Преобразователь перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления перемещением подвижных объектов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей двухкоординатного датчика угловых перемещений за счет обеспечения также и измерения линейных перемещений объекта контроля вдоль продольной оси преобразо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 В 7/00,7/30

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ

П

27

: Л7

l и ЯЛ7У cV

ЖР2/ (21) 4912622/28 (22) 20.02.91 (46) 07.12.92. Бюл. N. 45 (71) Самарский авиационный институт им, акад. С.П.Королева (72) Ю.С.Дмитриев, В.Н.Буров и А,Е.Портнов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1242706, кл, 6 01 В 7/30. 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1599647, кл, G 01 В 7/30, 1988.. Ж» 1779907 А1 (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ П ЕРЕМЕ ЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления перемещением подвижных объектов. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей двухкоординатного датчика угловых перемещений за счет обеспечения также и измерения линейных перемещений обьекта контроля вдоль продольной оси преобрвзо4

О

О

l !

1779907

10

30

35 вателя при одновременном обеспечении нечувствительности преобразователя к начальным угловым перемещениям и линейным перемещениям обьекта контроля в заданных диапазонах их изменения, Для этого в преобразователь введены сферический шарнир 7 и подвижный шток 9, выступающий за пределы электропроводящего элемента 6 и рукоятки 10 связи. Две дополнительные соединенные между собой встречно-последовательно катушки 19 и 20 индуктивности радиуса Rк расположены в двух параллельных плоскостях на расстоянии более 2йк в центральном пазу корпуса и охватывают сердечник 23, имеющий скользящий контакт с наконечником штока

9, Электропроводящий элемент 6 и электропроводные сердечники 21 токовихревого

Изобретение oTHOcvlTGH к электроизмерительной технике и автоматике и мо>кет быть использовано в системах управления перемещением подви>кных объектов (машин, судов, летательных аппаратов).

Известен преобразователь перемещений, содержащий корпус, телескопически сопряженные стеряень и направляющую, датчик линейных перемещений стержня, неферромагнитный электропроводящий сферический экран и несколько катушек индуктивности, установленных в корпусе во взамно перпендикулярных плоскостях и симметрично относительно оси экрана; подключенных к блоку электроники, Преобразователь позволяет формировать сигналы or угловых и линейных перемещениях стержня, однако, не имеет зон нечувствительности к начальным перемещениям стер>кня, что ограничивает область

его использования как элемента управления перемещением подвижных объектов, поскольку вибрация машин может вызвать появление ложных управляющих сигналов.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является преобразователь перемещений, содержащий разьемный полый диэлектрический корпус, имеющий секторный вырез с углом у, размещенный в его полости с возможностью поворота электропроводящий элемент, выполненный в виде части шара радиуса R, прикрепленную к нему одним концом рукоятку для связи с обьектом контроля, которая размещена в секторном вырезе корпуса, вихретоковый датчик поло>кения электропроводящего элемента. выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса R<, которые устадатчика положения этого элемента имеют конические и цилиндрические участки и взаимодействуют с катушками 15 и 16, формируя сигналы об угловых перемещениях рукоятки 10. Диэлектрический сердечник 23 с насаженной на его конце электропроводящей втулкой 25 взаимодействует с катушками 19 и 20 индуктивности, формируя сигнал о линейных перемещениях штока 9. За счет выбора геометрических параметров сердечников,. катушек индуктивности и их взаимного расположения обеспечивается независимость всех трех выходных сигналов от начальных перемещений рукоятки 10 в диапазоне углов +.у и штока 9 в диапазоне линейного перемещения 2>. 2 ил. новлены в корпусе попарно симметрично относительно его продольной оси и соединены в парах последовательно-встречна, и пять скользящих опор, взаимодействующих с плоской поверхностью электропроводящего элемента, каждая из которых выполнена в виде подпружиненного ступенчатого сердечника и размещена в соответствующем пазу корпуса, один из пазов расположен в центре корпуса на продольйой оси, а четыре остальных расположены соосно с cooTBeTcTBó îùåé катушкой индуктивности, расположенные в этих четырех пазах сердечники выполняют функции подвижных элементов вихретокового датчика положения, каждый из них состоит из четырех жестко соединенных участков, первый и третий из которых имеют коническую форму и одинаковую длину, а второй и четвертый имеют цилиндрическую форму с различающимися в два раза диаметрами.

