Способ калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика

Авторы патента:

Прокофьев Георгий Всеволодович (RU)

Моршнев Виктор Владимирович (RU)

G01B7/30 - для измерения углов; для проверки соосности

Владельцы патента RU 2589755:

Акционерное общество "Зеленоградский нанотехнологический центр" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам калибровки и устройствам измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, и может быть использовано в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и ракетной технике и других областях, где требуется измерять углы до 90° с помощью датчиков на основе магниторезисторов или элементов Холла. Устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика содержит два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, два ЦАП, АЦП и вычислительное устройство. Усилители соединены с выходами мостов датчика, входы смещения нуля усилителей соединены с выходами компенсационных ЦАП, входы которых соединены с вычислительным устройством. Вход АЦП соединен с выходом первого усилителя, а вход опорного напряжения АЦП соединен с выходом второго усилителя. Вычислительное устройство содержит память программ и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы. Технический результат заключается в возможности измерения угла в диапазоне от 45° до -45° за один такт преобразования АЦП с использованием одного АЦП. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Техническое решение относится к измерительной технике, в частности, к способам калибровки и устройствам измерения угла на основе датчика, и может быть использовано в автомобильной технике, станкостроении, авиационной и ракетной технике и других областях, где требуется измерять углы до 90° с помощью мостовых магниточувствительных датчиков на основе магниторезисторов или элементов Холла.

Известен бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения, который содержит мостовой магниторезистивный чувствительный элемент, мультиплексор, инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, прецизионный источник опорного напряжения [1]. Датчик обеспечивает измерение угла до 90°. При измерении на мост подают напряжение питания, напряжение с измерительной диагонали моста усиливают, измеряют с помощью АЦП, рассчитывают значение угла с использованием микропроцессора и преобразуют его в выходной ток.

Недостатком аналога является зависимость напряжения с измерительной диагонали моста от напряжения питания, что требует использования прецизионных источников питания моста и опорного напряжения.

Известен бесконтактный интеллектуальный магниторезистивный датчик углового положения, который содержит два магниторезистивных моста, повернутых друг относительно друга на 45°, коммутатор напряжений измерительных диагоналей мостов, выход которого соединен с усилителем. Выход усилителя соединен со входом АЦП, который соединен с источником опорного напряжения и информационным входом устройства вычисления угла, содержащего память программ и данных, а также цифровой и аналоговый интерфейсы [2]. Сопротивление мостов по измерительной диагонали магниторезистивных мостов, повернутых друг относительно друга на 45°, являются соответственно функциями sin и cos угла. Для измерения угла на мосты подают напряжение питания, напряжения с диагоналей мостов измеряют с помощью АЦП и на основе измеренных значений вычисляют угол по алгоритму CORDIC.

Недостатком аналога является отсутствие компенсации напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, что приводит к погрешности в вычислении угла.

Известен датчик угла и способ его калибровки, в котором датчик угла содержит два магниторезистивных моста, формирующих выходные напряжения пропорциональные синусу и косинусу угла, измерительный блок напряжений мостов, 16-разрядный микропроцессор, в котором калибровку выполняют путем подстройки напряжения смещения мостов так, чтобы отношение выходных сигналов датчика относительно начала оси координат ложилось на окружность [3].

Недостатком аналога является сложный алгоритм определения напряжения смещения мостов, требующий использования микроконтроллера, обрабатывающего 16-разрядные данные с плавающей точкой, необходимость выполнения калибровки по большому количеству точек, отсутствие калибровки разбаланса амплитуды сигналов с мостов.

В качестве прототипа выбран способ калибровки смещения и устройство измерения угла на основе магниторезистивного датчика [4].

Устройство для измерения угла на основе магниторезистивного датчика содержит два магниторезистивных моста, повернутых относительно друг друга на 45°, два усилителя, соединенные с выходами мостов и входами двух АЦП, два ЦАП выдачи компенсационных напряжений смещения мостов, соединенные с усилителями. Имеется вычислительное устройство, соединенное с ЦАП и АЦП, и содержащее программу для расчета угла и калибровочные коды ЦАП компенсационных напряжений смещения мостов, а также цифровой и аналоговый интерфейсы выдачи рассчитанного значения угла. Имеется также источник опорного напряжения АЦП.

