Датчик угла

Изобретение относится к области измерительной техники, связанной, в частности, с измерением относительных угловых перемещений, и может найти применение в составе прецизионных приборов и устройств, в обрабатывающей промышленности, в геодезических и навигационных приборах, в системах измерения градиента гравитации, в составе испытательных стендов. Датчик содержит статорную и роторную части, на торцовых поверхностях которых выполнены активные участки с возможностью бесконтактного взаимодействия по четырем секторным квадрантам и определения искомого угла по взаимному угловому положению роторной части относительно статорной. Активные участки выполнены в виде трех пар концентрических противолежащих (на расстоянии малого зазора) кольцевых электронных участков на статорной и роторной частях. На роторной части кольцевые участки расположены на жесткой подложке. При этом центральный кольцевой участок является собственно ротором, а его электропроводная часть разделена на четыре изолированных квадранта с возможностью их преобразования в два полукольцевых электрода, соединенных с источником питания. Электропроводные части внутреннего и наружного участков с помощью изолирующих полосок образуют по два полукольцевых электрода, соединенных с электронно-преобразовательной частью. Электроды на статорной части расположены на упругой подложке, где среднее кольцо имеет торсионную связь с внутренним и аналогичную, расположенную ортогонально, с внешним кольцом. Электронно-преобразовательная часть помимо усилительных функций выполняет также функции калибровки путем автоподстройки усиления в процессе его функционирования. В результате наряду с измерением в широком диапазоне обеспечиваются высокая чувствительность и точность сравнительно простыми технологическими средствами. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, связанной, в частности, с измерением относительных угловых перемещений, и может найти применение в составе прецизионных приборов и устройств в обрабатывающей промышленности, в геодезических и навигационных приборах, в системах измерения градиента гравитации, в составе испытательных стендов.

Известен датчик угла, содержащий статорную и роторную части, на торцовых поверхностях которых выполнены криволинейные активные участки с возможностью бесконтактного взаимодействия по четырем секторным квадрантам (см., например, В.Г.Домрачев и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1987, стр.60, рис.3.18). Криволинейные активные участки в этой схеме выполнены в виде спиральных растров. На торцовой поверхности статора выполнены кольцевые проточки и прорезаны радиальные пазы с угловым шагом 90°, в которые уложены обмотки возбуждения и считывания, изготовленные в виде секторов. Ротор представляет собой ферромагнитный диск, жестко закрепленный на оси, вращающейся в подшипниках качения. На торцовой поверхности диска по спирали выполнена проточка, ширина которой равна половине шага спирали. Питание обмоток осуществляется перемененным током частотой, зависящей от частотных характеристик материала статора и ротора. Магнитный поток, развиваемый обмоткой возбуждения, замыкается через зубцовый зазор и наводит ЭДС в обмотках считывания. Один период изменения выходного напряжения соответствует одному обороту ротора.

Известен также датчик угла (см. патент РФ №2199086, G 01 B 7/00 с приоритетом от 25.04.2001), содержащий статорную и роторную части, на торцовых поверхностях которых выполнены криволинейные активные участки с возможностью бесконтактного взаимодействия по четырем секторным квадрантам.

Данная схема принята за прототип.

В этом датчике активные участки выполнены в виде перфорированных окон на электропроводящем экране, а экран установлен на ползунке в форме кольца, размещенном на рычаге, который закреплен на роторе. Ротор снабжен пазами с шариками, контактирующими с окнами. Недостаток данной схемы в ограниченной чувствительности при достаточно сложной конструктивной схеме.

В предлагаемом изобретении поставлена задача: при широком диапазоне измерения обеспечить повышенную чувствительность и точность измерения, используя простейшие технологические средства.

Сущность изобретения заключается в том, что активные участки на торцовых поверхностях статора и ротора датчика выполнены в виде трех пар концентрических противолежащих (на расстоянии малого зазора) кольцевых электродных участков на статорной и роторной частях, причем на роторной части кольцевые участки расположены на жесткой подложке, где центральный кольцевой участок является собственно ротором, а его электропроводная часть разделена на четыре изолированных квадранта с возможностью их преобразования в два электрода, соединенных с источником питания, а электропроводные части внутреннего и наружного участков с помощью изолирующих полосок образуют по два полукольцевых электрода, соединенных с электронно-преобразовательной частью, при этом электроды на статорной части расположены на упругой подложке, где среднее кольцо имеет торсионную связь с внутренним и аналогичную, расположенную ортогонально, с внешним кольцом.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 и 2 приведены формы кольцевых электродных участков на статоре и роторе соответственно. На фиг.3 изображена принципиальная схема питания с переключателями квадрантов и преобразования их в два полукольцевых электрода, разделяемых по одной оси Х или ортогональной к ней оси Y. На фиг.4 представлена принципиальная схема соединения наружных и внутренних полуколец роторной части датчика с электронно-преобразовательной частью.