Этот преобразователь позволяет формировать сигналы об угловых перемещениях рукоятки связи с управляющим обьектам по двум координатам, причем обеспечивает нечувствительность к угловым перемещениям рукоятки в заданном диапазоне изменения y = + у >, Однако преобразователь не может быть дополнен элементами, обеспе- чивающими формирование сигнала о линейных перемещениях элементов рукоятки вдоль ее оси.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет преобразования также и линейного перемещения по продольной оси преобразователя при обеспечении нечувствительности сиг1779907 налов к начальным перемещениям рукоятки по всем координатам.

Это достигается тем, что преобразователь перемещений, содержащий разъемный полый диэлектрический корпус, имеющий секторный вырез с углом у, размещенный в его полости с возможностью поворота электропроводящий элемент, выполненный в виде части шара радиуса R, прикрепленную к нему одним концом рукоятку дпя связи с объектом контроля, которая размещена в секторном вырезе корпуса, вихретоковый датчик положения электропроводящего элемента, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиуса В», которые установлены в корпусе попарно симметрично относительно его продольной оси и соединены в парах последовательно-встречно, и пять скользящих опор, взаимодействующих с плоской поверхностью электропроводящего элемента, каждая из которых выполнена в виде подпружиненного ступенчатого сердечника и размещена в соответствующем пазу корпуса, один из пазов расположен в центре корпуса на продольной оси, а четыре остальных расположены соосно с соответствующей катушкой индуктивности, расположенные в этих четырех пазах сердечники выполняют функции подвижных элементов оихретокового датчика положения, ка;кдый из них состоит из четырех жестко соединенных участков, первый и третий из которых имеют. коническую форму и одинаковую длину, а второй и четвертый имеют цилиндрическую, форму с различающимися в 2 раза диаметрами, снабжен установлен.ным на продольной оси сфериче ским шарниром, жестко соеди- ненным с рукояткой и электропроводящим элементом и имеющим сквозное отверстие, проходящим через это отверстие и через отверстия в электропроводящем элементе и в рукоятке, выполненной в виде полого . ! стержня, штоком с опорным наконечником, шток установлен с возможностью линейного перемещения вдоль продольной оси преобразователя и подпружинен с помощью, пружины, установленной в полости рукоят-, : ки и упирающейся в поверхность сферического шарнира, двумя дополнительными катушками индуктивности радиуса R», расположенными в центральном пазу корпуса на расстоянии одна от другой, превышающем

2R», и соединенных между собой последова-, тельно-встречно,и электропроводной втул- кой, охватывающей центральный сердечник и имеющей длину, равную расстоянию между плоскостями дополнительных катушек индуктивности, втулка установлена со смещением вдоль продольной оси преобразователя относительно плоскости дополнительных катушек в направлении электропроводящего элемента. величина этого смещения равна сумме R» и части длины этой втулки, на которую она превышает диаметр одной катушки, центральный сердечник выполнен в виде диэлектрического стержня, на конце которого выполнена площадка с криволинейной поверхностью, в ко10 управления подвижных объектов, где возможны случайные изменения подвижных элементов преобразователя под действием

35 вибрации

Сходные признаки, которые дают тот же положительный эффект, не содержат известные решения. Таким образом, заявленный преобразователь обладает новизной, 40 полезностью и существенными отличиями.

На фиг.1 схематично изображен преобразователь перемещений; на фиг.2 — сечение А-А на фиг.1.

Преобразователь перемещений (фиг.1) содержит разъемный полый диэлектриче45 ский корпус 1, в верхней части (не показана) которого имеется секторный вырез 2 с углом у, а в нижней части (не показана) имеются четыре периферийных паза 3, выполненных попарно диаметрально противоположно, и центральный паз 4. Между верхней и нижней частями корпуса 1 имеется полость 5. в которой установлен с возможностью поворота электропроводящий элемент 6, выполненный е виде части усеченного с двух

55 сторон шара радиуса R и жестко соединенный со сферическим шарниром 7, закрепленным в корпусе 1. Через центральное отверстие 8 шарнира 7 и отверстие в рукоятке 10 дпя связи с сбьектом кон роля, выторую упирается наконечник штока, последний выступает за пределы электропроводящего элемента преобразователя, с одной стороны и за пределы рукоятки — с

15 другой стороны.

