Измеритель углового положения изделия



Измеритель углового положения изделия
Измеритель углового положения изделия

 


Владельцы патента RU 2491507:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения углового положения изделия. Измеритель содержит два двухосевых микромеханических акселерометра, установленных таким образом, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные стороны. Разноименные выходы акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений, в которых компенсируются нулевые сигналы акселерометров, выделяются и удваиваются полезные сигналы акселерометров. Выходы дифференциальных усилителей подключены к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и точности измерения углов, уменьшение температурной погрешности и повышения помехоустойчивости. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения углового положения изделия.

Известен измеритель углового положения изделия, на которое он установлен, построенный на принципе измерения проекции вектора ускорения силы тяжести на измерительную ось.

Измеритель представляет собой по конструкции компенсационный маятниковый акселерометр с обратной связью, использующий в своей основе акселерометр А-17 (РПКБ г.Раменское), адаптированный к требованиям измерения угла тангажа и крена моделей летательных аппаратов при их испытаниях в аэродинамических трубах (см. В.В. Буров, B.C. Волобуев, С.А. Глазков, А.Р. Горбушин, Е.К. Чумаченко. Измерительно-вычислительный комплекс трансзвуковой аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ // Датчики и системы. - 2010. №5. - С.19-24). Чувствительным элементом измерителя является маятник, на котором размещена катушка магнитоэлектрического датчика, создающего компенсационный момент. Ток, протекающий через катушку датчика момента в установившемся режиме, пропорционален величине ускорения, действующего вдоль измерительной оси, т.е. в данном использовании углу отклонения от вертикали.

К недостаткам измерителя следует отнести:

- сложность конструкции датчика;

- недостаточная эксплуатационная надежность датчика (не допускаются удары при установке измерителя, удары по изделию после его установки, неодновременное включение либо выключение напряжений питания +15 B и минус 15 B);

- измерение угла наклона относительно только одной оси чувствительности;

- использование внешнего масштабного резистора, включенного последовательно с катушкой датчика момента (величиной 3000 Ом);

- габариты (24×24×23,7 мм) и вес (0,060 кг), ограничивающие установку группы измерителей на испытываемое изделие (например, несколько десятков для определения деформированного состояния упруго-подобных моделей);

- в ряде случаев недостаточная точность измерения угла отклонения изделия (погрешность Δα=±0,01°).

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является микромеханический двухосевой инклинометр, предназначенный для измерения углов α и β отклонений базовой поверхности относительно плоскости горизонта в двух взаимно перпендикулярных направлениях (С.А. Анчутин, Е.С. Морозова, А.С. Головань, В.Н. Максимов, В.Ф. Шилов. Инклинометр микромеханический двухосевой ИМД-9 // Датчики и системы. - 2011. №2. - С.48-50).

Инклинометр содержит три микромеханических одноосевых акселерометра, каждый из которых выдает выходной сигнал в виде цифрового кода, соответствующего величине воздействующего ускорения вдоль оси его чувствительности. Аналоговые данные, поступающие с чувствительных элементов микромеханических акселерометров, обрабатываются аналого-цифровыми преобразователями в соответствующих блоках. При этом работа разных микромеханических акселерометров осуществляется независимо друг от друга. Два из трех акселерометров устанавливаются в инклинометре таким образом, чтобы их оси чувствительности были направлены горизонтально и перпендикулярно друг другу. При этом выходные сигналы акселерометров (при отсутствии ускорений, отличных от ускорения силы тяжести) имеют вид:

Ux=U0x+Kx·g·sinα;

Uy=U0y+Ky·g·sinβ,

где U0x, U0y - нулевые сигналы акселерометров; Kx, Ky - масштабные коэффициенты; g - ускорение; α и β - углы отклонения базовой поверхности.

Для повышения точности измерения углов при приближении к значению ±90° используется третий акселерометр, установленный по оси Z.

Микромеханические акселерометры подключаются к плате модуля съема и обработки данных. В состав модуля входит вычислитель-преобразователь, реализованный на базе 16-разрядного микроконтроллера. Микроконтроллер обрабатывает данные трех микромеханических акселерометров и вычисляет значения углов отклонения от плоскости горизонта. Погрешность измерения углов (±0,10°) зависит от точности установки акселерометров на основании (не хуже 1°), калибровки датчика и алгоритма вычисления углов. Габаритные размеры инклинометра 45×35×20 мм.

