Преобразователь углового положения объекта

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА, содерка|ВЦ й соединенный с объектом карданный подвес, закрепленный IB нем постоянный магнит , два элемента Холла, измерительный блок и блок питания, отличающийся тем, что, с целью независимого измерения углов наклона объекта в каждой из двух взаимно перпендикулярных плоскостях и расширения диапазона измерения, в него дополнительно введен второй постоянный магнит, элементы Холла размерены раздельно на двух взаимно перпендикулярных геометрических осях карданного псздвеса, причем рабочие плос кости элементов Холла совпадают с соответствуюв ми геометрическими ОСЯМ1 карданного подвеса, каждый Холла находится между разиоИ11ЮННЫМ1 полюсами одного из магнитов , векторы магнитной индукции перпендикулярны геометрическим осям, г на которых размещены соответствующие элементы Холла, a постоянные магниты либо элементы Холла закреплены на карданном подвесе с возможностью Вргицения относительно друг друга, сигнальные электроды каждого элемента Холла подключены к иден .тичньт каналам измерительного блока-i о ч1 DO СП эо

(1Е (1!)) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5!1 (* 01 С 9

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н свтсвснсмв сввщвтвввссвв, б (21) 3488802/18-10 (22) 01.09.82 (46) 15.01 84. Бюл В 2 (72) И.О.Воронежский, и М.Я.Даниленко (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Морского гидрофизического института АН УССР .(53) 528.52(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 541524, кл G Ol С 9/02, 1976»

2. Волоков И.И., Мелик-Шахназа" ров В.П. Ориентирующее устройство на элементах Холла.- Приборы и систеьы управления, 1972, У 7.

3, Авторское свидетельство СССР

9 294071, кл 6 01 С 17/02, 1971 (прототип) . (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВО1 О

ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА, содержаЩий соеДИненный с объектом карданный подвес, закрепленный 1в нем постоянный магнит, два элемента Холла, измерительный блок и блок питания, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью независимого измерения углов наклона объекта в каждой из двух взаимно перпендикулярных плоскостях и расширения диапазона измерения, в него дополнительно введен второй постоянный магнит, элементы Холла размещены раздельно на двух взаимно перпендикулярных геометрических осях кар. данного подвеса, .причем рабочие плоскости элементов Холла совпадают с соответствуищиваю геометрическими осямя карданного подвеса, каждый элемент Холла находится между разноименньвж полюсами одного из магнитов, векторы магнитной индукции перпендикулярны геометрическим осям, на которых размещены соответствую- Я щие элементы Холла, а постоянные магниты либо элементы Холла закреплены на карданном подвесе с возможностью вращения относительно друг друга, сигнальные электроды каждого элемента Холла подключены к иден- Я ,тичным каналам измерительного блока;

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углов наклона объектов относительно плоскости горизонта, в частности, при океанографических измерениях. 5

Известно устройство для измерения угла наклона объекта, содержащее карданный подвес, маятник, источники опорного магнитного поля, укрепленные на наружной рамке кардан- 10 ного подвеса, и феррозонд, установленный на внутренней рамке под углом 45 к ее оси вращения и перпендикулярно к ее вертикальной оси (1).

Применение в этом устройстве фер- 15 розонда в качестве чувствительного элемента и наличие источников опорного магнитного поля ведет к большому энергопотреблению, усложняет конст.рукцию и регулировку устройства ° gp

Известно также устройство, в котором для определения ориентации объекта относительно известного направления вектора магнитной индукции в качестве чувствительных элементов при- 5 менены две пары скрепленных взаимно перпендикулярно элементов Холла. В этоМ устройстве два элемента Холла, укрепленные в карданном подвесе, находятся внутри воздушного зазора магнитной системы, жестко связанной с объектом, и служат для определения зенитного угла. Два других элемента Холла служат для определения угла азимута.С этой целью они снабжены концентраторами, перпендикулярными З5 йх плоскости, и укреплены на конце длинного немагнитного стержня вместе с dpyaoM, образуя маятник L2)*

Применение в этом устройстве такого маятника ограничивает диапазон 40 измерений углов отклонения объекта от вертикали. Кроме того, это устройство позволяет определить только угол азимута и зенитный угол, в то время как в ряде случаев, например, 45 в авиации и океанографии, требуется знать углы наклона объекта относительно плоскости горизонта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик ориентации, содержащий карданный подвес, укрепленный на нем постоянный магнит, два ортогональных жестко связанных между собой элемента Холла, помещенных в воздушном зазоре постоянного магнита, блок питания и фазосдвигающие цепочки, к которым подключены элементы Холла, В этом датчике постоянный магнит с . помощью карданного подвеса сохраня- 60 ет неизменным свое положение в пространстве. Выходной сигнал элементов

ХОлла, помещенных в магнитное поле, является функцией проекции вектора магнитной индукции этого поля на рабочую плоскос ть элемента Холла.