Конструкция преобразователя позволяет формировать сигналы об угловых перемещениях рукоятки, обеспечивая за счет выполнения формы сердечников и их разме20 ров нечувствительность к начальным угловым перемещениям. Введение новых элементов позволяет дополнительно формировать сигнал о линейных перемещениях штока, а выбор размеров и расположения катушек индуктиености, а также электропроводящей втулки обеспечивает создание зоны нечувствигепьности к начальным перемещениям штока. Эти особенности конструкции расширяют функциональные возможности преобразователя, обеспечивая его использование в качестве элемента

1779907 полненной в виде полого стержня, проходит шток 9, Концевые участки 11 и 12 штока 9 выступают соответственно над плоскостью электропроводящего элемента 6 и концом рукоятки 10. Шток 9 имеет свободный продольный ход, ограниченный с одной стороны наконечником 13, закрепленным на выступающем участке 11 штока 9, а с другой стороны с пружиной 14, установленной в полости рукоятки 10 и закрепленной на штоке 9 и сферическом шарнире 7, В корпусе 1 соосно с соответствующим перлферийным пазом 3 установлены в oqной плоскости четыре идентичные катушки

15-18 (фиг,1 и 2) индуктивности с радиусом

R», Эти катушки соединены ме>кду собой попарно-дифференциально, В центральном пазу 4 корпуСа установленц соосно в параллельных плоскостях соединенные между собой дифференциально две дополнительные катушки 19 и 20 индук-тивности, Осевое расстояние между ними равно 2RK+Zo где Zo — заданная зона нечувствительности к линейным перемещениям штока 9 вдоль продольной nси. Расстояние между плоскостями катушек 19 и 20 индуктивности оределяет,свободный продольный ход штока 9.

Катушки 15-18 (фиг.2) индуктивности охватывают идентичные сердечники 21, опирающиеся на пружины 22 (фиг.1), которые установлены в пазах 3 корпуса 1. Дополнительные катушки 19 и 20 индуктивности охватывают. центральный сердечник 23, который выполнен в виде диэлектрического стер>кня 24. На одном конце этого стержня выполнена площадка с поверхностью сегмента для контакта с нэконечнйком 13 штока 9, а нэ друтом насажена электропроводная втулка 25 длиной, равной расстоянию между плоскостями катушек 19 и 20 индуктивности. Этэ втулка установлена со смещением вдоль продольной оси штока 9 относительно плоскости катушек 19 и 20 индуктивности на величину, равную R»+ Zo в направлении электропроводящего элемента 6, Центральный сердечник 23 подпру>кинен с помощью пружины 26. Катушки

15-18 установлены в корпусе 1 на расстоянии от поверхности электропроводящего элемента 6, не превышающем величины Rsln у. Первый и третий участки 27 и 28 сердечников 21 выполнены коническими и их длины выбраны одинаковыми и равными

Ll,з <>sin > К», а второй и четвертый участки 29 и 30 сердечников 21 выполнены цилиндрическими с различающимися в 2 раза диаметрами, причем диаметр четвертого участка 30 сердечников 21 выбраны наибольшими и близкими к внутреннему диаметру катушек 15-18 индуктивности. Второй участок 29 сердечника 21 выполнен длиной

1.г = 2R» = Isiny, где l = Rcos y- asin у; а—

5 расстояние от центра сферического шарнира 7 до поверхности электропроводящего элемента 6, контактирующей с сердечником

21; yo — заданная угловая зона нечувствительности преобразователя к угловым пере10 мещениям рукоятки 10. При а = R длина

Lz = 2R» + Rsin y,(cos у - slny). Сердечники

21 и 23 имеют скользящие контакты соответственно с плоской поверхностью электропроводящего элемента 6 и наконечником 13

15 штока 9. Выводы катушек 15-20 индуктивности подключены к блоку 31 электроники, состоящему из высокочастотного формирователя возбуждающих сигналов и трех типовых идентичных каналов преобра20 зователя выходных сигналов этих катушек, образующих вихретоковые датчики для измерения перемещения их подвижных сердечников 21 и 23. Каждая пара катушек 15 и

16, 17 и 18 и 19 и 20 индуктивности подклю25 чена к генератору прямоугольных импульсов через последовательно соединенные формирователь импульсов и усилитель мощности, а средние выводы этих пар катушек . индуктивности соединены с соответствую30 щим каналом преобразования их выходных сигналов, состоящим из последовательно соединенных усилителя сигнала и синхронного детектора, опорный вход которого соединен с формирователем возбуждающего

35 сигнала, Преобразователь перемещений работа- ет следующим образом.