К недостаткам прототипа следует отнести: невысокую точность измерения углов (±0,10°), особенно при измерении малых углов отклонения, использование трех одноосевых акселерометров для построения двухосевого инклинометра, сложность схемы и конструкции, значительные габариты (45×35×20 мм).

Техническим результатом является повышение чувствительности и точности измерений малых углов отклонения, уменьшение температурной погрешности измерителя, обеспечение помехоустойчивости, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.

Технический результат достигается тем, что в измеритель углового положения изделия, содержащий микромеханические акселерометры, аналого-цифровые преобразователи и микроконтроллер, введены четыре буферных операционных усилителя, два дифференциальных усилителя, и в качестве акселерометров использованы два двухосевых микромеханических акселерометра, установленных таким образом, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные стороны, при этом разноименные выходы акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера.

Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:

- повышается чувствительность и точность измерения углов, за счет использования двух двухосевых микромеханических акселерометров с определенной ориентацией осей чувствительности в горизонтальной плоскости и суммированием их сигналов в дифференциальных усилителях;

- уменьшение температурной погрешности измерителя углов, за счет компенсации начальных сигналов акселерометров в дифференциальных усилителях, существенно зависящих от изменения температуры внешней среды (уход нуля двухосевых микромеханических акселерометров, например ADXL203, может составлять 0,1 mg/°C);

- повышается помехоустойчивость и точность измерений углов, за счет согласования высокоомных выходных импедансов акселерометров (~20 кОм) с входами дифференциальных усилителей разности напряжений с помощью буферных операционных усилителей с низкоомным выходным импедансом;

- упрощается конструкция и уменьшаются габариты измерителя. На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерителя угловых положений изделия.

Предлагаемый измеритель угловых положений изделия содержит два двухосевых микромеханических акселерометра 1 и 2 (ADXL203), установленных на противоположных сторонах основания таким образом, что их одноименные оси чувствительности X1, Х2 и Y1, Y2 направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные оси X1, Y2 и Х2, Y1 направлены в противоположные стороны, при этом вертикальные оси Z1 и Z2 совпадают. Измеритель угловых положений изделия содержит также буферные опера-усилители 3, 4, 5, 6, к входам которых подключены высокоомные (~20 кОм) выходы x1, х2, y1, y2 акселерометров, низкоомные выходы x 1 * и y 2 * буферных операционных усилителей 3 и 6 подключены к входам дифференциального усилителя разности напряжений 7, а низкоомные выходы x 2 * , y 1 * буферных операционных усилителей 4 и 5 подключены к входам дифференциального усилителя 8. Таким образом, разноименные выходы x1, х2, y1, y2 акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений 7 и 8.

Выходы дифференциальных усилителей 7 и 8 подключены к соответствующим аналого-цифровым преобразователям 9 и 10 микроконтроллера 11.

Предлагаемый измеритель угловых положений изделия работает следующим образом: при отсутствии ускорений, отличных от ускорения силы тяжести, выходные сигналы акселерометров имеют вид:

- для акселерометра 1:

Ux1=U0x1+Kx1·g·sinα;

Uy1=U0y1+Ky1·g·sinβ;

- для акселерометра 2:

Ux2=U0x2+Kx2·g·sinβ;

Uy2=U0y2+Ky2·g·sinα,

где U0x1, U0x2, U0y1, U0y2 - нулевые сигналы акселерометров; Kx1, Kx2, Ky1, Ky2 - масштабные коэффициенты.

Вследствие особенностей конструктивной установки акселерометров в измерителе, при отклонении их осей чувствительности от горизонтальной плоскости, выходные сигналы акселерометров и соответствующие им сигналы буферных операционных усилителей примут вид:

U x 1 * = U 0 x 1 + Δ U x 1 + K x 1 g s i n α ;

U y 1 * = U y x 1 + Δ U y 1 + K y 1 g s i n β ;

U x 2 * = U 0 x 2 Δ U x 2 + K x 2 g s i n β ;

U y 2 * = U o y 2 Δ U y 2 + K y 2 g s i n α .