Поэтому, .подключив выходные электроды элементов Холла к фазосдвигающим цепочкам, в этом датчике ориентации получают зенитный угол положения корпуса объекта (3), Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определять углы наклона объекта относительно плоскости горизонта во взаимно перпендикулярных плоскостях (называемые в судовождении углами крена и дифферента) . Наличие в конструкции датчика ориентации держателя для установки элементов Холла в зазоре между полюсами магнита ограничивает угол отклонения магнита в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через вертикаль. Например, при применении элементов Холла типа ПХЭ606817А с чувствительностью порядка 100 мкВ/мТл и необходимости получения разрешающей способности порядка 1,5 расстояние между полюсами магнита должно быть не более 10 мм, что дает угол отклонения объекта не более+35 в плоскости, проходящей через держатель элементов Холла. Увеличение измеряемого угла отклонения объекта в этой плоскости требует увеличения расстояния между полюсами магнита, что ведет к ослаблению выходного сигнала, а также к нарушению однородности магнитного поля в зоне расположения элементов Холла. A это, в свою очередь, уменьшает разрешающую способность датчика и увеличивает погрешность преобразования.

Цель изобретения — независимое друг от друга измерение углов наклона объекта относительно горизонта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и расширение диапазона измерения этих углов.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь углового положения объекта, содержащем соединенный с объектом карданный подвес, закрепленный в нем постоянный магнит, два элемента Холла, измерительный блок и блок питания, введен второй постоянный магнит, лементы Холла размещены раздельно на двух взаимно перпендикулярных геометрических осях,карданного подвеса, причем рабочие плоскости элементов Холла совпадают с соответствующими геометрическими осями карданного подвеса, каждый элемент Холла находится между разноименными полюсами одного из магнитов, векторы магнитной индукции перпендикулярны геометрическим осям, на которых размещены соответствующие элементы Холла, а постоянные магниты либо элементы Холла закреплены на карданном подвесе с возможностью вращения относительно друг друга, сиг1067358 нальные электроды каждого элемента

Холла подключены к идентичным каналам измерительного блока.

Раздельное размещение элементов

Холла и введение дополнительного магнита позволяет разделить узел преобразования угла поворота объекта в электрический сигнал на два независимых узла преобразования. Размещение этих узлов преобразования на двух различных взаимно перпендику- . 1() лярных осях карданного подвеса и подключение выходных электродов элемента Холла к двум независимым и идентичным каналам измерительной схемы позволяет независимо друг от друга измерять два взаимно перпенди- . кулярных угла наклона объекта по отношению к плоскости горизонта.

Кроме того, закрепление одной иэ составных частей узла преобразования (элементов Холла или магнита) на осях карданного подвеса, которые име-. ют степень свободы вращения на 360, позволяет измерять угловое положение в пределах не менее +90, To H o6ycловливает расширение диапазона измерений.

На фиг. 1 изображен преобразователь углового положения, общий виду на фиг. 2 — схема подключения его элементов Холла к измерительной схеме; на фиг. 3 — вариант закрепления составных частей узла преобразования.

Преобразователь углового положения содержит (см. фиг. 1) корпус 1, карданный подвес с внутренней рамкой 2, наружной рамкой 3 и осями 4, 5, элементы Холла 6, 7, две пары постоянных магнитов 8,9 и 10, 11, блок 40 питания 12 и каналы измерения углов наклона объекта 13 и 14.

В корпусе 1 на осях 4, 5 размещены внутренняя рамка 2 и наружная рамка 3 карданного подвеса, выполненные 45 в виде концентрических колец. На оси 4 жестко закреплен элемент Холла

6 так, что рабочая плоскость элемента Холла 6 совпадает с осевой „.инией оси 4. Аналогично на оси 5 закреплен элемент Холла 7. На внутренней рамке 2 симметрично оси 4 размещены постоянные магниты 8 и 9 так, что их разноименные полюса обращены друг к другу и элемент Холла 6 находится в центре симметрии этих магнитов.

