Устройство для измерения углов наклона объекта Советский патент 1992 года по МПК G01C9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углового положения объекта в пространстве.

Известно маятниковое устройство 1, выполненное как двойной маятник, в котором измерительный маятник подвешен на другом, несущем маятнике, совершающем колебательные движения в той же плоскости, что и измерительный, при этом как измерительный, так и несущий маятники связаны с демпферами,

Взаимное демпфирование двух маятников между собой является одной из основных причин малого декремента затухания колебаний измерительного маятника, приводящего к снижению точности всего устройства.

Известно также устройство для измерения угла наклона 2, содержащее основной

маятник, подвешенный на оси в заполнен ной демпфирующей жидкостью цилиндрической полости корпуса узел спежения за положением корпуса относительно маятника и пластины, закрепленные на нем г двух сторон. Это устройство снабжено дополнительным маятником с жесткими стойками ось вращения которого расположена ниже его центра тяжести на основном маятнике ниже и параллельно оси вращения осноено- го маятника, выше которой расположены пластины, выполненные в виде упругих изо гнутых лопастей, повернутых одна к другой выпуклыми сторонами причем вогнутая сторона каждой лопасти контактирует с соответствующей стойкой на конце каждой из которых установлен подшипнт КЗЧРН/Р

Использование в устройстве в качестве демпфирующих элементов двух п тетин выполненных в виде i 00 /ю

О

о со

ю

пастей, повернутых одна к другой выпуклыми сторонами, является причиной малого декремента затухания колебаний основного маятника, приводящего к снижению точности всего устройства.

Известно устройство для определения углов наклона подвижных объектов 3, содержащее корпус, два маятника, кинематически соединенных между собой, демпфер и преобразователь, причем маятники имеют независимые соосно расположенные подвески. Один из маятников выполнен в виде уравновешенного маховика и соединен с измерительным маятником посредством упругого элемента связи.

Однако данное устройство имеет малый декремент затухания вследствие наличия упругого элемента связи между маятниками в виде пружины, что приводит к снижению точности всего устройства.

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния внешних возмущающих воздействий путем увеличения декремента затухания маятника.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения углов наклона объекта, содержащем корпус, измерительный маятник, плоскость которого совмещена с плоскостью измерений, дополнительный маятник с узлом его подвеса и преобразователь угловых перемещений, измерительный маятник выполнен с профили- рованным отверстием,- нижняя часть которого эквидистантна эпициклоиде, начальная точка которой совмещена с центром тяжести измерительного маятника, узел подвеса дополнительного маятника выполнен в виде двух пальцев, симметрично расположенных относительно его вертикальной оси и введенных в контакт с нижней частью профилированного отверстия, причем точка проекции продольной оси каждого из пальцев на плоскость измерений совмещена с эпициклоидой.

Установка дополнительного маятника в профилированном отверстии измерительного маятника посредством узла подвеса, выполненного в виде двух пальцев, симметрично расположенных относительно вертикальной оси и введенных в контакт с нижней частью профилированного отверстия, позволяет сократить время успокоения измерительного маятника за счет перемещения пальцев подвеса в отверстии, образующая поверхность которого, контактирующая с пальцами подвеса, имеет форму эпициклоиды, эквивалентной перемещению центра тяжести дополнительного маятника, а точка проекции продольной оси каждого из пальцев на плоскость измерений совмещена с эпициклоидой.

Отличительные признаки предлагаемого устройства, а именно дополнительный

маятник и подвес..выполненный в виде двух пальцев, порознь известны в технике. Однако взаимодействие этих элементов посредством указанных выше связей и их взаимное расположение между собой придают уст0 ройству в целом новое свойство: повышается точность за счет уменьшения влияния внешних возмущающих воздействий путем увеличения декремента затухания маятника. Поэтому предлагаемое техниче5 ское решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 показана кинематическая схема устройства для измерения углов наклона объекта, где приняты следующие обознэче0 ния: 1 - корпус, 2 - преобразователь угловых перемещений. 3 - измерительный маятник. 4 - дополнительный маятник. 5 - пальцы узла подвеса.