Характерная особенность предлагаемого датчика заключается в использовании вспомогательного колебательного движения кольцевых пластин статорной части относительно одной из диаметральных осей, положение которой задается при повороте ротора. При этом возможны несколько режимов работы:

- измерение малых углов, когда может измеряться непосредственно угол.

- измерение небольших углов (5÷15°), когда они могут измеряться как arcsin угла,

- измерение значительных углов, когда они могут измеряться в режиме arctg (до 45°) или arcctg (свыше 45°).

Помимо этого может быть предусмотрен режим автокалибровки, позволяющий обеспечивать прецизионные измерения.

В предлагаемом датчике угла к корпусному кольцу 1 в статорной части с помощью торсионной связи 2 подсоединено наружное статорное кольцо 3 (фиг.1). Наружное кольцо 3 с помощью аналогичной связи - торсионов 4 соединено со средним кольцом 5, а последнее через торсионы 6 - с внутренним кольцом 7. Внутреннее кольцо через торсионы 8 соединено с внутренним корпусным элементом 9. Торсионные связи концентрических колец располагаются в строго ортогональных направлениях.

Электродные кольца роторной части датчика располагаются соосно со статорными и разделяются минимальным зазором. Здесь также расположены наружное кольцо 10, среднее кольцо с изолирующими полосками 11 (их четыре штуки) и квадрантами-электродами 12, 13, 14 и 15, расположенными между изолирующими полосками 11, и внутреннее 16. Все три кольца располагаются в одной плоскости на жесткой подложке. Среднее кольцо является собственно ротором с возможностью поворота на неограниченный угол α (фиг.2).

Потенциометр R запитывается от источника питания 17, а его выход образуют цепи Л₁, Л₂, Л₃, которые через переключатели П₁...П₅ соединены с электродами-квадрантами 12...15 роторного кольца (фиг.3).

Полукольцевые электроды статора (фиг.4) через провода 18...21 соединены со входом мультипликативного усилителя электронно-преобразовательной части 22. Выход этого усилителя двухканальный. Первый канал образуют цепи усиленного сигнала U₁, снимаемого с полукольцевых электродов 18 и 19 наружного кольца, а второй - цепи сигнала U₂, снимаемого с аналогичных электродов 20 и 21 внутреннего кольца. Первый канал соединен со входом блока 23 формирования синуса угла α, а второй канал - со входом блока 24 формирования косинуса α. Для этого дополнительные входы этих блоков соединены с запоминающим устройством 25, вырабатывающим сигнал, соответствующий углу α=90°. Далее выходы блока (23) формирования синуса угла α и блока (24) формирования косинуса этого угла соединены с входами блока (26) формирования тангенса угла α (ctg(α)), а последний соединен с выходным блоком (27) определения измеряемого угла α в виде arctg(sin(α)/cos(α)) (arcctg(cos(α)/sin(α)). В последующих блоках 28 и 29 каждого канала формируются квадраты этих сигналов и далее в блоке 30 их сумма. Суммирующий блок 30 и блок относительной единицы 31 соединены с блоком 32 формирования сигнала погрешности путем определения разности полученной суммы и относительной единицы в блоке 31. Блок 32 формирования сигнала погрешности по выходу соединен (как обратная связь) с дополнительным входом мультипликативного усилителя 22.

Принцип действия датчика угла заключается в следующем. Для формирования измерительных сигналов при измерении малых и небольших углов переключателем П₁ замыкают нижние контакты, замыкают контакты переключателями П₂ и П₄ и размыкают переключатели П₃ и П₅. При этом из четверки электродов ротора образуются два полукольца, ограниченных по оси ОХ. Далее на эти полукольца электроды подают напряжение питания переменного тока частотой в пределах от 100 до 400 Гц. Это приведет к возникновению механических угловых колебаний среднего кольца статорной части относительно диаметральной оси, которая является проекцией оси ОХ ротора, то есть оси, которая располагается под углом α по отношению к неподвижной оси ОХ на статоре. Колебания среднего кольца статора приведут к колебаниям наружного и внутреннего колец относительно их торсионов. Амплитуды этих колебаний для одного кольца будут пропорциональны sin(α), а для другого cos(α). Для синусного (или косинусного) канала угловая амплитуда колебаний кольца θ_вых может быть определена по формуле

где ξ - коэффициент относительного демпфирования кольца,

D - коэффициент демпфирования торсионов наружного (или внутреннего) кольца,

ω₀ - частота угловых колебаний,

θ_возб - амплитуда угловых колебаний среднего кольца статора,

ψ - угол запаздывания,

I_Х1 (или I_Y1) - момент инерции наружного (или внутреннего) кольца относительно диаметральной оси (оси торсионов).

