Двухкоординатный датчик угла наклона

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах определения углов наклона различных устройств и объектов, например в системах безопасности различных платформ, подъемных кранов, вагонов, экскаваторов, работающих в условиях сложного рельефа местности. Принцип работы датчика основан на измерении емкостными преобразователями перемещений шара, вызванных наклонами датчика относительно горизонта по двум координатам. Датчик состоит из физического маятника, образованного электропроводящим шаром и подпятником с вогнутой сферической поверхностью. Демпфирование колебаний маятника обеспечивается диэлектрической жидкостью, заполняющей корпус датчика. Датчик обеспечивает непрерывное измерение угла наклона в диапазоне от 0 до 30^o при повышении точности и надежности измерения в широком температурном диапазоне. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах определения углов наклона различных устройств и объектов, в системах безопасности различных платформ и конкретно мощных подъемных кранов, экскаваторов, вагонов, работающих в условиях сложного рельефа местности, и может быть использовано в любой области техники для замера углов наклона.

Известны гироскопические датчики угловых перемещений, предназначенных для замера углов наклона различных объектов, принцип действия которых основан на свойстве свободного гироскопа с тремя степенями свободы сохранять неизменным положение оси собственного вращения в пространстве.

Недостатком указанных датчиков является сложность их конструкции и эксплуатации, а также их высокая стоимость.

Известно устройство - емкостной датчик угла наклона - (А.С. СССР 1737260 от 27.02.90 г. ), которое содержит корпус с выполненной из изоляционного материала герметизированной камерой, наполовину заполненной электропроводящей жидкостью, две электропроводные полусферические обкладки, изолированные одна от другой и от корпуса и прилегающие к наружной поверхности изоляционной стенки камеры, и электрический проводник, находящийся в постоянном контакте с электропроводящей жидкостью, причем камера выполнена в виде двух концентричных сферических оболочек разного диаметра, а электрический проводник выполнен в виде шести электрически связанных между собой стержней, установленных попарно симметрично относительно центра сферических оболочек в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Однако данный датчик имеет следующие недостатки: - датчик определяет текущее значение угла наклона, но без конкретной привязки в определении плоскости наклона и знака наклона, что требует дополнительных технических средств для исключения неопределенности; - из-за разницы температурных коэффициентов объемного расширения проводящей жидкости (в нашем случае ртути) и изоляционного материала оболочек при изменении температуры будет смещаться "ноль" датчика - и это снижает точность измерения; - достаточно сложная для такого типа датчиков конструкция и значительная трудоемкость в изготовлении.

Известно устройство - датчик угла наклона (А.С. СССР 1751643 от 04.04.90 г.), содержащий ампулу, частично заполненную магнитной жидкостью, на которой размещены первичная обмотка и соединенные встречно последовательно вторичные обмотки, причем магнитная жидкость заключена в оболочку из эластичного диэлектрического диамагнитного материала.

Однако, данное устройство имеет следующие недостатки: - в силу используемого принципа определения углов наклона - использования магнитной жидкости - происходит значительное запаздывание получения результатов измерения (не менее 2 мин), что в реальных условиях равносильно отказу датчика и может привести к нежелательным последствиям, в том числе к аварии и возможному выходу из строя сложного комплекса оборудования; - нестабильность нуля датчика из-за нестабильности (неопределенности) геометрических размеров эластичной оболочки значительно уменьшает точность измерений углов наклона и требует в лучшем случае периодической тарировки; - узкий температурный диапазон использования датчика из-за зависимости физико-механических параметров магнитной жидкости от температуры; - незначительный диапазон измерения углов наклона (не более 360 с).

