ДАТЧИК УГЛОВ НАКЛОНА ОБЪЕКТА Российский патент 2008 года по МПК G01C9/18 

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения углов наклона объектов.

Известно устройство для измерения угла наклона подвижного объекта, содержащее датчик угла наклона, измеритель линейного ускорения, ось чувствительности которого расположена в плоскости измерений, и блок обработки информации (RU 2069310 C1, G01C 9/06, 1996). В известном устройстве датчик угла наклона и измеритель линейного ускорения совмещены и выполнены в виде инерционной массы, подвешенной на горизонтальных эластичных упругих шнурах с петлями нитей из электропроводной резины. Блок обработки информации выполнен в виде двух омметров, трех задатчиков (задатчика жесткости шнуров, задатчика расстояния между закрепленными концами шнуров и задатчика квадрата массы инерционного элемента), блока вычисления результирующей силы натяжения шнуров, блока вычисления линейного ускорения, блока вычисления угла наклона и блока индикации и регистрации.

Недостатком известного устройства является наличие сложных и недолговечных механических элементов - упругих шнуров из электропроводной резины.

Известен двухкоординатный датчик угла отклонения от вертикали по патенту RU 2175755 С2 (G01C 9/18, 2001). Известный датчик содержит корпус со сферической камерой, заполненной двумя несмешивающимися жидкостями с различной плотностью. Под углом 45° к плоскости основания корпуса в верхней его части располагаются первые излучатель и приемник ультразвука, а в нижней части в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения первых двух излучателя и приемника, вторые излучатель и приемник ультразвука. Излучатели соединены со входом генератора, а приемники подключены к модулям предварительной обработки сигнала, выходы которых соединены со входами амплитудных детекторов. Граница раздела жидкостей используется в качестве отражателя ультразвука. Датчик позволяет измерять угол отклонения от вертикали одновременно относительно двух осей.

Однако известное устройство имеет низкую помехоустойчивость вследствие того, что амплитуда ультразвукового сигнала, отраженного от границы раздела жидкостей, зависит от внешних факторов, например от температуры окружающей среды, наличия вибрации. Устройство не может иметь разрешающую способность в единицы угловых минут и измерять малые углы наклона, поскольку для этого требуется ультразвуковой излучатель с диаграммой направленности шириной того же порядка.

Также известны электролитические емкостные датчики углов наклона. Например, известен электролитический датчик ДК1-1А, выпускаемый ООО «Микросенсорные технологии» (г.Москва). Известные электролитические датчики имеют широкий диапазон измерения углов наклона объектов.

Однако электролитические датчики не обеспечивает необходимую точность измерений при малых углах наклона, измеряемых единицами угловых минут.

Известен датчик угла наклона по патенту RU 2245518 С2 (G01C 9/18, G01С 9/06, 2005). Известный датчик угла наклона содержит корпус, в котором установлен чувствительный элемент в виде симметричной относительно горизонтальной продольной оси корпуса проволочной спирали. Спираль выполнена из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (например, медь, платина) и включена в мостовую измерительную схему. Корпус заполнен по высоте до горизонтальной оси спирали неэлектропроводной жидкостью, например трансформаторным маслом. При работе спираль прогревают, пропуская по ней электрический ток. Датчик позволяет измерять угол наклона при одновременном повороте изделия вокруг продольной оси датчика. При наклоне датчика относительно горизонтальной плоскости часть витков спирали одной половины датчика погружается в жидкость и охлаждается, а другая часть витков спирали другой половины датчика выходит из жидкости и нагревается. Сопротивление первой половины датчика уменьшается, а второй половины увеличивается, появляется разбаланс моста, причем величина разбаланса пропорциональна величине угла наклона, а знак разбаланса соответствует знаку угла наклона. Однако от поворота датчика относительно его продольной оси величина и знак разбаланса моста не зависят.

Недостатком известного датчика является недостаточная чувствительность при измерении малых углов наклона, а также нагрев жидкости и выравнивание температуры спирали при длительной работе.

Наиболее близким по технической сущности с заявляемым изобретением является датчик углов наклона объектов по авт. св. SU 544865 (G01C 9/18, 1977). Известный датчик углов наклона объекта содержит два электролитических уровня, выполненные каждый в виде ампулы цилиндрической формы с двумя электродами, установленными симметрично относительно третьего - среднего, расположенного на противоположной части ампулы. Оба электролитических уровня повернуты относительно своих продольных осей на 180° и наклонены к горизонту на заданный угол в противоположных направлениях. При этом электролитические уровни образуют два плеча измерительного моста, в первую диагональ которого включен источник переменного напряжения, а во вторую - нагрузка. Две пары электродов электролитических уровней соединены между собой и подключены к цепи источника переменного напряжения, а средние электроды, контактирующие с воздушными пузырьками, через выпрямители соединены с соответствующими резисторами измерительного моста.