Элемент Холла 6 и магниты 8, 9 образуют узел преобразования угла отклонения внутренней рамки 2 от плоскости горизонта. Магниты 8 и 9 представляют собой два аналогичных цилиндра, намагниченных вдоль его образующей. Функционально магниты 8 и 9 образуют единый магнит. В зазоре между магнитами 8 и 9 легче сформировать однородное магнитное поле. 65

Оптимальное расстояние между магнитами 8 и 9 с точки зрения формирования однородного поля, т.е. минимальной погрешности преобразования и максимальной чувствительности, равно высоте цилиндра магнита. Плоскости торцов цилиндров магнитов 8 и 9 в исходном положении должны быть перпендикулярны рабочей плоскости элемента Холла 6. Аналогично на наружной рамке 3 размещены магниты 10 и 11 °

Поворот корпуса 1 относительно внешней рамки 3 и поворот внешней рамки 3 относительно внутренней рамки 2 обеспечивается с помощью двух пар подшипников 15, жестко закрепленных на осях 4 и 5 карданного подвеса. Центр тяжести карданного подвеса (точка Б) расположен ниже точки пересечения осей карданного подвеса (точка В), что обеспечивает постоянное горизонтальное положение плоскости внутренней рамки 2 при любых поворотах объекта 16, на котором установлен преобразователь углового положения.

Кроме описанного варианта конструкции преобразователя, могут быть выполнены и другие, отличающиеся друг от друга местом крепления элементов

Холла и постоянных магнитов. Основным условием йри этом должно быть то, чтобы при отклонении объекта 16 от плоскости горизонта между рабочими плоскостями элементов Холла и . вектором магнитной индукции магнитов образовывался угол равный этому от клонению. Например, (см. фиг. 3) магниты 10 и 11 могут быть закреплены на корпусе 1, а элемент Холла 7 на оси 5 наружной рамки 3. Можно также закрепить на одной оси карданного подвеса элемент Холла, а на другой оси - магниты этого узла преобразования, или на одной рамке закрепить магниты второго узла преобразования, а на другой рамке — элемент Холла.

К блоку питания постоянным током

12 элементы Холла 4 и 5 подключены последовательно (см.фиг. 2), что позволяет применить один блок питания и, при необходимости, схему автоматического регулирования для термостабилизации результатов измерений. Сигнальные электроды элемента Холла 4 подключены к каналу измерения керна 13, а сигнальные электроды элемента Холла 5 — к каналу измерения дифферента 14 измерительной схемы преобразователя. Каналы 13 и

l4 идентичны и содержат органы регулировки усиления для компенсации разброса параметров применяемых элементов Холла и магнитов .

Преобразователь углового положения работает следующим образом.

1067358

В исходном положении, т.е. когда абъект 16 находится в горизонтальйом положении, рабочая плоскость элемента Холла 6. параллельна вектору магнитйой индукции магнитов 8, 9, и на сигнальных электродах элемента

Холла 6 присутствует только остаточное напряжение, которое легко скомпенсировать в сХеме измерителя. При произвольном наклоне объекта 16 плоскость и внутренней рамки 2 остается горизонтальной. При этом внешняя рамка 3 с внутренней рамкой 2 образуют угол керна, а корпус 1 поворачивается относительно внешней рамки 3 на угол дифферента. Таким образом, между рабочей плоскостью элемента Холла 6 и вектором магнитной индукции магнитов 8,. 9 образуется угол равный углу. крена, и на сигнальных электродах элемента Холла 6 формируется напряжение прямо пропорциональное синусу этого угла.

При этом знак напряжения соответствует направлению отклонения объекта от,плоскости горизонта.

Аналогично работает элемент Холла

7 с магнитами 10, 11 в угле преобразования угла дифферента.

8 сравнении с устройством-прототипом изобретение имеет возможность измерять два угла наклона объекта

1О относительно плоскости горйзонта вместо одного угла (зенитного), причем диапазон измерения расширен с.

МЗ5адо Т90опри сохранении того же расстояния между полюсами магнитов, 15, что и в прототипе, Конструкция изобретения позволяет сблизить полюса магнитов до 3 ма, что повышает амплитуду выходного сигнала примерно в три раза (по сравнению с прототиъО пом) и позволяет получить разре-. шающую способность преобразования порядка 0,5.

1067358 Рид. Я

Составитель В.Васильев

Редактор А.Долинич Техред Л. Мартяшова ЕорректорО Внлак

Заказ 11195/45 Тираж 593 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Филиал llOO Патент, r.Óèãîðîä, ул.Проектная, 4