RU1783291C - Двухкоординатный датчик углов наклона - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в устройствах измерени  углов отклонени  по двум координатам быстровращающихс  роторов , в частности в гироприборах. Цель Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к устройствам,пре- образующим угловое перемещение в пропорциональный электрический сигнал, и может быть использовано в устройствах измерени  углов наклона по двум координатам быстровращающихс ч роторов, в частности, в гироприборах. Известен двухкоординатный датчик углов наклона, содержащий неподвижный статор, закрепленные на статоре диаметрально противоположно по двум ос м координат две пары катушек индуктивности, и изобретени  - уменьшение уровн  помех, определ емых паразитной модул цией электрического сигнала вращающимс  ротором , за счет компенсации паразитных гармоник напр жений с номерами v 3 (2К + 1) 3, 9, 15,.., в двухкоординатном датчике углов, который содержит вращающийс  кольцевой ротор, установленный с возможностью поворота относительно осей, перпендикул рных его оси вращени , и неподвижный статор, на торцовой поверхности которого, обращенной к ротору, закреплены диаметрально противоположно по двум ос м координат пары катушки индуктивности , центры которых попарно симметрично расположены по окружности под углом 30° относительно координатных осей. Новым в датчике углов  вл етс  то, что по каждой оси координат установлены вместо одной две пары катушек индуктивности, центры которых попарно симметрично расположены по окружности под углом 30° относительно координатных осей. 3 ил. СО С вращающийс  кольцевой ротор, установленный с возможностью наклона относительно осей перпендикул рных его оси вращени . Недостатками данного датчика  вл ютс  значительный уровень помех, определ емых паразитной модул цией электрического сигнала вращающимс  ротором, а также плоха  помехозащищенность от вли ни  внешних электромагнитных полей. Известен также двухкоординатный датчик углов наклона, в котором, с целью увеличени  помехозащищенности, на торцовой поверхности статора, обращенной к ротору, %1 СО ы ю ю

Description

выполнены глухие цилиндрические отверсти , центры которых равномерно расположено по окружности на ос х координат и между ними, катушки индуктивности выполнены в виде р да плоских секций, установленных в этих отверсти х, а секции, наход щиес  в отверсти х, попарно симметрично расположенных относительно координатных осей, соединены между собой последовательно-согласно.

Недостатками данного датчика  вл ютс  снижение чувствительности из-за увели- чейи  Иемагн ит ного зазо ра между статором и ротором, ввиду отсутстви  центральных ферромагнитных полюсов в катушках индуктивности , а также остающийс  значительным уровень помех, определ емых паразитной модул цией электрического сигнала вращающимс  ротором.

Наиболее близким техническим решением , выбранным в качестве прототипа,  вл етс  двухкоординатный датчик углов наклона, содержащий кольцевой ротор, установленный с возможностью наклона относительно двух координатных осей, которые перпендикул рны его оси вращени , размещенный соосно с ним статор и закрепленные на его торцовой поверхности , котора  обращена к ротору, Две пары расположенных диаметрально противоположно и взаимно перпендикул рно катушек индуктивности. Катушки индуктивности могут быть выполнены различной конструктивной разновидности: на двухполюсном П-образном ферромагнитном сердечнике, на круглом чашечном сердечнике с центральным полюсом и т.д. В таком датчике зазор между полюсами сердечника и плоской поверхностью ротора при центральном положении последнего составл ет 0.1 ...0,2 мм.

Недостатком такого датчика  вл етс  значительный уровень помех, определ емых паразитной модул цией электрического сигнала вращающимс  ротором, что св зано как с неоднородностью магнитных свойств, так и с неплоскостностью торцовой рабочей поверхности кольцевого ротора. Ротора датчиков угла наклона могут иметь неоднородность магнитных свойств и неплоскостность рабочей поверхности, в св зи с чем при вращении ротора будет происходить периодическое изменение величины полных сопротивлений катушек индуктивности , которое может быть представлено в виде тригонометрического р да Фурье, в общем случае содержащего все гармоники ( v 1,2, 3, ...п). Благодар  тому, что парные катушки индуктивности, включенные в противоположные плечи мостовой измерительной схемы , расположены на статоре диаметрально

противоположно (со сдвигом по окружности на 180°), в паразитном электрическом сигнале, возникающем на нагрузке при вращении ротора, не будут содержатьс 

четные гармоники частоты вращени  ротора ( v 2, 4, б...). Первую гармонику в паразитном сигнале убирают путем механической регулировки в составе прибора. Таким образом, в паразитном электрическом

сигнале останутс  нечетные гармоники с номерами v 3, 5, 7,..(2К + 1), где К 1, 2, 3... Экспериментальные исследовани  гармонического состава паразитной модул ции выходного электрического сигнала реальных датчиков угла наклона показало, что наибольшую амплитуду в паразитном сигнале имеет треть  гармоника частоты вращени  ротора ( v 3).