Недостатком известного датчика является наличие нелинейных устройств - выпрямителей, включенных в два плеча измерительного моста, характеристики которых не могут быть идентичными ввиду технологического разброса параметров выпрямительных диодов. Вследствие этого датчик обладает низкой точностью при измерении малых углов наклона (например, углов, измеряемых единицами минут). Кроме того, использование в качестве элементов измерительного моста резисторов не исключает попадание постоянной составляющей питающего напряжения на электролитические уровни, а это может вызвать электролиз и разложение электролита.

Задачей, решаемой изобретением, является создание датчика углов поворота, обеспечивающего повышение точности и линеаризацию характеристики датчика при измерении малых углов наклона объекта.

Указанная задача решается благодаря тому, что датчик углов наклона объекта, содержащий два электролитических уровня, выполненные каждый в виде ампулы цилиндрической формы с двумя электродами, установленными симметрично относительно третьего - среднего, расположенного на противоположной части ампулы, причем оба эти уровня повернуты относительно своих продольных осей на 180° и наклонены к горизонту на заданный угол в противоположных направлениях, при этом электролитические уровни образуют два плеча измерительного моста, в первую диагональ которого включен источник питающего напряжения, а во вторую - нагрузка, причем две пары электродов электролитических уровней соединены между собой и подключены к цепи питающего напряжения, согласно изобретению содержит два идентичных конденсатора. При этом нагрузка включает электрометрический усилитель, фильтр низких частот, линейный детектор и индикатор. Конденсаторы служат другими плечами упомянутого измерительного моста, во вторую диагональ которого включен электрометрический усилитель. К выходу электрометрического усилителя подключены последовательно включенные фильтр низких частот, линейный детектор и индикатор.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает повышение точности измерения малых углов наклона и линеаризацию характеристики датчика углов наклона объекта при измерении малых углов. Вместе с этим изобретение обеспечивает повышение надежности.

Датчик углов наклона представлен на чертеже, где показана общая блок-схема.

Датчик представляет собой объединение двух однотипных (идентичных) электролитических уровней 1 и 2, каждый их которых выполнен в виде ампулы цилиндрической формы с двумя электродами (контактами), установленными симметрично относительно третьего - среднего, расположенного на противоположной части ампулы. Оба электролитических уровня повернуты относительно своих продольных осей на 180° и наклонены к горизонту на заданный угол в противоположных направлениях. В этом случае с воздушными пузырьками «а», «b» контактирует средний электрод (контакт) каждого электролитического уровня, благодаря чему он становится рабочим. Два других электрода (контакта) каждого электролитического уровня соединены между собой и подключены к цепи питающего напряжения. Средние электроды (т.е. рабочие контакты) каждого электролитического уровня соединены соответственно с идентичными постоянными конденсаторами 3, 4. Таким образом, электролитические уровни 1, 2 и конденсаторы 3, 4 вместе образуют измерительный мост. Переменными сопротивлениями измерительного моста являются сопротивления между рабочими и нерабочими контактами электролитических уровней. В точках «с» и «d» диагонали измерительного моста подключен источник 5 питающего напряжения переменного тока частотой F. В точках «е» и «f» другой диагонали измерительного моста подключен электрометрический усилитель 6. К выходу электрометрического усилителя подключены последовательно включенные фильтр 7 низких частот, линейный детектор 8 и индикатор 9.

В варианте осуществления изобретения электрометрический усилитель 6 имеет два идентичных высокоомных входа и построен по дифференциальной схеме. Идентичность входов усилителя достигается технологией изготовления двух и более операционных усилителей на одном кристалле интегральной микросхемы, например, типа 140УД20. К выходу электрометрического усилителя подключен фильтр 7 низких частот, существенно ослабляющий высокочастотные гармоники питающего напряжения и продукты нелинейности электролитических уровней с частотами 2F, 3F и т.д. Фильтр низких частот может быть реализован в виде активного фильтра второго - четвертого порядка на операционных усилителях, например, типа 140УД17. Линейный детектор 8, подключенный к выходу фильтра 7 низкой частоты, обеспечивает пропорциональное выпрямление переменного напряжения величиной от единиц милливольт до нескольких вольт. Линейная характеристика детектора обеспечивается схемотехническим решением с использованием прецизионных операционных усилителей. Индикатор 9 преобразует постоянное напряжение с выхода линейного детектора 8, например, в визуально регистрируемый угол наклона контролируемого объекта. Индикатор 9 визуального контроля может быть реализован, например, в виде вакуумно-люминесцентной индикаторной панели, жидкокристаллической панели или на одиночных светоизлучающих диодах.

