Устройство для измерения малых углов наклона Советский патент 1983 года по МПК G01C9/18 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения углов наклона объектив.

Известны устройств 1 для измерения угла наклона, содержащие дифференциальный емкостный датчик, источник переменного тока, усилитель, амплитуднофазовый детектор и показывающее устройство. В качестве дифференциального емкостного датчика используется пузырьковый уровень с введёнными внутрь электродами 1 ,

Однако это затрудняет получение линейной характеристики измерений и, кроме того, снижает технологичность устройства.

Недостатками устройства являются также малая дистандионность и низкая точность измерений из-за влияния паразитных емкостей, в част- ; ности, емкостей соединительных кабелей между емкостным датчиком и остальной частью устройства.

Известны электронные наклономеры в которых также используются пузырьковые уровни fzj ,

Однако поклчение дистанционности данного Наклономера достигается размещением части измерительной схемы в корпусе датчика, что увеличива ет его размеры и ограничивает область применения устройства

Нш1более близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения малых отклонений от горизонтали, содержащее диФференциальный емкостный датчик, генератор питаю11 ий мостовую измерительную цепь, к выходу которой последовательно подсоединены с большим вход- . ным сопротивлением, дифференциальный усилитель, фазочувствительный детектор синхронный демодулятор), второй вход которого соединен с выходом . генератора, и фильтр нижних частот, В качестве датчика используется сосуд, частично заполненный токопроводящей жидкостью, например, ртутью, над поверхностью которой размещены два плоских электрода. Два конденсатора дифференциального емкостного датчика, каждый из которых образован соответственно плоским электродом и свободной поверхностью токопроводящей жидкости, являю1чейся общим электродо, образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи. Два других смежных плеча образованы двумя образцовыми конденсаторами з .

Недостатками известного устройства являк тся низкая точность и ограниченная дистанцирнность измерения, обусловленные применением неуравновешенной мостовой цепи, изза чего на показания влияют нестабильность напряжения питающего генератора и нестабильность входного сопротивления усилителя; влиянием на показания паразитных емкостных

связей, в том числе, собственной емкости соединительных проводов между датчиком и измерительной цепью; функцией преобразования устройства, представляющей собой отношение емкостей, конденсаторов датчика, нелинейность которой начинает сказываться при измерении углов порядка ста

УГЛОШХ С€(КУНД,

Целью изобретения является повышение точности и увеличение дистанционности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения малых углов наклона, содержащее дифференциальный емкостный датчик,

два конденсатора которого образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи, генератор, усилитель, вход которого соединен с общим электродом лдафферендиального емкостного датчика, фаэочувствительный

детектор, один из входов которого соединен с генератором, а второй с выходом усилителя, и фильтр нижних частот, который соединен с выходом фазочувствительного детектора,

0 дополнительно введены трансформатор с индуктизэной связью и коммутатор числа витков, причем первичная обмотка трансформатора подключена к J гене{ атору, концы первой вторичной

5 обмотки, имеюще отвод от середины подключены к крайним электродам коиденсатсров дифференциального емкостного датчика, вторая вторичная обмотка с регулируемым числом витков

Q и третья вторичная обмотка с постоянным числом витков соединены последовательно и встречно и включены , между и серединой первой вторичной обмотки, а выход фильтра нижних частот связан с кс 1мутатором

числа витков.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор 1, л выход которого соединен с первичной обмоткой 2 трансформатора 3 тесной индуктивной связью, Две равные секции 4 и 5 первой вторичной обмотки своими крайними концами соединены с двумя плоскими электродами б кондеисаторов дифференциального емкостного датчика 7, а общий электрод 8 конденсаторов, роль которого выполняет свободная поверхность токопроводящей жидкости, соединен с входом

