предложенный преобразователь обладает повышенной помехозащищенностью.

На фиг. 1 показан фронтальный вид преобразователя перемещений; на фиг. 2 сечение преобразователя.

Преобразователь перемещений (фиг.1) содержит полый цилиндрический диэлектрический корпус 1, защитный стаканообразный кожух 2 с донным осевым секторным вырезом, закрепленный на корпусе 1, управляющий стержень 3, расположенный в полости корпуса 1 и проходящий через секторный вырез кожуха 2. Управляющий стержень 3 имеет осевую полость 4 и торцевую ограничительную пластину 5. В полости 4 расположена подвижная шайба 6, подпружиненная внутри стержневой пружиной 7. Подвижная шайба 6 имеет одну торцевую поверхность 8 в виде полусферы и установлена на шаровой опоре 9. На торцевой ограничительной пластине 5 установлен электропроводящий цилиндрический стаканообразный ползун 10, подпружиненный пружиной 11. В корпусе 1 в одной плоскости попарно симметрично относительно оси корпуса 1 установлены на каркасах четыре идентичные катушки 12 15 (фиг.1) индуктивности радиусом r_k и высотой m, соединенные в пары попарно-встречно. Катушки 12 15 расположены внутри полых идентичных разъемных цилиндрических сердечников 16 (обозначен один из четырех сердечников), состоящих из наконечника 17, диэлектрического элемента 18 высотой l1 r_k, электропроводящего элемента 19 высотой l2 m, выполненного из неферромагнитного материала, диэлектрического элемента 20 высотой l3 > 2r₂ + m, электропроводящего элемента 21 высотой l4 m, выполненного из ферромагнитного материала, диэлектрического элемента 22 высотой l5 r_k. Сердечники 16 подпружинены пружинами 23, суммарная жесткость которых меньше жесткости пружины 7. Свободный ход пружины 7 не меньше половины высоты 3 элемента 20 сердечника 16. В плоскостях электропроводящих элементов 19, 21 сердечника 16 в корпусе 1 соосно его оси установлены катушки 24, 25 индуктивности радиуса R_k, витки которых охватывают сердечники 16. Электропроводящие элементы 19, 21 сердечника 16 установлены на равных расстояниях от плоскости катушек 12 15 и на расстоянии R_k от торца ползуна 10. Выводы катушек 12, 13, 14, 15, 24, 25 подключены к блоку 26 электроники, состоящему из высокочастотного формирователя возбуждающих сигналов и трех идентичных каналов преобразования параметров катушек в выходные сигналы. Катушки индуктивности 12, 13, 14, 15, 24, 25 и блок 26 электроники образуют вихретоковые датчики для измерения перемещений сердечников 16 и ползуна 10, контактирующих с торцевой ограничительной пластиной 5 управляющего стержня 3. Каждая пара катушек 12 - 13, 14 15, 24 25 подключена к генератору симметричных прямоугольных импульсов через соответствующий ключевой усилитель мощности, а средние (общие) выводы этих пар катушек индуктивности соединены с соответствующим синхронным детектором и усилителем, причем опорные входы синхронных детекторов соединены с выходом генератора прямоугольных импульсов.

Преобразователь работает следующим образом.

В исходном положении торцевая пластина 5 управляющего стержня 3 занимает положение, параллельное плоскости катушек 12, 13, 14, 15, 24, 25. При этом электропроводящие элементы 19, 21 сердечников 16 располагаются на равных расстояниях от плоскости расположения катушек 12, 13, 14, 15, т.е. на расстоянии более, чем (r_k + 0,5m), и на расстоянии, равном R_k от торцевой поверхности электропроводящего ползуна 10. Катушки 12, 13, 14, 15, 24, 25 создают в электропроводящих элементах 19, 21 сердечников 16 и в ползуне 10 вихревые токи. Интенсивность вихревых токов зависит от расстояния между соответствующей катушкой индуктивности и электропроводящим элементом и определяет вносимое сопротивление в катушке индуктивности. Одинаковые вносимые сопротивления в каждой паре объединенных катушек обеспечивают формирование нулевого выходного напряжения соответствующего канала в блоке 26 электроники. В нейтральном (исходном) положении управляющего стержня 3 сигналы U_α и U_β, формируемые с помощью пар катушек 12 13 и 14 15, и сигнал U_z, формируемый с помощью пары катушек 24 25, равны нулю, поскольку начальные расстояния между соответствующими катушками и электропроводящими элементами не менее радиусов катушек и влиянием вихревых токов можно пренебречь.

При наклоне управляющего стержня 3 от нейтрального положения по углу a или b сердечники 16, контактируя с торцевой пластиной 5 через наконечники 17 под действием пружин 23, начнут перемещаться вслед за торцевой пластиной 5 стержня 3. Причем, если один из сердечников 16 станет перемещаться вверх, то диаметральный ему сердечник 16 опускаться вниз. При этом к одной катушке каждой пары 12 13 и 14 15 будет приближаться электропроводящий элемент 19, а к другой катушке из этой же пары элемент 21. Так как элементы 19 и 21 выполнены из разнородных материалов (ферромагнитный и неферромагнитный), то в соответствующей паре катушек создаются различные вносимые сопротивления и выходное напряжение соответствующего канала станет отличным от нуля. Аналогичные процессы произойдут и в другой паре катушек.