Известно устройство - датчик угла наклона (авт. св. СССР 1752195 от 25.07.90 г.), содержащий корпус, основную и дополнительную изогнутую ампулы из немагнитного материала с подвижным телом с постоянным магнитом и не менее чем с двумя неподвижными магнитоуправляемыми контактами, равномерно распределенными вдоль ампул, причем ампулы установлены перпендикулярно друг к другу, в каждой из ампул подвижное тело выполнено из немагнитного материала в виде диска качения с отверстием в центральной части, в котором жестко закреплен постоянный магнит, магнитоуправляемые контакты расположены вдоль боковых стенок ампул, расстояния между ними больше диаметра магнита и меньше диаметра диска, а поперечное сечение ампулы эквидистантно поперечному сечению диска, причем ампулы заполнены жидкостью необходимой вязкости (например, глицерином со спиртом).

Однако, данный датчик имеет следующие недостатки: - не обеспечивает непрерывность измерения углов наклона - углы наклона определяются дискретно; - низкая точность и нестабильность измерения углов наклона из-за нестабильности положения диска с магнитом в ампуле вследствие наличия люфтов, изменения характеристик магнита в процессе эксплуатации и нестабильности фиксации ампул с магнитоуправляемыми контактами.

Известно устройство - датчик предельного угла наклона объекта (авт. св. СССР 1795280 от 10.10.90 г.), содержащий корпус из изолированного материала, первую и вторую контактные пластины, расположенные с зазором друг относительно друга, и чувствительный элемент в виде шара, ограничитель, первая контактная пластина выполнена U-образной из упругого материала и верхней, прямолинейной частью установлена в верхней части корпуса, а вторая контактная пластина выполнена плоской и закреплена в нижней части корпуса, при этом диаметр шара меньше, чем расстояние между прямолинейными частями первой контактной пластины, а ограничитель расположен над нижней, прямолинейной частью первой контактной пластины на расстоянии не менее радиуса шара от конца прямой стенки корпуса.

Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- нет непрерывного измерения угла наклона, фиксируется только предельный угол одного знака и одной плоскости;
- для фиксации отклонения объекта на плоскости горизонта в произвольном направлении необходимо наличие 4-х подобных устройств;
- из-за отсутствия демпфирования перемещений шара при наличии незначительных вибраций возможны сбои в работе и тем самым снижается точность измерений;
- низкая надежность устройства из-за наличия контактной пары, работающей в условиях малого контактного давления;
- требуется специальная регулировка системы: контактная пара 1 - контактная пара 2 - шар даже при использовании единого материала при изготовлении пластин и шара и это снижает точность измерений.

Известно устройство - жидкостный маятник (или электролитический датчик), используемый в качестве чувствительного элемента для измерения углов отклонения от плоскости горизонта (см. "Детали и элементы гироскопических приборов", Государственное Союзное издательство судостроительной промышленности, Ленинград, 1962 г. , с. 293-296, рис., У.10), который содержит герметичный корпус, залитый электролитической жидкостью, в качестве которой используется электролит, при этом токопроводящая жидкость заливается в количестве, необходимом для создания воздушного пузырька, который в вертикальном положении примерно наполовину перекрывает поверхность контактов, две пары контактов, расположенных под углом 90^o, соответственно две пары клемм, причем контактная поверхность корпуса выполнена в виде сферы. Электрический ток к датчику подводится через клеммы и корпус. При повороте корпуса маятника меняется площадь контактной поверхности, с которой соприкасается электролит, и, как следствие этого, меняется сопротивление между корпусом и контактами.

Однако, данный электролитический датчик имеет следующие недостатки:
- узкий диапазон измерения углов наклона (десятки минут);
- узкий температурный диапазон из-за различия объемных коэффициентов расширения электролитической жидкости, материала корпуса и воздуха.

Наиболее близким по технической сущности и конструкции предлагаемому датчику является датчик угла наклона (авт. св. СССР 954809 от 11.07.78 г.), содержащий герметичный корпус, заполненный диэлектрической жидкостью, неподвижные контакты, установленные заподлицо с внутренней поверхностью корпуса и выполненные в виде изолированных одна от другой шин, разделенных углублениями, и электропроводящий шарик, который выполнен с удельным весом меньшим, чем удельный вес диэлектрической жидкости, а внутренняя поверхность корпуса имеет форму тела вращения с криволинейной образующей.

Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- не обеспечивается непрерывное измерение угла наклона, фиксируется только предельно допустимый для данной конструкции угол наклона и до достижения предельного угла наклона нет информации о текущем фактическом угле наклона;
- низкая надежность результатов измерений из-за наличия слабого электрического контакта между шариком (с меньшим удельным весом, чем диэлектрическая жидкость) и шинами из-за малой прижимной силы;
- низкая динамическая точность датчика при возможных резких изменениях угла наклона;
- узкий температурный диапазон работоспособности из-за различия объемных коэффициентов расширения диэлектрической жидкости, шарика и корпуса, что косвенно снижает точность измерения угла наклона;
- данная конструкция не позволяет определить знак и плоскость угла наклона.

Цель изобретения - обеспечение непрерывного измерения угла наклона при повышении точности и надежности измерения в широком температурном диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик угла наклона, содержащий электропроводящий шар, размещенный в герметичном корпусе, залитом диэлектрической жидкостью, введены две пары электропроводящих обкладок и электропроводящий осесимметричный подпятник, имеющий вогнутую сферическую поверхность, радиус которой больше радиуса шара, который и установлен на этот подпятник, при этом шар с подпятником образуют физический маятник и шар охватывают две пары электропроводящих обкладок, плоскости симметрии которых взаимно ортогональны и проходят через ось симметрии подпятника, на которой также лежит центр вогнутой сферической поверхности обкладок.

Сущность изобретения заключается в том, что в датчик вводятся две пары обкладок, расположенных каждая относительно рядом расположенной под углом 90^o, что позволяет определять знак и плоскость угла наклона без привлечения дополнительных технических средств для этого - тем самым обеспечивается определенность, надежность и точность измерений угла наклона.

Непрерывность измерения обеспечивается тем, что используется принцип измерения емкости: обкладки - шар - (подпятник - корпус ). Причем в каждый текущий момент датчик обеспечивает информацию о текущем угле наклона, которая фиксируется.

Повышение точности определяется выбранной конструкцией: шар - подпятник (с радиусом вогнутой сферической поверхности большей, чем радиус шара), которая позволяет надежно обеспечить работу физического маятника (шар - подпятник) для функционирования в системе: обкладки - диэлектрическая жидкость - шар - подпятник - корпус.

Повышение точности определяется также конструкцией сферически вогнутых поверхностей обкладок, повторяющих сферическую поверхность шара и расположенных на одинаковом расстоянии от поверхности шара в нулевом исходном положении. Малейшее изменение - движение шара относительно обкладок и подпятника немедленно фиксируется как изменение емкости датчика, при этом четко определяется знак и плоскость угла наклона - из-за наличия 4-х обкладок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Повышение надежности определяется предложенной жесткой конструкцией: корпус - обкладки - шар - подпятник, а также наличием диэлектрической демпфирующей жидкости, что позволяет значительно долго обеспечивать точностные характеристики датчика и надежность в широком диапазоне изменения окружающей температуры. Это усиливается тем, что чаще всего корпус, подпятник, обкладки и шар выполнены из одного материала.

На фиг. 1 приведен общий вид конструкции предложенного датчика, на фиг. 2 дана принципиальная схема работы предложенного физического маятника, на фиг. 3 дана кинематическая схема работы предложенного физического маятника при установке датчика на платформу, угол наклона которой необходимо измерять, на фиг.4 дана схема, поясняющая изменение зазоров между сферами обкладок датчика и шаром.

В соответствии с фиг. 1 датчик содержит: шар 1, подпятник 2, корпус 3, обкладку (и) 4, изолятор 5, диэлектрическую жидкость 6.