0 усилителя 9. Выход усилителя 9 соединен с одним из входов фазочувствительного детектора 10, второй вход которого соединен с гаиервтором 1, а выход - с входом фильтра 11 ниж5 них частот. Коммутатор 12 числа витков связан с второй вторичной обк откой 13 трансформатора 3 так, что при подаче на вход коммутатора 12 положительного или отрицательного напряжения с выхода фильтра 11 нижних частот происходит изменение числа витков овмотки 13 соответственно в сторону увеличения или уменьиюния При пода че на вход коммутатора 12 нулевого напряжения регулирование числа аитков обмотки 13 прекращается и набрал кое число витков сохраняется Hells манным. В качестве коммутат рй -1.2 : может быть применен, наприме|, сивный двигатель с переключателей реверсивный счетчик импульсов С тактовьпл генератором и набором ключей и т.п. Положение коммутатора 12, однозначно соответствующее набранному числу витков обмотки 13, является выходным параметром устройства. Последовательно с второй регулируемой) вторичной обмоткой 13 трансформатора 3 включена третья втсфичная обмотка 14, имеющая посто янное число витков, меньшее (например, вдвое) , чем максимальное число витков регулируемой обмотки 13. Обмотки 13 и. 14 включены встречно. Бл гсдаря этому при регулировании числа витков обмотки 13 су Ф1арное напр жение обмоток 13 и 14 может инверти роваться по фазе, проходя через нул при неко-рором положении коммутатора 12. Этим обеспечивается урав; новешивание устройства при измере.нй наклонов как в одну, так и в другую сторону от горизонтального положени Устройство работает следукяцим образом.Предположим, что числа витков, обмоток 13 и 14 в исходном состояни прибора равны. Выходное напряжение генератора 1 поступает на первичную обмотку 2 трансформатора 3. Получае иые при этом на выходах секций 4 и 5 первой вторичной обмотки трансформатора 3 для равных-по амплитуде и противоположных по фазе напряжения подаются на плоские электроды 5 конденсаторов датчика 6. При отсутствии наклона емкости конденсаторов равны, и сигнал, снимаекый с общего электрода 7 конденсаторов, равен нулю. При наклоне датчика 7 емкости С( и Сч конденсаторов изменяется, причем /. ES г eS |Гх а:7 где диэлектрическая проницаемость газа в зазоре конден саторов (для воздуха ) S - площадь плоского электрода о - начальный зазор конденсаторов С,и. GI, X - приращение зазора вследствие наклона (для малых углов наклона перемещение электродов конденсаторов можно считать плоскопаралт . лельным). После усиления усилителем 9 разностный сигнал поступает на фазочувствительный детектор 10, постоянный сигнал, с выхода которого фильтруется фильтром 11 нижних частот, кот(, в частности, служит для ослабления влияния колебаний поверхности жидкости 8 датчика 7, Напряжение той или иной полярности с выхода фильтра 11 нижних частот воздействует на коммутатор-12 числа витков, который изменяет в ту или иную сторону число витков обмотки 13, При этом на середину первой вторичной обмотки трансформатора 3 на точку соединения секций 4 и 5| подается напряжение iU соединенных последовательно и встречно :обкюток 13 и 14 i В 3ёвисикости от фазы этого напряжения оно складывается или вычитается с напряжениями секций 4 и 5 первой вторичной обмотки трансформатора 3, причем всегда увеличению напряжения на одном плоском .электроде датчика соответствует такое, же уменьшение напряжения на другом, и наоборот. Регулирование числа витков производится коммутатором до тех пор, пока сигнал рассогласования мостовой схемы не станет равным нулю, т,е. пока мостовая схема не придет в состояние равновесия, условие которого выражается следующей фор1 лой; (,, (2) где и - напряжение, снимаемое с половины (с секции 4 или с секции 5) первой вторич. ной обмотки трансформатора 3. Подставив значения С и С, из (Ц в условие равновесия (2) и обозначив t , (3) получим вырахсение,,. . (4) Величину X I кроме того, можно определить из выражения: . где t - расстояние между центрами плоских электродов, Л - угол наклона. Для малых углов наклона ig ci можно заменить на «С , тогда хДл . (6) Приравнивая выражения (4) и (б) получим( где К- постоянная величина, равнаяг /й , Нетрудно заметить из (2) и З , что предлагаемое устройство реализует функциюл Этим достигается гораздо лучшая лйнейрость вцходной характеристики предлагаемого устройства по сравне кию с известным при измерении углов наклона порядка сотен угловых секунд. Таким образом, измеряемый, угол наклона ei прямо пропорционален ве личине р f которая определяется отношением разности чисел витков обмо ток 13 и 14 к постоянному числу витков одной из секций первой вторичной, обмотки, Величина разнести чисел витков регулируемой обмотки 13 и обмотки 14 с постояншлм количеством витков однозначно соответствует выходному сигнсшу коммутатора 12 числ витков. Так как напряжение питающего гене ратора не входит в окончательное выражение (7) , то нестабильность его амплитуды не будет влиять на результат измерения. Благодаря тесной индуктивной связи обмоток трансформато ра соотношение напряжений, подаваеNbix на плоские электроды ,6 дифференциального емкостного датчика 7, поддерживается практически постоянным, при этом исключается влияние паразитных емкостей соединительных кабелей. В состоянии равновесия сигнал на выходе мостовой схемл равен нулю поэтому емкость соединительного между датчиком и усилителем и входное сопротивление усилителя не влияют на результат измерения. Таким образом, повыиается точность измерения угла наклона, увеличивается дистанционность (датчик может находиться на удаяении нескольких десятков метров от измерительной схемы/ ,. . Использование трансформатора с тесной индуктивной связью и уравновешенной мосгтовой dxeMii выгодно отличает емкостной измеритель малых углов наклона от указанных аналогов и прототипа, так как существенно повышает точность и дистанционность измерений. Ранение задачи точного измерения малых углов наклона/йвляется очень ваясным для геодезии, астрономии, строительства и других отраслей народного хозяйства. Применение технологически простого малогабаритного датчика, повышенная дистанционность изм рения, а также получение сигнала в цифровой форме позволяют использовать устройство в системах автоматического управления для многоточечного контроля положения объектов, В настоящее время для измерения малых углов наклона используются пузырькошле уровни, В качестве базового устройства принят электронный уровень ЭУ-2, созданный в Институте физики высоких энергий ГКАЭ СССР. При измерении малых углов (до 50 угловых секунд), при длине соединительных кабелей (с погонной емкостью 100пор/м 25-30 м и изменении знач-эния полных емкостей подводящих кабелей в плечах мостовой измерительной схемы (вследствие изменения температуры и т,п,1 на 5-10% погрешность измерения угла предлагаемым устройством не превышает 0,3-0,5%, тогда как погрешность измерения угла базовым устройством (при прочих равных условиях) может достигать 10%,

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВ НАКЛОНА, содержание дифференциальный емкостный датчик, дра конденсатора которого образуют два смежных плеча мостовой измерительной цепи, генератор, усилитель, вход которого соединен с обисим электродом конденсаторов дифференциального емкостнбго датчика, фазочувствительный детектор, один из входов которого соединен с генератором, а второй - с выходом усилителя, и фильтр нижних частот, который соединен с выходом фазочувствительного детектора, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности и увеличения дистанционности из мерения:, он снабжен трансформатором с индуктивной связью и комг 1утатором числа витков, причем первичная обмотка трансформатора подключена к генератору, концы первой вторичной обмотки, имеющей отвод от середины,/ подключены к крайним электродам дифференциального емкостного датчика, вторая вторичная обмртка с i (Л регулируемым числом витков и третья вторичная обмотка с постоянным чисс лом витков соединены поеледоватэльно и встречно и включены между землей и серединой первой вторичной обмотки,, а выход фильтра нижних частот связан с коммутатором числа витков.;