Цель предлагаемого изобретени  - уменьшение уровн  помех, определ емых паразитной модул цией электрического сигнала вращающимс  ротором, за счет взаимной компенсации паразитных нечетных

гармоник напр жений с номерами кратными 3: v 3(2K+1) 3,9, 15...,гдеК 0, 1.2....

Это достигаетс  тем, что в двухкоорди- натном датчике углов наклона, содержащем кольцевой ротор, установленный с возможностью наклона относительно двух координатных осей, которые перпендикул рны его оси вращени , размещенный соосно с ним Статор и закрепленные на его поверхности, котора  обращена к ротору, две пары расположенных диаметрально противоположно и взаимно перпендикул рно катушек индуктивности , он снабжен двум  дополнительными парами катушек индуктивности, которые выполнены идентично катушкам

первых двух пар и смещены относительно них на угол, равный 60°.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что за вл емое устройство отличаетс  тем, что оно снабжено двум  дополнительными парами катушек индуктивности , которые выполнены идентично катушкам первых двух пар и смещены относительно них на угол равный 60°.

На фиг.1 схематически представлен

двухкоординатный датчик углов наклона, фронтальна  проекци ; на фиг.2 - расположение катушек индуктивности на торцовой поверхности статора; на фиг.З - мостова  дифференциальна  схема дл  измерени  углов наклона ротора относительно оси XXi.

Двухкоординатный датчик углов наклона содержит вращающийс  относительно оси 001 кольцевой ротор 1, выполненный из ферромагнитного материала, установленный с возможностью наклона относительно двух координатных осей XXi и YYi, которые перпендикул рны его оси вращени , размещенный соосно с ним статор 2 и закрепленные на его торцовой поверхности, котора  обращена к ротору 1, четыре пары расположенных диаметрально противоположно катушек индуктивности 3 и 4, 5 и 6. 7 и 8, 9 и 10. По каждой оси координат установлены две пары идентичных катушек индуктивности смещенные относительно друг друга на угол равный 60° и расположенные под углом ±30° относительно соответствующей координатной оси, Катушки индуктивности могут быть выполнены различной конструктивной разновидности; на двухполюсном П-образ- ном ферромагнитном сердечнике, на круглом чашечном ферромагнитном сердечнике с центральным полюсом и т.д. На фиг.1 и 2 представлен вариант датчика углов наклона с катушками индуктивности 3...10, выполненными на круглом чашечном сердечнике с центральным полюсом. На фиг.З представлен один из возможных вариантов включени  катушек индуктивности в мосто- вую измерительную схему, где Za. Z4. Zs, Ze - полные электрические сопротивлени  соответствующих катушек индуктивности, относ щихс  к оси координат XXi (см. фиг.2);

2 - полное сопротивление измеритель- ной диагонали моста (сопротивление нагрузки ):

UB - напр жение питани  моста:

DH - напр жение на нагрузке.

Из теории мостовых схем известно, что если сопротивление нагрузки ZH велико, что чаще всего имеет место, то напр жение на нагрузке определ етс  по формуле

и„ ив

Z3-Z5-Z4-Z6

(Z3+Z4)-(Z5+Z6)

О)

5 10 15 20 25

0

5

0

оси XXi приводит к изменению величины индуктивности катушек. При этом немагнитные зазоры между ротором и одной из пар катушек индуктивности уменьшаютс  и соответственно увеличиваютс  немагнитные зазоры между ротором и диаметрально противоположной парой катушек индуктивности . Результатом этого  вл етс  увеличение индуктивностей (и соответственно полных сопротивлений ) первой пары катушек (например . Z3 и Zs) и уменьшение индуктивностей (и соответственно полных сопротивлений) второй пары катушек (например, Z-i и Ze) пропорциональные углу наклона ротора. Дифференциальное изменение индуктивностей катушек может быть измерено известными способами, например, с помощью мостовых измерительных схем, один из возможных вариантов которых представлен на фиг.З. Напр жение UH, снимаемое с измерительной диагонали моста и определ емое по формуле (1). несет полную информацию об угле отклонени  ротора: его амплитуда пропорциональна углу, а фаза соответствует направлению отклонени , т.е. знаку угла.