Напряжение в цепях определяется величиной напряжения питания и коэффициентами усиления каскадов и блоков цепей.

Величину I/ξ можно представлять как добротность Q, которая при резонансе для механических колебаний может достигать 100-400, а если наряду с механическим резонансом синхронизировать с ними электрический резонанс, то добротность может достигать тысячи и более.

Для иллюстрации возможностей датчика оценим его чувствительность при условии задания реальных исходных данных

; ; ,

.

Получим α_min≈6·10^-7 или ≈0,01 угл.сек, т.е. на три порядка меньше θ_вых.

Для нормирования напряжений U₁ и U₂ под sin(α) и cos(α), то есть под величины, не превышающие единицы, в схеме предусмотрен блок запоминающего устройства 25, в котором сохраняется уровень напряжения U₉₀, соответствующий sin(α=90°). В блоках 23 и 24 отношений напряжений сигналы U₁ и U₂, снимаемые с выхода мультипликативного усилителя 22, делятся на напряжение U₉₀, снимаемое с запоминающего устройства 25. В результате получаются значения sin(α) и cos(α), которые с обоих каналов передаются на блок 26 отношения sin(α)/cos(α), то есть на блок формирования tg(α) (или ctg(α), если α>45°). Далее сигнал подается на блок 27 формирования величины arctg(sin(α)/cos(α)) (или arcctg(cos(α)/sin(α))), в результате на выходе получается численное значение угла α.

В общем случае каналы, образуемые после мультипликативного усилителя, могут иметь неодинаковые усилительные свойства. Для их выравнивания в схеме формируется автоподстройка усиления (калибровка) одного из каналов по другому.

Для этого после блоков 23 и 24 отношений напряжений сигналы подаются на формирователи 28 и 29 квадратов синуса и косинуса угла α соответственно, а затем на блок 30 вычисления их суммы, то есть sin²(α)+cos²(α).

В данном случае можно опираться на свойство стабильности суммы квадратов для слагаемых в ортогональной системе координат. Поэтому после блока суммирования 30 сигнал подается на блок 32 разности фактического сигнала (с возможно неточной ортогональностью каналов) и единицы, снимаемой с блока 31. Полученный сигнал погрешности подается на дополнительный вход мультипликативного усилителя 22 для корректировки его коэффициента усиления в направлении обеспечения условия sin²(α)+cos²(α)-1→0, когда усилительные свойства каналов будут идентичными, а это будет обеспечивать повышенную точность измерения угла α во всем широком диапазоне.

Это наряду с другими преимуществами позволяет улучшить основные технические характеристики предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом и, прежде всего, при широком диапазоне измерения обеспечить повышенную чувствительность и точность сравнительно простыми технологическими средствами.

1. Датчик угла, содержащий статорную и роторную части, на торцовых поверхностях которых выполнены активные участки с возможностью бесконтактного взаимодействия по четырем секторным квадрантам и определением искомого угла по относительному угловому положению роторной части относительно статорной с использованием электронно-преобразовательной части, отличающийся тем, что активные участки выполнены в виде трех пар концентрических противолежащих на расстоянии малого зазора кольцевых электродных участков на статорной и роторной частях, причем на роторной части кольцевые участки расположены на жесткой подложке, где центральный кольцевой участок является собственно ротором, а его электропроводная часть разделена на четыре изолированных квадранта с возможностью их преобразования в два полукольцевых электрода, соединенных с источником питания, а электропроводные части внутреннего и наружного участков с помощью изолирующих полосок образуют по два полукольцевых электрода, соединенных с электронно-преобразовательной частью, при этом электроды на статорной части расположены на упругой подложке, где среднее кольцо имеет торсионную связь с внутренним кольцом и аналогичную связь, расположенную ортогонально, с наружным кольцом.

2. Датчик угла по п.1, отличающийся тем, что электронно-преобразовательная часть включает в себя параллельно включенные блоки формирования синуса и косинуса измеряемого угла, выходы которых соединены со входом блока формирования тангенса измеряемого угла, соединенного по выходу с блоком определения измеряемого угла в виде его арктангенса.

3. Датчик угла по п.1 или 2, отличающийся тем, что электронно-преобразовательная часть содержит систему автокалибровки, включающую в себя параллельно включенные блоки формирования квадратов синуса и косинуса измеряемого угла, выходы которых соединены со входом блока суммирования, соединенного по выходу с одним из входов блока определения ошибки, второй вход которого соединен с выходом блока формирования относительной единицы, а выход блока определения ошибки соединен со входом электронно-преобразовательной части.