В исходном состоянии рукоятка 10 занимает поло>кение, перпендикулярное от40 носительно плоскости установки катушек

15-20 индуктивности. При питании этих катушек индуктивности напряжением высокой частоты, поступающим. от генератора блока 31 электроники, наведенные от созда45 ваемых ими магнитных полей вихревые токи, протекающие по поверхности участков

29 электропроводящих сердечников, будут равны, поскольку геометрические парамет- . ры этих участков 29, в центре симметрии

50 которых установлены катушки 15-18 индуктивности, одинаковы, а магнитное поле вихревых токов, протекающих по поверхности злектропроводящей втулки 25 сердечника

23, будет воздействовать только нэ катушку

55 19 индуктивности, не влияя на катушку 20 индуктивности, поскольку расстояние от края втулки 25 до катушки 20 индуктивности больше В». Таким образом, со средних точек пар катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности

:779907

10 будут сниматься нулевые сигналы

Оа =0 и О 3=0, а со средней точки пары центральных катушек 19 и 20 индуктивности будет сниматься отрицательный сигнал

От /О. 5

Такого уровня и близкого к нему напряжения на выходе блока 31 электроники преобразователя сохраняются в некотором диапазоне-нечунствительности к угловым перемещениям(ч- y,) рукоятки 10 по любой 10 координате и линейным перемещениям (Zp) штока 9 рукоятки 10 относительно исходного, Это достигается выбором геометрических параметров катушек 15-20 индуктинности, сердечников 21 и 23, электропроводящей втулки 25, электропроводящего элемента 6 и взаимным их расположе.нием в ко рпусе 1. При выборе длины участка 29 сердечника 21 в виде

L2 = 2R» + 1э!и yp > 2R» согласно теории вихревых токов влияние участков 27 и 28 сердечников 21 на катушки 15-18 индуктивности, приводящие к изменению Оа и UP, будет только при углах .y ) уо отклонения рукоятки 10. Теория вихревых токов и экспериментальные данные показывают, что изменение геометрических параметров сердечника катушки индуктинности начинают влиять на выходной сигнал ("краевой эффект") только на расстоянии, меньшем, чем радиус катушки индуктивности, При этом любыеугловыеперемещения рукоятки10не приводят к изменению сигналов на катушках индуктивности за счет расположения электропроводящей втулки 25 относительно катушек 19 и 20 индуктинности, выбора ее длины, равной (2R» + Zo). и обеспечения постоянства контакта между наконечником

13 и сердечником 23, достигаемого использованием пружины 26 и выполнением конца сердечника 23 в ниде части площадки с поверхностью сегмента с центром и центре вращения сферического шарнира 7. Перемещение штока 9 относительно исходного на величину Zp приводит к перемещению 45 электропронодящей втулки 25 на ту же величину, но сигналы на катушках 19, 20 ин-. дуктинности не изменяются,. поскольку расстояние от катушек 19, 20 индуктинности до краев втулки 25 остается не менее В».

При угловых перемещениях рукоятки 10. прОисходит поворот электропроводящего

Элемента G вокруг центра вращения сферического шарнира 7. При этом сердечник 23 начального положения не изменит, а в диа- метрально противоположных пазах 3 сердечники 21 перемещаются в противоположных направлениях, взаимодействуя с пру кинами 2. При угловых перемещениях по обеим угловым координатам

<х > ) о и ф ) ъ рукоятки 10 значительное число магнитных силовых линий полей, создаваемых катушками 15-18 индуктивности, начнут пересекать поверхности участков 27 и 28 сердечников 21. При этом сигналы каждой катушки 15-18 индуктивности, соединенных в пары, из-за противополо>кных перемещений сердечников 21 изменяются в противоположных направлениях, поскольку в зону влияния одной катушки индуктивности попадает участок 27 сердечника 21, в зону влияния другой катушки индуктивности, соединенной с первой, попадает участок 28 сердечника 21. Поскольку диаметры участков 27 и 28 сердечников 21 различны. то разностные сигналы, снимаемые со средних точек каждой пары катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности, будут отличны от нуля.

При больших углах у перемещения рукоятки 10, близких к максимальным, электропроводящий элемент 6 приближается к одной иэ двух катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности, соединенных в пары, и в нем также наводятся вихревые токи, которые форми-, руют магнитное поле, воздействующее на эту же катушку индуктиннасти, создавая эффект уменьшения величины перемещения части 27 сердечника 21. Этот эффект необходим, поскольку позволяет скомпенсировать при больших у неодинаковость перемещений сердечников 21 в каждой из катушек 15-18 индуктивности, соединенных в пэры и тем самым обеспечить необходимую линейность выходного (разностного) сигнала каждой пары катушек индуктивности во всем диапазоне угловых перемещений рукоятки 10. Влияние электропроводящего элемента 6 на катушки