Принципиально предложенный физический маятник работает следующим образом (см. фиг.2). При отклонении шара 1 от вертикали на угол ϕ на шар будет действовать сила, равная mgsinϕ (где m - масса шара, g - ускорение силы тяжести) и вызывающая движение шара к вертикали. В отличие от обычного физического маятника шар будет вращаться не только вокруг точки привеса - центра "О" сферы подпятника радиуса R_o, но из-за наличия силы сцепления F_сц вокруг центра "О " шара с радиусом R_ш. В результате действия восстанавливающей силы шар будет совершать колебания относительно вертикали места с периодом, равным для малых углов отклонения:

Эти колебания будут затухать из-за наличия силы трения качения и сил жидкостного демпфирования (наличия диэлектрической жидкости в корпусе датчика).

Чувствительность предложенного датчика угла наклона определяется выражением: , где δ - коэффициент трения качения, R_ш - радиус шара. Например, для δ = 1•10^-3 см, R_ш=1,5 см чувствительность составляет ϕ_min=2,3 дуг. мин. И это определяет достаточно высокую точность измерений угла наклона. А при увеличении диаметра шара и уменьшении коэффициента трения качения чувствительность датчика увеличивается, и тем самым увеличивается и точность измерения угла наклона.

Датчик работает следующим образом (см. фиг.3).

При наклоне основания, на котором установлен датчик угла наклона, на угол ϕ₁ по отношению к вертикали шар перекатывается по подпятнику, при этом центр шара перемещается из точки О₁ в точку О'₁ (см. фиг.3). Смещение центра шара в плоскости, перпендикулярной оси симметрии подпятника, составит величину Δy=-(R_o-R_ш)•sinϕ₁. Смещение вдоль оси симметрии подпятника равно ΔZ= (R_o-R_ш)(1-cosϕ₁).

Смещение центра шара в плоскости, перпендикулярной оси симметрии подпятника, измеряется с помощью двух пар емкостных датчиков, одной из обкладок которых служит сам шар, а две другие пары обкладок изолированы от корпуса и представляют собой вогнутые сферические поверхности, плоскости симметрии которых взаимно ортогональны и проходят через ось симметрии подпятника.

При перемещении центра шара по оси Y емкости С1 и С2 изменяются, а емкости С3 и С4 практически остаются неизменными (см. фиг. 4). При этом емкость С2, образованная обкладкой, к которой шар приблизился, возрастает, а емкость С1, образованная обкладкой, от которой шар удалился, уменьшается. Это позволяет определить не только величину угла наклона (по изменению емкостей), но и направление (знак) наклона (по соотношению емкостей С1(3) и С2(4)). Так как предлагаемый датчик угла наклона предназначен для использования в современных системах безопасности (например, тяжелых грузоподъемных кранов), то преобразование выходных сигналов емкостных датчиков в угол наклона осуществляется с помощью специальных схем включения двух пар изменяющихся емкостей в составе специального адаптера (устройства сопряжения), который подключается к микропроцессору, в котором по соответствующему алгоритму определяется угол наклона, причем в этом случае можно учесть имеющуюся нелинейную зависимость величины емкости от угла наклона.

Следовательно, предложенный датчик обеспечивает непрерывное изменение угла наклона с высокой точностью и надежность измерений в широком температурном диапазоне.

Формула изобретения

Двухкоординатный датчик угла наклона, содержащий электропроводящий шар, размещенный в герметичном корпусе, залитом диэлектрической жидкостью, отличающийся тем, что шар установлен на электропроводящий осесимметричный подпятник, имеющий вогнутую сферическую поверхность, радиус которой больше радиуса шара, при этом шар с подпятником образуют физический маятник и шар охватывают две пары электропроводящих обкладок, изолированных от корпуса, плоскости симметрии которых взаимно ортогональны и проходят через ось симметрии подпятника, на которой также лежит центр вогнутой сферической поверхности обкладок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4