В результате преобразования и суммирования сигналов U x 1 * , U y 2 * в дифференциальном усилителе разности напряжений 7 и сигналов U x 2 * , U y 1 * в дифференциальном усилителе разности напряжений 8 компенсируются начальные сигналы акселерометров U0x1, U0y2 в дифференциальном усилителе 7 и начальные сигналы акселерометров U0x2, U0y1 в дифференциальном усилителе 8, существенно зависящие от изменения температуры окружающей среды, и удваиваются полезные сигналы акселерометров: |ΔUx1|+|ΔUy2| и |ΔUx2|+|ΔUy1|.

При условии U0x1=U0y2; U0x2=U0y1; |ΔUx1|=|ΔUy2|=ΔUα; |ΔUx2|=|ΔUy1|=ΔUβ; Kx1=Ky2=Kα; Kx2=Ky1=Kβ, на выходах дифференциальных усилителей разности напряжений 7 и 8 сформируются соответственно сигналы:

2 Δ U α = K α g sin α ; ( 1 ) 2 Δ U β = K β g sin β .

Выходные напряжения (1) дифференциальных усилителей 7 и 8 преобразуются в кодовый эквивалент аналого-цифровыми преобразователями 9 и 10.

Определение значений углов положения изделия выполняется путем вычисления арксинусов углов α и β в микроконтроллере 11.

Изготовлены и исследованы опытные образцы измерителя, которые подтвердили указанные технические результаты. В диапазоне углов ±20° (угловых градусов) погрешность измерения по результатам градуировок в нормальных условиях составила ≤±25″ (угловых секунд) или ±0,07° (угловых градусов). Габариты измерителя 20 мм ×30 мм×6 мм.

Измеритель угловых положений изделия, содержащий микромеханические акселерометры, аналого-цифровые преобразователи и микроконтроллер, отличающийся тем, что в него введены четыре буферных операционных усилителя, два дифференциальных усилителя, и в качестве акселерометров использованы два двухосевых микромеханических акселерометра, установленных таким образом, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные стороны, при этом разноименные выходы акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике в гироскопических системах ориентации и навигации подвижных объектов различных типов и может быть использовано для малогабаритных морских и наземных объектов.

Изобретение относится к устройствам, использующимся при навигации летательных аппаратов, при измерении ускорения и скорости. .

Изобретение относится к способам и устройствам, использующимся при навигации летательных аппаратов, при измерении их ускорения и скорости. .

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для определения углового положения морских, воздушных и наземных объектов в пространстве.

Изобретение относится к области астронавигационных систем, предназначенных для определения стабилизированных угла места и курсового угла на астроориентир, на основании которых определяют поправку курсоуказания и свое местоположение.

Изобретение относится к области навигационных измерений и может быть использовано для определения координат местоположения подвижного объекта, например летательного аппарата (ЛА).

Изобретение относится к области обработки данных в бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС). .

Изобретение относится к методам и средствам ориентации в пространстве на основе гравиметрических измерений в интересах навигации и непосредственно в геодезической гравиметрии.

Изобретение относится к навигации и может быть использовано, например, в качестве компаса и для определения севера. Способ определения курса осуществляется с помощью инерциального устройства (1), содержащего, как минимум, один вибрационный угловой датчик (3) с резонатором, связанным с детекторным устройством и устройством для ввода данного резонатора в состояние вибрации, соединенными с управляющим устройством, служащим для обеспечения первого режима работы, при котором вибрация может свободно изменяться в угловой системе координат резонатора, и второго режима работы, при котором поддерживается определенный угол колебаний вибратора в системе координат резонатора. Способ включает в себя управление указанным датчиком во втором режиме работы для сохранения заданного электрического угла поворота, соответствующего наименьшей величине погрешности датчика, и управление указанным датчиком в первом режиме работы для измерения курса и управления указанным датчиком во втором режиме работы после измерения курса и до следующего измерения с целью сохранения заданного электрического угла поворота. Изобретение позволяет ограничить нежелательное влияние режима прецессионного гироскопа на точность измерений. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в процессах контроля датчиков первичной информации в составе бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) в наземных условиях. Технический результат - повышение достоверности. Для этого оценку ошибок и контроля датчиков первичной информации (ДПИ) в составе БИНС производят путем установки БИНС на платформу с основанием, осуществляют начальную выставку БИНС, после чего переводят ее в режим автономной работы. В этом режиме БИНС последовательно поворачивают на определенные углы по крену и тангажу, после чего производится допусковый контроль ошибок БИНС. Устройство для осуществления способа состоит из основания 1, на котором расположена платформа 2 для установки контролируемой БИНС. Основание 1 выполнено в виде поворотной рамы, ось 5 вращение которой перпендикулярна оси 7 вращения поворотной платформы 2. На осях 5 и 7 вращения основания 1 и платформы 2 установлены исполнительные приводы для задания углов поворота контролируемой БИНС по крену и тангажу. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к средствам измерения угловой скорости в инерциальных навигационных системах. Канал измерения угловой скорости инерциальной навигационной системы содержит датчик угловой скорости (ДУС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), перепрограммируемое постоянное запоминающееся устройство (ППЗУ), устройство контроля, процессор. ДУС содержит гироскоп с датчиком угла и датчиком момента с компенсационной катушкой, усилитель, к выходу которого подключены первый и второй резисторы. В месте соединения этих резисторов подсоединен третий резистор. В устройстве контроля выполнен канал контроля следящей системы ДУС, содержащий ключ, источник опорного напряжения (ИОН). Выход ИОН подсоединен к четвертому резистору, который подсоединен к входу ключа, выход ключа подключен к точке соединения первого и второго резисторов, вход управления ключа подсоединен к процессору, выход ППЗУ подключен к процессору. В ППЗУ записан код напряжения в точке соединения компенсационной катушки с первым резистором в соответствии с расчетным соотношением. Технический результат изобретения - обеспечение контроля работоспособности следящей системы ДУС. 1 ил.

