ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01C19/22 

Изобретение относится к измерительным приборам, в частности, к измерителям угловой скорости, и может быть использовано как датчик абсолютной угловой скорости объекта.

Известны датчики угловых скоростей, которые построены на основе использования гироскопического эффекта и позволяют измерять абсолютную угловую скорость (1 - Назаров Б.И., Булатов В.В. и др. «Командно-измерительные приборы», МО СССР 1987 г., 639 с.). Недостатками данных устройств являются сложность конструкции и погрешности, обусловленные ее сложностью.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству (прототипом) является роторный вибрационный гироскоп (РВГ), содержащий диэлектрический вал, двигатель вращения и ротор, установленный на валу в виде гантели (2 - Брозгуль Л.И. «Динамически настраиваемые гироскопы», Москва, «Машиностроение», 1994 г., с. 156).

Недостатками данного устройства являются сложность съема информационного сигнала, погрешности, обусловленные влиянием дополнительных упругих моментов, пропорциональных деформациям подвеса, а также невозможность одновременного измерения двух взаимно перпендикулярных составляющих угловой скорости.

Задачей изобретения является повышение точности измерения, а также достижение возможности одновременного измерения двух взаимно перпендикулярных составляющих угловой скорости.

Для решения указанной задачи предлагается датчик угловой скорости, содержащий двигатель вращения и диэлектрический вал.

Согласно изобретению, четыре инерционные массы, четыре оси, четыре шарнира, четыре стержня, четыре пьезоэлектрических датчика, четыре электромагнита, четыре датчика Холла, причем инерционные массы расположены симметрично относительно диэлектрического вала и сдвинуты на 90° друг относительно друга, каждая инерционная масса закреплена на оси, соединенной с диэлектрическим валом посредством шарнира, и через стержень соединена с соответствующим пьезоэлектрическим датчиком, жестко закрепленным на диэлектрическом валу, выход каждого пьезоэлектрического датчика подключен ко входу соответствующего электромагнита, выход которого подключен ко входу соответствующего датчика Холла, выходы которых являются выходами устройства, с которых снимается информация о составляющих угловой скорости.

Техническим результатом является повышение точности измерителя угловой скорости, а также достижение возможности одновременного измерения двух взаимно перпендикулярных составляющих угловой скорости.

На чертеже показана функциональная схема датчика угловой скорости (ДУС).

ДУС содержит двигатель вращения (ДВ) 1, диэлектрический вал 2, четыре инерционные массы 3₁; 3₂, 3₃; 3₄, расположенные симметрично относительно диэлектрического вала 2 и сдвинутые на 90° друг относительно друга, четыре оси 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, четыре шарнира 5₁, 5₂, 5₃, 5₄, четыре стержня 6₁, 6₂, 6₃, 6₄, четыре пьезоэлектрических датчика (ПЭД) 7₁, 7₂, 7₃, 7₄, четыре электромагнита 8₁, 8₂, 8₃, 8₄, четыре датчика Холла 9₁, 9₂, 9₃, 9₄. Для удобства последующего описания схемы и принципа действия ДУС на чертеже введена инерциальная система координат ξηζ и приборная (связанная с диэлектрическим валом ДУС) ΧΥΖ, совпадающая в начальный момент времени с инерциальной.

ПЭД 7₁, 7₂, 7₃, 7₄ жестко закреплены на диэлектрическом валу. ПЭД 7₁, 7₃ сдвинуты на 90° относительно ПЭД 7₂, 7₄: ПЭД 7₁, 7₃ расположены по оси Х(ξ), а ПЭД 7₂, 7₄ - по оси Y(η).

Датчик Холла может быть выполнен в виде устройства, описанного в (3 - Косулин В.Д., Михайлов Г.Б., и др. «Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов», Ленинград. Энергоатомиздат, 1988 г., 113 с.).

Датчики Холла (ДХ) 9₁, 9₃ сдвинуты на 90° относительно ДХ 9₂, 9₄ и расположены по оси ξ, а ДХ 9₂, 9₄ - по оси η, и жестко закреплены на корпусе ДУС (на фиг. не показаны). Инерционные массы 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ закреплены на осях 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, соединенных с валом 2 посредством соответствующих шарниров 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ и имеющих практически бесконечную жесткость на изгиб и кручение. Стержни 6₁, 6₂, 6₃, 6₄, обеспечивающие жесткую связь инерционных масс 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ с пьезоэлектрическими датчиками 7₁, 7₂, 7₃, 7₄, имеют также практически бесконечную жесткость на изгиб и кручение. Выходы ПЭД 7₁, 7₂, 7₃, 7₄ подключены ко входам электромагнитов 8₁, 8₂, 8₃, 8₄, соответственно, выходы электромагнитов 8₁, 8₂, 8₃, 8₄ имеют магнитоэлектрическую связь со входами датчиков Холла 9₁, 9₂, 9₃, 9₄. Выходы датчиков Холла 9₁, 9₃ являются выходами устройства при измерении составляющей угловой скорости ω_ξ, а выходы ДХ 9₂, 9₄ - при измерении составляющей угловой скорости ω_η.

Представленный ДУС обеспечивает измерение угловой скорости следующим образом.

(Рассмотрим вначале процесс измерения скорости вращения основания только вокруг оси η с угловой скоростью ω_η, направление которой показано на чертеже). Диэлектрический вал 2 с помощью двигателя вращения 1 приводится во вращение вокруг оси ζ с угловой скоростью Ω. При вращении основания (корпуса ДУС) со скоростью ω_η возникает гироскопический момент М_ГХ=Нω_η, который стремится совместить вектор кинетического момента Н=ΙΩ с вектором угловой скорости ωη (I - момент инерции инерционной массы).