На фиг.2 приведена расчетная схема уз5 ла подвеса устройства для измерения углов наклона объекта и приняты следующие обозначения: I - линия движения центра тяжести массы измерительного маятника, II - линия движения центра тяжести массы до0 полнительного маятника без угла подвеса , IH - эпициклоида движения центра тяжести массы дополнительного маятника с узлом подвеса из двух пальцев, AiBi - участок образующей поверхности отверстия изме5 рительного маятника, эквидистантный участку АВ эпициклоиды, OR - расстояние от точки подвеса до центра тяжести измерительного маятника, RRi - расстояние между центрами тяжести измерительного и допол0 нительного маятников.

На фиг.З приведены сравнительные графики переходного процесса устройства для измерения узлов наклона с различными вариантами установки дополнительного маят5 ника относительно измерительного, где приняты следующие обозначения: А - график переходного процесса устройства для измерения углов наклона объекта с дополнительным маятником, подвешенным в цен0 тре тяжести измерительного маятника, В - график переходного процесса устройства с дополнительным маятником, имеющим узел подвеса, пальцы которого контактируют с поверхностью отверстия измерительного

5 маятника, образующая которой эквидистан- та эпициклоиде, описываемой центром тяжести дополнительного маятника, а точка проекции продольной оси каждого из пальцев на плоскость измерений совмещена с эпициклоидой.

Устройство для измерения углов наклона объекта (фиг. 1) содержит корпус 1,внутри которого закреплен измерительный маятник 3 на оси, общей с осью вращения преобразователя 2 угловых перемещений. В качестве преобразователя угловых перемещений может быть использован синусно-ко- синусный трансформатор типа СКТ-265Д. Дополнительный маятник 4 связан с измерительным маятником 3 посредством пальцев 5 узла подвеса. При этом пальцы узла подвеса размещены в отверстии, выполненном в измерительном маятнике 3, так, что образующая поверхность отверстия, контактирующая с пальцами узла подвеса, эк- видистанта эпициклоиде, описываемой уравнением (при R 3.6 мм, г 1,8 мм - см. фиг.2):

X 1,8 (3 Cos р - Cos 3 (р); Y 1,8(3- (р - Sin 3 (р }.

Устройство для измерения углов наклона объекта работает следующим образом.

Контролируемый объект, непосредственно связанный с корпусом 1. вызывает изменение положения корпуса в пространстве относительно вертикали силы земного тяготения. Направление вертикали выдерживается измерительным маятником 3. Ось подвеса измерительного маятника совмещена с осью вращения преобразователя 2 угловых перемещений, основание которого, как и корпуса 1, связано с объектом контроля. В результате такого взаимодействия на выходе преобразователя 2 угловых перемещений появляется изменяющийся электрический сигнал, характеризующий наклон объекта в пространстве.. При угловом повороте объекта в пространстве относительно первоначального положения на измерительный маятник 3 устройства действует возмущающий момент опор подвеса оси вращения, после воздействия которого установившееся положение маятника достигает не сразу, а через некоторое время окончания переходного процесса. Сокращению этого времени способствует дополнительный маятник с узлом подвеса из двух пальцев.

Особенностью устройства для измерения углов наклона объекта является использование дополнительного маятника, подвешенного на двух пальцах, которые перемещаются по поверхности, эквидистантной эпициклоиде, описываемой центром тяжести дополнительного маятника. Расчетная траектория движения пальцев подвеса дополнительного маятника показана на фиг.2. Данный расчетный случай рассматривался в связи с установлением тех видов собственных колебаний измерительного маятника, на которые дополнительный маятник должен эффективно воздействовать. Известно, что маятники, применяемые в различных преобразователях углов наклона объекта, обладают собственными гармоническими колебаниями с частотой 1-5 Гц; Такие колебания наиболее просто демпфируют уравновешивающие массы, влияющие на маятник с такой же частотой, но находя- щейсяи противофазе по отношению к колебаниям измерительного маятника. В данном расчетном случае принято отношение массы дополнительного маятника к массе измерительного маятника равным единице, так как такое отношение обеспечивает демпфирование измерительного маят- ника дополнительным маятником с частотой, равной частоте измерительного маятника, но находящейся в противофазе по отношению к колебаниям измерительного маятника. Такому требованию наиболее полно удовлетворяет перемещение дополнительного маятника в том случае, если поверхность, по кото.рои перемещаются пальцы узла подвеса, выполнена по кривой,