Изобретение относится к области навигационных измерений и может быть использовано для определения координат местоположения подвижного объекта, например, летательного аппарата (ЛА). Технический результат - повышение точности определения пилотажных и навигационных параметров полета ЛА. Для этого осуществляют дополнительную корректировку параметров закона управления инерциального измерительного блока на основе выявленной функциональной зависимости поправочных значений от длительности полета ЛА. Устройство содержит инерциальный измерительный блок, в состав которого входят блок лазерных гироскопов и блок акселерометров, механизм вращения, блок электроники инерциального измерительного блока и интерфейсов, цифровой микропроцессор, блок сопряжения с навигационной информацией, блок вычисления скоростей, блок управления и отображения информации, аналого-цифровой преобразователь и цифроаналоговый преобразователь, шину навигационной информации, блок коррекции, в состав которого входят: счетчик времени, блок определения погрешностей лазерных гироскопов, блок выдачи сигнала коррекции, блок выдачи параметров закона управления, блок-задатчик времени полета летательного аппарата, блок уточнения параметров закона управления, блок суммирования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к системам автоматического управления (САУ) и может быть использовано в САУ, работающих в экстремальных условиях и полях ионизирующего излучения. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) содержит блок акселерометров из трех акселерометров (АК), размещенных по осям, совпадающим с гранями условного куба, исходящими из одной вершины, причем диагональ этого куба, исходящая из той же вершины совпадает с основной осью объекта управления (осью тяги двигателя). Выходы всех акселерометров подключены к входам специализированного вычислительного устройства (СВУ), результаты обработки информации всех АК передаются из него в бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ), которая осуществляет обработку информации СВУ блока датчиков угловой скорости. СВУ содержит четыре датчика угловой скорости (ДУС), оси чувствительности трех из которых расположены по осям, совпадающим с гранями куба, исходящими из одной вершины, а ось четвертого совпадает с диагональю этого куба. При этом система содержит подсистему электропитания (ПЭП), которая выполнена в резервированном варианте со встроенным блоком контроля работы ее блоков и управлением резервом. 29 з.п. ф-лы, 30 ил.

Изобретение относится к области навигационных измерений и может быть использовано для определения координат местоположения подвижного объекта, например летательного аппарата (ЛА). Устройство содержит инерциальный измерительный блок, в состав которого входят блок лазерных гироскопов и блок акселерометров, механизм вращения, блок электроники инерциального измерительного блока и интерфейсов, цифровой микропроцессор, блок сопряжения с навигационной информацией, блок вычисления скоростей, блок управления и отображения информации, аналого-цифровой преобразователь и цифроаналоговый преобразователь, шину навигационной информации, блок коррекции, в состав которого входят: счетчик времени, блок определения погрешностей лазерных гироскопов, блок выдачи сигнала коррекции, блок выдачи параметров закона управления, блок-задатчик погрешностей акселерометров, блок определения закона управления. Технический результат - повышение точности определения пилотажных и навигационных параметров полета летательного аппарата. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх