ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА ОДНОПЛОСКОСТНОЙ Российский патент 2009 года по МПК G01B7/30 G01C9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углов отклонения от вертикали различных устройств и объектов, например в системах безопасности различных платформ, для измерения углов наклона гидротехнических сооружений, системах мониторинга различных зданий и сооружений.

Известен датчик углов наклона сооружений (RU 2131113 С1, 27.05.1999), который может быть использован для измерения углов наклона гидротехнических сооружений. Датчик содержит два противоположно расположенных упругих элемента, выполненных каждый в виде дугообразной плоской пружины. Один конец каждой пружины закреплен на корпусе прибора, а другой - на длинном плече соответствующих коромысел. Датчик содержит две тяги, шарнирно соединяющие короткие и длинные плечи коромысел с рычагом маятника. На внутренней и внешней сторонах упругих элементов наклеены низкоомные тензорезисторы, соединенные по мостовой схеме измерения. При отклонении сооружения в ту или другую сторону от вертикали маятник поворачивается от среднего положения и на выходе мостовой схемы измерения появляется электрический сигнал, пропорциональный углу отклонения сооружения.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения.

Указанный датчик имеет следующие недостатки:

- датчик представляет собой механическую конструкцию, требующую изготовления прецизионных деталей, что существенно повышает сложность изготовления;

- имеет крупные габаритные размеры;

- чувствителен к таким изменениям внешней среды как перепады температуры и влажности;

- недостаточная чувствительность датчика;

- подвержен механическому износу.

Известен датчик угла наклона (RU 2191988 С2, 27.10.2002). Принцип работы датчика основан на измерении емкостными преобразователями перемещений шара, вызванных наклонами датчика относительно горизонта. Датчик состоит из физического маятника, образованного электропроводящим шаром и подпятником с вогнутой сферической поверхностью. Демпфирование колебаний маятника обеспечивается диэлектрической жидкостью, заполняющей корпус датчика. Датчик обеспечивает непрерывное измерение угла наклона в диапазоне от 0 до 30° при повышении точности и надежности измерения.

Датчик имеет следующие недостатки:

- имеет в своем составе детали, требующие прецизионно выдерживать профиль при изготовлении (шар и подпятник), что повышает технологическую сложность изделия;

- датчик заполнен диэлектрической жидкостью, которая может изменять свои физические свойства в зависимости от температуры окружающей среды, что может отрицательно сказаться на работоспособности датчика, например, при низких температурах.

Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является индуктивный датчик угла наклона (SU 1825091 А1, 27.06.1996) трансформаторного типа, содержащий маятник, корпус, катушки индуктивности, блок питания, выпрямитель, компенсатор индуктивного разбаланса, усилитель напряжения.

Целью указанного изобретения является повышение точности за счет увеличения линейной части передаточной характеристики и уменьшение материалоемкости.

Указанное изобретение имеет следующие недостатки:

- сложный технологический процесс изготовления датчика, поскольку датчик содержит намоточные узлы;

- низкая разрешающая способность;

- требуется компенсирование температурной нестабильности датчика;

- большие габариты датчика.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение точности измерений и надежности датчика, расширение температурного диапазона работы, уменьшение габаритов и повышение технологичности производства датчика.

Указанный результат достигается за счет того, что датчик угла наклона одноплоскостной содержит корпус и маятник, в конструкцию введены две боковые пластины и электронный балансный смеситель, причем маятник представляет собой центральную пластину, закрепленную на магнитоэлектрическом демпфере с силовой коррекцией, боковые пластины механически жестко связаны с корпусом датчика, а в строго вертикальном положении корпуса датчика боковые пластины равноудалены от центральной пластины и расположены в позициях, соответствующих углу отклонения центральной пластины на 2,5°.

Техническим результатом является повышение линейности и точности показаний датчика за счет наличия силовой коррекции и использования емкостной мостовой измерительной схемы в электронном балансном смесителе, снижение собственных колебаний измерительного элемента за счет наличия электромагнитного демпфирования, отсутствие в конструкции датчика жидкостей и прецизионных деталей, применение типовых унифицированных элементов и деталей с высокой степенью технологичности.

Структурная схема датчика представлена на фиг.1, схема магнитоэлектрического демпфера с силовой коррекцией представлена на фиг.2.

Конструктивно датчик состоит из корпуса 1, центральной пластины-маятника 2, укрепленной на корундовых опорах 3 на магнитоэлектрическом демпфере с силовой коррекцией 4, боковых пластин 5 и электронного балансного смесителя 6, причем боковые пластины 5 механически жестко связаны с корпусом 1, и в строго вертикальном положении корпуса 1 боковые пластины 5 равноудалены от центральной пластины 2 и расположены в позициях, соответствующих углу отклонения центральной пластины на 2,5°. Магнитоэлектрический демпфер с силовой коррекцией 4 состоит из рамки 7, представляющей собой короткозамкнутый виток, закрепленной на корундовых опорах 3 на кольцевом постоянном магните 8, причем линии напряженности магнитного поля перпендикулярны рамке 7, и спиральной пружины из электропроводящего материала 9, причем один край пружины закреплен на рамке 7, а второй край закреплен на теле кольцевого постоянного магнита 8, причем пружина 9 обеспечивает электрический контакт центральной пластины 2 с общим проводом схемы электронного балансного смесителя 6.

В начальном состоянии корпус датчика 1 находится в строго вертикальном положении и боковые пластины 5 равноудалены от центральной пластины 2. Соответственно, емкости конденсаторов C₁, образованного левой боковой пластиной 5 и центральной пластиной 2, и С₂, образованного центральной пластиной 2 и правой боковой пластиной 5, равны и выходное напряжение балансного смесителя U_вых, пропорциональное разности емкостей C₁ и С₂, находится в среднем значении.

При отклонении корпуса датчика 1 от вертикальной оси в плоскости, перпендикулярной плоскости пластин 2 и 5, под воздействием естественной силы тяжести центральная пластина 2 стремится сохранить начальное положение, вследствие чего в противофазе изменяется расстояние между центральной пластиной 2 и левой боковой пластиной 5 и центральной пластиной 2 и правой боковой пластиной 5, что, в свою очередь, приводит к изменению емкостей C₁ и С₂ и выходного напряжения U_вых балансного смесителя. В силу того, что зависимость емкости плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, зависимость разности C₁ и С₂ и выходного напряжения U_вых от угла наклона центральной пластины 2 так же нелинейная. Для линеаризации показаний датчика используется пружина 9, коэффициент жесткости λ которой подобран таким образом, что сила упругости F=λ·α, возникающая при наклоне корпуса датчика 1 на угол α, уменьшает угол отклонения центральной пластины 2 по закону, обратному нелинейности в зависимости выходного напряжения U_вых от угла наклона корпуса датчика 1.

Использование указанных конструктивных решений позволило получить относительную погрешность измерения не более 0,02%, диапазон измерения датчика составляет α_max=±2,29°. В указанном диапазоне разрешающая способность датчика составляет 1,6′′.

Достоинствами данного датчика являются малые габариты и высокая точность измерений, что важно, например, при оценке отклонения от вертикального положения гидротехнических и других строительных сооружений.

Датчик угла наклона одноплоскостной предназначен для измерения углов отклонения от вертикали различных устройств и объектов, например, в системах безопасности различных платформ, для измерения углов наклона гидротехнических сооружений, системах мониторинга различных зданий и сооружений. Датчик состоит из корпуса, центральной пластины-маятника, укрепленной на корундовых опорах на магнитоэлектрическом демпфере с силовой коррекцией, боковых пластин и электронного балансного смесителя, причем боковые пластины механически жестко связаны с корпусом и в строго вертикальном положении корпуса датчика боковые пластины равноудалены от центральной пластины и расположены в позициях, соответствующих углу отклонения центральной пластины на 2,5°. Технический результат - повышение линейности и точности показаний датчика. 2 ил.

Датчик угла наклона одноплоскостной, содержащий корпус и маятник, отличающийся тем, что в конструкцию датчика введены две боковые пластины и электронный балансный смеситель, причем маятник представляет собой центральную пластину, закрепленную на магнитоэлектрическом демпфере с силовой коррекцией, боковые пластины механически жестко связаны с корпусом датчика, а в строго вертикальном положении корпуса датчика боковые пластины равноудалены от центральной пластины и расположены в позициях, соответствующих углу отклонения центральной пластины на 2,5°.