образуемой эпициклоидой,-описываемой центром тяжести дополнительного маятника, и эквидистантной, т.е. равноотстоящей, от нее на расстояние, равное радиусу пальцев бифилярного подвеса. При этом

сохраняется собственная частота колебаний измерительного маятника, а дополнительный маятник колеблется с такой же частотой, как и измерительный, но в противофазе.

Графики переходных-процессов устройств для определения углов наклона объекта с различной установкой дополнительного маятника изображены на фиг.З. Запись переходных процессов осуществлялась на самописце типа Н338-6П с применением стандартных устройств: Основной характеристикой представленных на графиках процессов является декремент затухания, определяемый соотношением

1

А2

1 Аа

где AI, Аг- амплитуды начальных колебаний измерительного маятника,- укомплектованного дополнительным- маятником различной конструкции;

яг 3,1415 - постоянная величина Из графиков видно, что измерительный маятник 3 устройства для определения углов наклона объекта скачкообразно отклонялся от вертикали. Приход измерительного маятника в равновесное состояние характеризуется декрементом затухания Ј . Поскольку соотношение А1/А2 является величиной безразмерной, то нахождение их численных значений производится непосредственно из соответствующего графика. Для графика А

S

Ј --V1n2T-U3,14152

10 Для графика В

1в -

In

18.9 16

0,052

V|n2 +314152

Как видно из анализа графиков переходных процессов, использование предлагаемого устройства позволяет повысить декремент затухания измерительного маятника устройства в несколько раз.

Предлагаемое устройство для измерения углов наклона объекта по сравнению с прототипом имеет большую точность за счет уменьшения влияния внешних возмущающих воздействий путем сокращения времени успокоения измерительного маятника. При этом при использовании устройства в испытательных стендах уменьшается продолжительность, а следовательно, и стоимость испытаний конструкций. Кроме того, сокращение времени отсчета позволяет

производить контроль углового перемещения объекта в процессе испытаний, оперативно влияя на программу нагружения пр« приближении к критическим режимам, что в конечном итоге повышает безопасность испытаний.

Формула изобретения Устройство для измерения углов наклона объекта, содержащее корпус, измерительный маятник, плоскость которого совмещена с плоскостью измерений, дополнительный маятник с узлом его подвеса и преобразователь угловых перемещений, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния внешних воздействий путем увеличения декремента затухания маятника, измерительный маятник выполнен с профилированным отверстием, нижняя часть которого эквидистанта эпициклоиде, начальная точка которой совмещена с центром тяжести измерительного маятника, узел подвеса дополнительного маятника выполнен в виде двух пальцев, симметрично расположенных

относительно его вертикальной оси и введенных в контакт с нижней частью профили- рованного отверстия, причем точка проекции продольной оси каждого из пальцев на плоскость измерений совмещена с

эпициклоидой.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения- устройство содержит корпус 1, а также измеритепьиый 3 и дополнительный 4 мачтники и преобразователь 2 угловых перемещений кинематически связанные меч.Т совой В измерительном маятнике Т вымолено п верстие в котором р.кчнрны патьцы бифИЛЯрИОГО ПОДЬТ ПСЫНИГСШ h.. маятника 4 Dpi- этом образующая | ность отверстия измерительного мз° |М ка, контактирующая с пальцами портл эквидистантна эпициклоиде, описывч мой центром тяжести дополнигелкно о маятника За счет перемещение пальцев бифилярного подвеса по эгш циклоиде происходит ускоренное демпсц. рование колебаний измерительного маятника 3 ил

/

У

х

фиг.2

Редактор Т.Юрчикова

®иг.З

Составитель А.Ковалюк

Техред М.МоргенталКорректор Т.Вашкович

чллллллЛЛЛЛЛ ллл ллл,

ЛОЛЛЛЛЛЛаллл