Пока стержень 3 подвергается только угловому перемещению, ползун 10 не приближается к катушке 24 и расстояние между ползуном 10 и катушкой 24 не менее R_k. В этом случае вихревыми токами от катушки 24 в ползуне 10 можно пренебречь и выходной сигнал U_z 0. Перемещения сердечников 16 внутри катушек 24, 25 не оказывают на них влияния, ибо если один сердечник перемещается вверх, то диаметральный ему сердечник опускается вниз и разностный сигнал от их влияния всегда равен нулю.

При осевом нажатии на стержень 3 он углубляется внутрь корпуса 1 за счет одновременного сжатия четырех пружин 23 и пружины 7. Это сопровождается приближением ползуна 10 к катушке 24, в которой появляется вносимое сопротивление и выходной сигнал становится отличным от нуля.

При максимальном осевом перемещении стержня 3 ограничительная торцевая пластина 5 упрется в корпус 1, одинаково поджимая вниз все сердечники 16. При этом исключаются разнонаправленные перемещения сердечников 16, что приводит к формированию стабильных нулевых сигналов U_α и U_β.

Самопроизвольное осевое смещение стержня 3 не допускается выбором жесткости пружины 7, которая должна быть больше суммарной жесткости пружины 23.

Выбором высоты l3 > 2r_k + m элемента 20 сердечника 16 обеспечивается нечувствительность преобразователя к малым начальным угловым перемещениям стержня 3, ибо чувствительность к перемещениям электропроводящих элементов только с расстояния меньше радиуса катушки индуктивности.

По сравнению с известными преобразователями перемещений данный преобразователь обладает повышенной помехозащищенностью, поскольку обеспечивает формирование сигналов об угловых перемещениях управляющего стержня с одновременной нечувствительностью к малым начальным угловым перемещениям и формирование сигнала о линейных перемещениях управляющего стержня, при котором исключается формирование ложных сигналов об угловых перемещениях управляющего стержня. Эти свойства позволяют использовать данный преобразователь в качестве малогабаритного элемента управления перемещением подвижными объектами.

Изобретение может использоваться в системах управления перемещением подвижных объектов. Сущность изобретения: подвижный шток преобразователя, расположенный в пазу 4 управляющего стержня 3, выполнен в форме шайбы 6 с торцевой поверхностью в виде полусферы 8, установленной на шаровой опоре 9. Внутри стержневая пружина 7 выполнена со свободным ходом, превышающим половину высоты l3 элемента 20 сердечника 16, и с жесткостью, превышающей суммарную жесткость пружин 23, подпружинивающих сердечники 16. Высота l3 элемента 20 сердечника 16 выполнена меньшей, чем величина 2 r_k + m, где r_k и m - радиус и высота катушек 12 - 15 индуктивности. Эти катушки установлены в центре симметрии элементов 20 сердечников 16. При угловых перемещениях стержня 3 на катушках возникают сигналы об угловых перемещениях элементов 19 и 21 сердечников 16. При линейных перемещениях ползуна 10, обусловленных нажатием на стержень 3, на катушках 24 и 25 индуктивности возникают сигналы о линейных перемещениях этого ползуна по оси стержня. За счет установки торцевой ограничительной пластины 5 на корпус 1 фиксируется нейтральное положение управляющего стержня 3, что и повышает помехозащищенность преобразователя. 2 ил.

Преобразователь перемещений, содержащий полый цилиндрический диэлектрический корпус, закрепленный на нем защитный стаканообразный кожух с донным осевым секторным вырезом, размещенный в полости кожуха и проходящий через секторный вырез кожуха управляющий стержень, выполненный с осевой полостью, в которой установлен подвижный шток с внутристержневой пружиной, и с торцевой ограничительной пластиной, установленный на шаровой опоре, вихретоковый датчик для измерения перемещений управляющего стержня, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса r_к и высотой m, установленных в корпусе в одной плоскости попарно симметрично относительно его продольной оси и соединенных в пары последовательно-встречно, четырех подпружиненных сердечников, взаимодействующих с плоскостью торцевой ограничительной пластины, двух соосных идентичных катушек индуктивности радиуса R_к, установленных соосно в корпусе по его оси в параллельных плоскостях и соединенных между собой последовательно-встречно, отличающийся тем, что четыре подпружиненных сердечника выполнены в виде набора полых разъемных чередующихся диэлектрических и электропроводящих цилиндрических элементов высотой l₁, l₂, l₃, l₄, l₅, охватывающих катушки индуктивности радиуса r_к, а в устройство дополнительно введен подпружиненный цилиндрический стаканообразный ползун с осевым отверстием, дно которого установлено на той плоскости торцевой ограничительной пластины, которая не взаимодействует с четырьмя наборными сердечниками, причем ползун выполнен из материала, имеющего электрическую проводимость в 3 раза большую, чем электрическая проводимость защитного кожуха, а в абсолютном значении не менее 20 мсим/м, подвижный шток выполнен в форме шайбы с торцевой поверхностью в виде полусферы, установленной на шаровой опоре, внутристержневая пружина выполнена со свободным ходом более половины высоты l₃ среднего диэлектрического элемента сердечника и с жесткостью выше суммарной жесткости пружин, подпружинивающих сердечники, высота l₃ среднего диэлектрического элемента сердечника выполнена больше, чем величина 2r_к + m, элемент сердечника высотой l₄ выполнен из ферромагнитного материала, катушки индуктивности радиуса r_к установлены в центре симметрии средних элементов сердечников высотой l₃, элементы сердечников l₂ и l₄ установлены в плоскости и внутри соответствующих двух катушек индуктивности радиуса R_к, причем элемент высотой l₃ установлен на расстоянии R_к от торца ползуна.