Датчик углов наклона объекта работает следующим образом.

При отсутствии угла наклона контролируемого объекта полные сопротивления электролитических уровней 1 и 2 равны между собой и измерительный мост сбалансирован. При этом на выходе электрометрического усилителя 6 сигнал отсутствует, индикатор 9 отмечает угол наклона, равный нулю. При наклоне контролируемого объекта на некоторый угол относительно горизонта изменяется поверхность контактирования рабочих контактов с воздушным пузырьком, что вызывает изменение сопротивления между рабочими и нерабочими контактами электролитического уровня. Сопротивление одного электролитического уровня возрастает, другого - уменьшается, баланс измерительного моста нарушается, и по его диагонали протекает ток, пропорциональный углу наклона объекта. В результате на выходе электрометрического усилителя 6, включенного в эту диагональ, появляется сигнал, величина которого пропорциональна степени разбаланса измерительного моста, т.е. углу наклона контролируемого объекта, который после линейного преобразования фильтром 7 низких частот и линейным детектором 8 отображается индикатором 9. Наличие электрометрического усилителя 6 способствует повышению чувствительности датчика при малых углах наклона контролируемого объекта, поскольку коэффициент передачи измерительного моста при углах наклона объекта, измеряемых единицами угловых минут, близок к нулю. Фильтр 7 низкой частоты существенно ослабляет высшие гармоники полезного сигнала, поступающего с выхода электрометрического усилителя 6, вызванные нелинейным характером полного сопротивления электролитических уровней 1 и 2. Благодаря этому достигается линеаризация характеристики датчика при измерении. При этом увеличивается отношение сигнал/помеха и, как следствие, повышается точность при измерении малых углов наклона объекта. Благодаря конденсаторам 3 и 4 исключается попадание постоянной составляющей питающего напряжения от источника 5 на электролитические уровни 1 и 2, что исключает электролиз и обеспечивает повышение надежности.

Таким образом, благодаря особенности выполнения датчика углов наклона объекта заявляемое изобретение обеспечивает повышение точности измерения малых углов наклона и линеаризацию характеристики датчика углов наклона объекта при измерении малых углов. Вместе с этим обеспечивается повышение надежности.

Изобретение может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения наклона с помощью жидкости. Технический результат - повышение точности измерения малых углов наклона, линеаризация характеристик датчика углов наклона объекта при измерении малых углов и повышение надежности. Датчик углов наклона объекта содержит два электролитических уровня, выполненные каждый в виде ампулы цилиндрической формы с двумя электродами, установленными симметрично относительно третьего - среднего, расположенного на противоположной части ампулы. Оба эти уровня повернуты относительно своих продольных осей на 180° и наклонены к горизонту на заданный угол в противоположных направлениях. Электролитические уровни образуют два плеча измерительного моста, в первую диагональ которого включен источник питающего напряжения, а во вторую - нагрузка. Две пары электродов электролитических уровней соединены между собой и подключены к цепи источника питающего напряжения. Вместе с этим датчик содержит два идентичных конденсатора. Упомянутая нагрузка включает электрометрический усилитель, фильтр низких частот, линейный детектор и индикатор. Конденсаторы служат другими плечами упомянутого измерительного моста, во вторую диагональ которого включен электрометрический усилитель. К выходу электрометрического усилителя подключены последовательно включенные фильтр низких частот, линейный детектор и индикатор. 1 ил.

Датчик углов наклона объекта, содержащий два электролитических уровня, выполненные каждый в виде ампулы цилиндрической формы с двумя электродами, установленными симметрично относительно третьего - среднего, расположенного на противоположной части ампулы, причем оба эти уровня повернуты относительно своих продольных осей на 180° и наклонены к горизонту на заданный угол в противоположных направлениях, при этом электролитические уровни образуют два плеча измерительного моста, в первую диагональ которого включен источник питающего напряжения, а во вторую - нагрузка, причем две пары электродов электролитических уровней соединены между собой и подключены к цепи питающего напряжения, отличающийся тем, что он содержит два идентичных конденсатора, при этом нагрузка включает электрометрический усилитель, фильтр низких частот, линейный детектор и индикатор, конденсаторы служат другими плечами упомянутого измерительного моста, во вторую диагональ которого включен электрометрический усилитель, к выходу последнего подключены последовательно включенные фильтр низких частот, линейный детектор и индикатор.