15-18 индуктивности начинается, когда расстояние до них не больше R». что следует иэ теории вихревых токов. Неодинаковость перемещений сердечников 21 в каждой паре катушек 15, 16 и 17, 18 индуктивности возникает из-за того, что центр плоской поверхности электропроводящего, элемента 6. являющийся диаметральной плоскостью усеченного шара, не совпадает с центром вращения, который находится в центре.сферического шарнира 7. Необходимая линейность выходных сигналов подбирается экспериментально выбором параметров R, а, 1, длины участков 27 сердечников 21 и расстояния от электропроводя щего элемента 6 до плоскости установки катушек 15-18 индуктивности, а также выбором величины электроп роводности материала электропроводящего элемента 6, 1779907

При нажатии на выступающую часть 12 штока 9, обеспечивающем его перемещение Z > Z>, наконечник 13 штока 9 будет взаимодействовать на торцовую поверхность сердечника 23 независимо от углового 5 положения рукоятки 10, сжимая пружину 26 и перемещая электропроводящую втулку 25 по центральному пазу 4. При симметричном расположении втулки 25 относительно катушек 19 и 20 индуктивности разностный сиг- 10 нал, снимаемый с них,будет равен нулю (Uz = О), а при дальнейшем перемещении штока 9 в том же направлении втулка 25 займет положение, противоположное исходному положению относительно катушек 15

19 и 20 индуктивности. На выходе блока 31 электроники появится положительный сигнал Uz /О. При этом сигналы об угловых перемещениях рукоятки 10 не изменятся, 20

Таким образом, преобразователь позволяет формировать три независимых сигнала, два из которых об угловых перемещениях рукоятки по двум координатам, а один о линейных перемещениях што- 25 ка в рукоятке по ее оси, при этом обеспечивается их защищенность от случайных начальных перемещений рукоятки и штока в заданных диапазонах их изменения. 30

Формула изобретения

Преобразователь перемещений, содержащий разъемный полый диэлектрический корпус, имеющий секторный вырез с углом у, размещенный в его полости с возможно- 35 стью поворота электропроводящий элемент, выполненный в виде части шара радиусом R. прикрепленную к нему одним концом рукоятку для связи с объектом контроля, которая размещена в секторном вы- 40 резе корпуса, вихретоковый датчик положения электропроводящего элемента, выполненный в виде четырех идентичных катушек индуктивности радиусом Я, которые установлены в корпусе попарно сим- 45 метрично относительно его продольной оси и соединены в парах последовательно . встречно и пять скользящих опор, взаимодействующих с плоской поверхностью электропроводящего элемента, каждая из 50 которых выполнена в виде подпружиненного ступенчатого сердечника и размещена в соответствующем пазу корпуса, один из пазов расположен в центре корпуса на продольной оси. а четыре остальных расположены соосно с соответствующей катушкой индуктивности, расположенные в этих четырех пазах сердечники выполняют функции подвижных элементов вихретокового датчика положения, каждый из них состоит из четырех жестко соединенных участков, пер.вый и третий из которых имеют коническую форму и одинаковую длину, а второй и четвертый — цилиндрическую форму с различающимися в два раза диаметрами, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей эа счет преобразования также и линейного перемещения по продольной оси преобразователя, он снабжен установленным на этой оси сферическим шарниром. жестко соединенным с рукояткой и электропроводящим элементом и имеющим сквозное отверстие, проходящим через это отверстие и через отверстия в электропроводящем элементе и в рукоят-. ке, выполненной в виде полого стержня, штоком с опорным наконечником, шток установлен с возможностью линейного перемещения . вдоль продольной оси преобразователя и подпружинен с помощью пружины,,установленной в полости рукоятки и упирающийся в поверхность сферического шарнира, двумя дополнительными катушками индуктивности радиусом

Я», расположенными в центральном пазу корпуса на расстоянии одна от другой, превышающем 2Я», и соединенными между собой последовательно встречно. и электропроводной втулкой, охватывающей центральный сердечник и имеющей длину. равную расстоянию между плоскостями дополнительных катушек индуктивности, втулка установлена со смещением вдоль продольной оси преобразователя относительно плоскости дополнительных катушек в направлении электропроводящего элемента, величина этого смещения paska сумме Як и части длины этой втулки, на которую она превышает диаметр одной катушки, центральный сердечник выполнен в виде диэлектрического стержня, на конце которого выполнена площадка с криволинейной поверхностью. в которую упирается наконечник штока, преобразователя с одной стороны и за пределы рукоятки — с другой стороны.

1779907

Составитель В.Биров

Техред М.Моргентал

Корректор Н.Гунько

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина. 101

Заказ 4428 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5