Датчик угла наклона объекта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях Советский патент 1987 года по МПК G01C9/14 

113

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углов наклона как неподвижных объектов, так и равномерно движущихся объектов.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет определения угла наклона объекта по точкам реверсий маятника.

На фиг.1 изображена функциональная электрическая схема датчика угла наклона (с разрезом корпуса чувствительного элемента в одной из плоскостей

наклона); на фиг.2 - эпюра напряжений ig крывая ключи 14 и 15, Освобожденный

на выходе генератора тактовых импульсов .

Датчик угла наклона объекта в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях содержит чувствительный элемент (ЧЭ) 1 в виде маятника с подвеской на шарнирной крестовине 2, которая крепится на стойках, инерционное тело которого выполнено из пос

тоянного магнита 3, Зс1мковое устрой- ство 4, датчик 5 положения маятника, измеритель 6 амплитуды колебаний маятника емкостного типа, заключенные в общий корпус 7 с основанием и электронную схему 8 управления состоянием чувствительного элемента (СУСЧЭ). Преобразователь перемещения в электрический сигнал представлен электронной схемой 9 измерения амплитуды колебаний маятника (СИАК), содержащей четыре автогенератора 10-13 гармонических колебаний и два ключа 14 и 15. СИАК 9 представляет собой два идентичных канала, первый из которых служит для измерения наклона в одной плоскости, а второй - в другой перпендикулярной плоскости. Измеритель 6 амплитуды колебаний маятника емкостного типа представляет собой четьфе пары обкладок, образующих четыре конденсатора переменной емкости, включенных в колебательные контуры автогенераторов 10-13 соответственно. Четыре обкладки закреплены на маятнике и электрически связаны между собой и корпусом. Четыре остальные обкладки неподвижно закреплены на стенках корпуса 7, по одной обкладке на каждой стенке. Датчик 5 положения маятника представляет собо электрический датчик, а замковое устройство 4 - электромагнитный фиксато Инерционное тело из постоянного магнита 3 взаимодействует с датчиком 5

положеь ия маятника и замковым устройством 4. Вход СУСЧЭ подключен к датчику 5 положения маятника. Один из входов СУСЧЭ подключен к замковому устройству 4, а второй и третий выходы - к входам двух однотипных ключей 14 и 15 двухканальной схемы СИАК.

Датчик работает следующим образом.

При угле наклона объекта, равном нулю, маятник не отклонен от земной нормали. Импульс положительной полярности поступает со схемы СУСЧЭ и отключает замковое устройство 4, отот силовых связей с корпусом,маятник не двигается так как угол наклона равен нулю). Следующий импульс, отрицательной полярности, восстанавлива- ет разорванные связи и закрывает ключи 14 и 15. Интервал времени At между импульсом положительной полярности и импульсом отрицательной полярности должен выбираться исходя из усutut Т

Т „

МС(кС

L ,

0

где Т

0

5 ловий

5

0

т„ Период Т

период незатухаю1цих колебаний, в идеальной колебательной системе при угле отклонения маятника ui с,. ( - максимальный из двух углов на кл:она в одной и перпендикулярной ей плоскостях; Мсжсимальные углы наклона объекта по плоскостям задаются при проектировании) ;

интервал времени, характеризуемый переходными процессами как в электронной схеме датчика, так и в электромагнитных системах: маятник - замковое устройство, маятник датчик положения маятни,f ка;

длительность одного цикла измерений,

можно вычислить по

(i)sin2 4mgd L

/13,,,. oi (2 )-sin ....

где I - момент инерции маятника относительно одной из осей качания (момент инерции маятника относительно осей качания одинаков); m - масса маятника; g - ускорение свободного падения; d - длина маятника. Следовательно, при угле наклона объекта, равным нулю, движения маятника нет, на выходе счетчиков схемы СИАК присутствует код, соответствующий нулевому углу наклона. Этот код определяется качеством схемы СИАК, так как разностная частота автогенераторов 10-13 должна быть равна нулю. При появлении угла наклона объекта относительно поверхности земли корпус датчика и связанный силовыми свя- 20 началом измерений в следующем цикле

показания счетчиков сбрасываются. В счетчике записано количество импульсов N, пропортпгональное углу наклона объекта(,, , в плоскости А,

зями с корпусом ЧЭ. образовывают с нормалью к земной поверхности углы, равные углу наклона объекта в двух перпендикулярных плоскостях. Измерение углов наклона в двух перпендикулярных плоскостях производится по двух каналам СИАК по однотипным алгоритмам. Для упрощения рассмотрим измерение угла в одной плоскости, например в плоскости А. При этом с поступлением импульса положительной полярности со схемы СУСЧЭ открывается ключ 15 и обеспечивается обмотка замкового устройства 4. Отклоненный от земной нормали маятник, освобожденный от силовых связей с корпусом, приходит в движение под действием силы притяжения. В своем движении маятник проходит положение равновесия (угол с нормалью равен нулю) и отклоняется в противоположную сторону (при условии малого сопротивления движению) на угол, равный углу первоначального отклонения от земной нормали, равному углу наклона объекта. В зависимости от амплитуды колебания маятника относительное изменение емкости измерителя 6 амплитуды колебаний маятника различно. Разностная частота f. автогенераторов 12 и 13 тем больше, чем больше угол наклона объекта. Через открытый ключ 15 импульсы с частотой fp поступают на счетчик. В конце первого периода колебаний маятника датчик 5 положения маятника вьщает сигнал на схему СУСЧЭ., которая сравнивает этот сигнал с пороговым значением и, в случае превышения порога, вьщает сигнал на от25

- V V лл30

показывающий цену

С - масштабный коэффициент,

град

,

деления одного импульса. График (фиг.2) отображает изменение значения текущего угла отклонения ЧЭ от земной нормали в плоскости Ас-:,т-еч . времени. При этом соблюдаются условия : с.: t, д const, т.е. угол наклона в плоскости А остается

наклона об,

в

40

45

постоянным; плоскости А

(либо равен) максимальному угул наклона в перпе1- дикулярной плоскости.

Видно, что Тц С +С- , где ti, - длительность иыгервала измерений; Г, длительность интервала функции чувствительного элемента с корпусом, и задается периодом следования положительных импульсов со схемы СУСЧЭ. Для интервала С, выполняется условие

-Ц -

Известно, что период колебаний маятника слабо зависит от амплитуды отклонения маятника oi . Конкретно, при изменении угла а/, от О до 15° изменения значения периода колебаний 55 не превышают 0,5%,

Формуоча изобретения

Датчик угла наклона объекта в двух взаимно перпендикулярных плос50

крытие замкового устройства ч- и одновременно на закрытие ключа 15. При этом в схеме СУСЧЭ анализируется сигнал с датчика 5 положения маятника не только по величине, но и по знаку. Это необходимо для того, чтобы различить момент начала движения маятника (когда 3 обмотке датчика положенин маятника также появляется сигнал) и момент конца первого периода колебаний, когда необходимо восстановить разорванные силовые связи ЧЭ с корпусом.

При открывании замкового устройства 4 на его обмотку подается питание и маятник фиксируется. Одновременно прекращается поступление импульсов через ключ 15 в счетчик. С

25

- V V

показывающий цену

С - масштабный коэффициент,

град

,

деления одного импульса. График (фиг.2) отображает изменение значения текущего угла отклонения ЧЭ от земной нормали в плоскости Ас-:,т-еч . времени. При этом соблюдаются условия : с.: t, д const, т.е. угол наклона в плоскости А остается

наклона об,

в

0

5

постоянным; плоскости А

(либо равен) максимальному угул наклона в перпе1- дикулярной плоскости.

Видно, что Тц С +С- , где ti, - длительность иыгервала измерений; Г, длительность интервала функции чувствительного элемента с корпусом, и задается периодом следования положительных импульсов со схемы СУСЧЭ. Для интервала С, выполняется условие

-Ц -

Известно, что период колебаний маятника слабо зависит от амплитуды отклонения маятника oi . Конкретно, при изменении угла а/, от О до 15° изменения значения периода колебаний 5 не превышают 0,5%,

Формуоча изобретения

Датчик угла наклона объекта в двух взаимно перпендикулярных плос0

костях, содержащий основание с опорными стойками, чувствительный Элемент в виде свободно подвешенного на шарнирной крестовине маятника, преобразователь перемещения в электрический сигнал, отличающий- с я тем, что,- С целью повьшения точности измерений за счет определения угла наклона по точкам реверсий маятника, в него введены замковое устройство, датчик положения маятника, электронная схема управления состоянием чувствительного элемента, первый, второй, третий и четвертый измерители емкостного типа, представ

ляющие собой обкладки, расположенные на маятн;ике и на боковых стенках кор- , причем вход схемы управления состоянием чувствительного элемента подключен к датчику положения маятника, один из выходов подключен к замковому устройству, а второй и третий выходы подключены к входам двух однотипв:ых ключей преобразователя пе- ремещен 1я в электрический сигнал, выполненного в виде двухканальной схемы измерения амплитуды колебаний маятника, входы каждого из каналов подключены к соответствующим измерителям емкостного типа.

о тея.Л (.нлкЛ

Положение , равйобесии и

о(нАК.

А вы

пи

(риг.-/

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности . Устройство содержят чувствительный элемент 1 в виде iaятникa, магнит 3, замковое устройство 4, датчик 5 иоло- жения маятника,измеритель 6 амплитуды колебаний маятника,преобразователь пе- ремеш.ения в электрический сигнал содержит автогенераторы 10-13, ключи 14, 15. Введение новых элементов и образование новых CBHseii между элементами устройства позволяет онреде.ш1ть угол наклона объекта по точкам реверсий маятникг: 1. 2 ил.

Редактор О.Юрковецкая

Составител: И, Власов Техред Л,Сердж юва

Заказ 3475/44Тираж 6/6Подписное

ВНРШПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная,

Корректор Г.Решетник