Под действием гироскопического момента М_ГХ инерционная масса 3₂ через стержень 6₂ оказывает давление на пьезоэлектрический датчик 7₂ с силой, прямо пропорциональной М_ГХ и, соответственно, угловой скорости ω_η.

С выхода пьезоэлектрического датчика 7₂, вращающегося вместе с валом 2, снимается электрический сигнал, пропорциональный давлению (и, следовательно, угловой скорости ω_η), который поступает на вход электромагнита 8₂. При совпадении электромагнита 8₂ с датчиком Холла 9₂ сигнал, пропорциональный составляющей угловой скорости ω_η, поступает на вход датчика Холла 9₂, выход которого является выходом устройства. С выхода датчика Холла 9₂ снимается сигнал U_Y. Очевидно, что максимальный сигнал снимается с выхода ПЭД 7₂ (и далее с выхода датчика Холла 9₂), когда ось 4₂ совпадает с положительным направлением оси η (М_ГХ максимален). (При повороте оси 4₂ на 90° выходной сигнал с датчика Холла 9₂, пропорциональный ω_η, равен нулю). При вращении основания с угловой скоростью ω_η противоположного знака инерционная масса 3₄ через стержень 6₄ оказывает давление на пьезоэлектрический датчик 7₄ с силой, прямо пропорциональной М_ГХ, и соответственно, угловой скорости ω_η. Формирование информационного сигнала и его съем с пьезоэлектрического датчика 7₄, вращающегося вместе с валом 2, происходят аналогично вышеизложенному.

Аналогично может быть рассмотрен процесс измерения скорости вращения основания вокруг оси ξ с угловой скоростью ω_ξ, направление которой показано на чертеже. При вращении возникает гироскопический момент Μ_ΓΥ=Ηω_ξ, который стремится совместить вектор кинетического момента с вектором угловой скорости с ω_ξ. Под действием гироскопического момента Μ_ΓΥ инерционная масса 3₁ через стержень 6₁ оказывает давление на пьезоэлектрический датчик 7₁ с силой, прямо пропорциональной М_ГΥ и, соответственно, угловой скорости ω_ξ.

С выхода пьезоэлектрического датчика 7₁, вращающегося вместе с валом 2, снимается электрический сигнал, пропорциональный давлению (и, следовательно, угловой скорости ωξ), который поступает на вход электромагнита 8₁. При совпадении электромагнита 8₁ с датчиком Холла 9₁, сигнал, пропорциональный составляющей угловой скорости ω_ξ, поступает на вход датчика Холла 9₁, выход которого является выходом устройства. С выхода датчика Холла 9₁ снимается сигнал U_X. Очевидно, что максимальный сигнал снимается с выхода ПЭД 7₁ (и далее с выхода датчика Холла 9₁), когда ось 4₁ совпадает с положительным направлением оси ξ (Μ_ΓΥ максимален). (При повороте оси 4₂ на 90° выходной сигнал с датчика Холла 9₂, пропорциональный ω_ξ, равен нулю).

При вращении основания с угловой скоростью ω_ξ противоположного знака инерционная масса 3₃ через стержень 6₃ оказывает давление на пьезоэлектрический датчик 7₃ с силой, прямо пропорциональной М_ГΥ и, соответственно, угловой скорости ω_ξ. Формирование информационного сигнала и его съем с пьезоэлектрического датчика 7₃, вращающегося вместе с валом 2, происходят аналогично вышеизложенному.

Таким образом, представленный ДУС позволяет обеспечить простой и высокоточный съем измерительной информации и тем самым повысить точность измерения угловой скорости, а также обеспечить возможность измерения двух взаимно перпендикулярных составляющих угловой скорости одновременно.

Изобретение относится к измерительным приборам, в частности к измерителям угловой скорости. Датчик угловой скорости содержит двигатель вращения и диэлектрический вал, при этом в него дополнительно введены по четыре инерционные массы, оси, шарнира, стержня, пьезоэлектрических датчика, электромагнита, датчика Холла, причем инерционные массы расположены симметрично относительно диэлектрического вала и сдвинуты на 90° друг относительно друга, каждая инерционная масса закреплена на оси, соединенной с диэлектрическим валом посредством шарнира, и через стержень соединена с соответствующим пьезоэлектрическим датчиком, жестко закрепленным на диэлектрическом валу, выход каждого пьезоэлектрического датчика подключен ко входу соответствующего электромагнита, выход которого подключен ко входу соответствующего датчика Холла, выходы которых являются выходами устройства, с которых снимается информация о составляющих угловой скорости. Технический результат - повышение точности измерителя угловой скорости, одновременное измерение двух взаимно перпендикулярных составляющих угловой скорости. 1 ил.

Датчик угловой скорости, содержащий двигатель вращения и диэлектрический вал, отличающийся тем, что в него дополнительно введены по четыре инерционные массы, оси, шарнира, стержня, пьезоэлектрического датчика, электромагнита, датчика Холла, причем инерционные массы расположены симметрично относительно диэлектрического вала и сдвинуты на 90° друг относительно друга, каждая инерционная масса закреплена на оси, соединенной с диэлектрическим валом посредством шарнира, и через стержень соединена с соответствующим пьезоэлектрическим датчиком, жестко закрепленным на диэлектрическом валу, выход каждого пьезоэлектрического датчика подключен ко входу соответствующего электромагнита, выход которого подключен ко входу соответствующего датчика Холла, выходы которых являются выходами устройства, с которых снимается информация о составляющих угловой скорости.