Как уже было отмечено выше, ротора датчиков углов наклона изготовл ютс  с определенными погрешност ми - имеетс  неоднородность магнитных свойств и неплоскостность торцовой поверхности, в св зи с чем при вращении ротора происходит периодическое (с частотой вращени ) изменение величины полных сопротивлений катушек индуктивности.

При отсутствии преобразуемого углового перемещени  можно представить периодически измен ющиес  при вращении ротора полные сопротивлени  катушек индуктивности в виде гармонического р да Фурье:

Принцип работы двухкоординатного датчика углов наклона по каждой координате одинаков. Поэтому рассмотрим работу датчика только по одной координате, например X.

Дл  идеального ротора (если нет неоднородности магнитных свойств и неплоскостности ) при отсутствии преобразуемого перемещени  вращающегос  ротора 1 относительно оси XXi. ротор расположен таким образом, что индуктивности диаметрально противоположных катушек равны, т.е. Za 7л и Zs Ze. При этом немагнитные зазоры между ротором 1 и каждой из катушек индуктивности одинаковы Как следует из формулы (1), в этом случае UH - 0 Отклонение ротора 1 от начального положени  вокруг

Za Zo + $ Zv sin v(wt -y) ,... (2) X Zvsin v(wt - у + л) 4- pi }.., (3) Zs Z0 + X Zv sin + y) + ifv ... (4)

Ze Zo + Y 7v sin v(ol + у + n) + fv J, (5)

где Zo - посто нна  составл юща  полного сопротивлени  катушек индуктивности;

Zv - амплитудное значение v-ой гармоники сопротивлени ;

v- 1, 2, 3n - номер гармоники:

w- кругова  частота вращени  ротора;

у - угол расположени  центра катушек индуктивности относительно координатной оси YYi, величина которого равна половине угла1 смещени  между парами катушек, относ щихс  к одной координатной оси:

pv - начальный фазовый угол v-ой гармоники:

t- врем .

Подставив значени  из (2)...{5) в (1) и провед  математические преобразовани , можно получить выражение дл  амплитуды напр жени  паразитной гармоники:

U Vmax UB COSVy-Sinv™

i-Of.

(б)

Как следует из этого выражени , U Vmax О дл  всех четных гармоник (дл  них simЈ 0), а также дл  тех гармоник;дл  которых созгу 0, т.е. при условии

гГ 5(2К-М)

(7)

где К 0, 1.2,3,...

Так как в предлагаемом устройстве

сгр

у - - - 30 , то, как следует из выражени  (7), будут равны нулю амплитуды гармоник имеющие номера:

(2K+ 1)-3. 9, 15...

Таким образом, благодар  тому, что предлагаемое устройство снабжено двум 

/

А МШ

Риг. /

дополнительными парами катушек индуктивности , которые выполнены идентично катушкам первых двух пар и смещены относительно них на угол равный 60°, удаетс 

уменьшить уровень помех, определ емых паразитной модул цией выходного электрического сигнала вращающимс  ротором, за счет взаимной компенсации паразитных нечетных гармоник напр жений с номерами v

0 3(2К+1) 3. 9, 15...

Экспериментальные исследовани , проведенные на макетном образце предлагаемого устройства показали, что амплитуда напр жени  3-ей гармоники частоты враще5 ни  ротора, определ юща  в основном паразитную модул цию выходного электрического сигнала датчика углов наклона, уменьшилась в 4...S раз по сравнению с прототипом.

Claims (1)

1. 0 Формула изобретени 

   Двухкоординатный датчик углов наклона , содержащий кольцевой ротор, установленный с возможностью наклона относительно двух координатных осей, ко5 торые перпендикул рны его оси вращени , размещенный соосно с ним статор и закрепленные на его поверхности, котора  обращена к ротору, две пары расположенных диаметрально противоположно и взаимно

   0 перпендикул рно катушек индуктивности, отличающийс  тем. что, с целью уменьшени  уровн  помех, определ емых паразитной модул цией выходного электрического сигнала вращающимс  ротором, он

   35 снабжен двум  дополнительными парами катушек индуктивности, которые выполнены идентично катушкам первых двух пар и смещены относительно них на угол, равный 60°.

   то м 

   б-В

   т

   з

   &

   Риг. 2

   д- а

   г

   н

   L

   Vr

   (риг. 3

   &

   ъй& #

   г