Недостатком устройства при измерении углов ±45° является сложная электрическая схема, которая требует наличия двух АЦП и источника опорного напряжения.

Способ калибровки смещения магниторезистивных мостов в прототипе включает в себя раздельную калибровку напряжений компенсации смещения для каждого моста по двум измерениям угла. Измерения проводят после подачи и снятия внешнего магнитного поля под углом 45° (для первого моста) и 90° (для второго моста) при подаче двух напряжений компенсации и определения оптимального значения напряжения компенсации смещения калибруемого моста. Напряжения компенсации смещения мостов подают с помощью двух ЦАП, которые складывают с напряжениями измерительных диагоналей мостов.

Недостатком способа является невозможность калибровки устройства в составе изделия, необходимость измерения двух напряжений с измерительных диагоналей мостов, по которым рассчитывают угол поворота, а также отсутствие компенсации разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов.

Задачей технического решения является упрощение аппаратурной реализации устройства измерения угла, а также выполнение калибровки устройства с использованием магнитной системы собранного изделия с компенсацией напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, содержащего два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, соединенные с выходами мостов и входами АЦП, два ЦАП, выходы которых соединены со входами компенсации смещения нуля усилителей, вычислительное устройство, соединенное с ЦАП и АЦП, содержащее программу для расчета угла и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы выдачи рассчитанного значения угла, предусмотрены следующие отличия, а именно, выход усилителя напряжения с диагонали второго моста соединен со входом опорного напряжения АЦП, а вычислительное устройство содержит программу для расчета угла и калибровочные данные с учетом разбаланса амплитуды напряжений с диагоналей мостов.

В способе калибровки устройства измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, в котором с помощью двух ЦАП формируют напряжения компенсации смещения мостов датчика, которые складывают с напряжениями измерительных диагоналей мостов, калибровку напряжения смещения мостов выполняют пошагово раздельно для каждого моста, предусмотрены следующие отличия, а именно, напряжения измеряют в виде отношения напряжений с измерительных диагоналей мостов, калибровку выполняют с использованием магнитной системы собранного изделия, на первом шаге калибровки устанавливают положение магнитной системы, при котором измеренный угол равен нулю, на втором и третьем шагах магнитную систему поворачивают сперва по часовой стрелке, а потом против на заданный угол, фиксируя при этом значения результатов измерения углов, на четвертом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения первого моста, при котором измеренный угол будет равен полу сумме значений углов, зафиксированных на предыдущих шагах, на пятом шаге магнитную систему поворачивают на предопределенный угол с фиксацией результата измерения угла, на основании имеющихся значений фактических и измеренных углов на третьем и пятом шагах определяют калибровочный коэффициент разбаланса амплитуды напряжений с диагоналей мостов, на шестом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения второго моста, при котором измеренный угол с учетом калибровочного коэффициента разбаланса равен установленному углу магнитной.

Между совокупностью существенных признаков заявленного технического решения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, измерение угла проводится на основании одного измерения отношения напряжений с измерительных диагоналей мостов датчика за счет использования рациометрической схемы включения АЦП, калибровка компенсационных напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов выполняется с использованием магнитной системы собранного изделия.

Техническое решение обеспечивает измерение угла в диапазоне от 45° до -45° за одно измерение выходных напряжений с мостового магниточувствительного датчика на основе маниторезистров или элементов Холла, проведение калибровки в составе изделия, а также упрощает схему устройства измерения угла.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где фиг. 1 содержит схему мостового магниточувствительного датчика, фиг. 2 содержит схему устройства для измерения угла, фиг. 3 иллюстрирует последовательность калибровки.

На фиг. 1 приведена схема мостового магниточувствительного датчика, содержащего два магниторезистивных моста 1 и 2, повернутых относительно друг друга на 45°. Мосты 1 и 2 на ортогональных сторонах содержат пары разнонаправленных магниторезисторов 3, 4 и 5, 6, а также 7, 8 и 9, 10 соответственно.

Увеличение сопротивления одной пары резисторов под влиянием магнитного поля равно уменьшению сопротивления другой пары. Результирующие выходные напряжения Usin и Ucos с измерительных диагоналей мостов смещены по фазе на 90° и пропорциональны sin 2α и cos 2α угла поворота α.

Угол определяется по формуле

В предлагаемом способе измеряется непосредственно тангенс угла в виде соотношение напряжений Usin и Ucos по формуле

Напряжения Usin и Ucos в общем случае описываются формулами

где К - коэффициент разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов,

Δsin и Δcos - напряжения смещения мостов.

Схема устройства приведена на фиг. 2. Устройство содержит два магниточувствительных моста 1, 2, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя 11, 12, входы которых соединены с выходами мостов 1 и 2, два ЦАП 13, 14, выходы которых соединены со входами смещения нуля усилителей 11, 12, а входы соединены с вычислительным устройством 16, АЦП 15, измерительный вход которого соединен с выходом первого усилителя 11, а вход опорного напряжения соединен с выходом усилителя 12. Выходные данные с АЦП 15 подаются в вход вычислительного устройства 16, которое содержит память программ и калибровочные данные, а также цифровой (ЦИ) и аналоговый интерфейсы (АИ).

Устройство работает следующим образом. При измерении угла напряжение Ucos подается на вход усилителя 12, на вход смещения нуля усилителя 12 подается напряжение компенсации смещения моста 2 от ЦАП 14, напряжение Usin подается на вход усилителя 11, на вход смещения нуля усилителя 11 подается напряжение компенсации смещения моста 1 от ЦАП 13. ЦАП 13, 14 выдают напряжения компенсации в соответствии с кодом, выдаваемым вычислительным устройством 16 по калибровочным данным. Напряжение с усилителя 11 подается на измерительный вход АЦП 15, напряжение с усилителя 12 подается на вход опорного напряжения АЦП 15. Таким образом АЦП измеряет отношение напряжений или тангенс угла. На основании полученного цифрового кода тангенса от АЦП 15 вычислительное устройство 16 рассчитывает угол по алгоритму CORDIC с компенсацией разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов. Значение угла вычислительное устройство 16 выдает по цифровому или аналоговому интерфейсу.

Последовательность калибровки иллюстрирует фиг. 3, на которой изображены центры окружностей формирования выходных напряжений синус и косинус соответственно идеального моста и реального, углы магнитной системы, при которых выполняется калибровка с указанием соответствующего шага калибровки. Калибровку выполняют в составе прибора, содержащего измерительную магнитную систему.

Шаг 1. Магнитную систему устанавливают в положение, при котором измеренное значение угла равно нулю.

Шаги 2, 3. От установленного угла на шаге 1 магнитную систему поворачивают на заданный угол α по часовой (шаг 2) и против часовой стрелки (шаг 3), фиксируя при этом соответствующие результаты измерения углов -φ и +φ.

Шаг 4. Устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжения смещения моста синус, при котором измеренный угол будет равен полу сумме значений углов +φ и |-φ|, зафиксированных на шагах 2 и 3.

Шаг 5. От установленного угла на шаге 1 магнитную систему поворачивают на предопределенный угол α₁ с фиксацией результата измерения угла φ₁.

В результате получаем уравнения:

Решая полученную систему уравнений, получаем формулу коэффициента разбаланса амплитуд напряжений мостов:

Шаг 6. Устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжения смещения моста косинус, при котором измеренный угол φ₁ будет равен углу α₁ с учетом вычисленного коэффициента разбаланса по формуле 7.

Технико-экономический эффект от предложенного технического решения заключается в измерении угла за одно измерение напряжений на диагоналях мостов с компенсацией напряжений смещения мостов и разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, выполнение калибровки устройства с использованием магнитной системы собранного изделия, а также в снижении себестоимости устройства.

Источники информации:

1. Патент РФ 78348

2. Патент РФ 127899

3. Патент США 2003/0042894

4. Патент США 6304074 - прототип

1. Устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, содержащее два моста, повернутых друг относительно друга на 45°, два усилителя, соединенные с выходами мостов и входами АЦП, два ЦАП, выходы которых соединены со входами компенсации смещения нуля усилителей, вычислительное устройство, соединенное с ЦАП и АЦП, содержащее программу для расчета угла и калибровочные данные, а также цифровой и аналоговый интерфейсы выдачи рассчитанного значения угла, отличающееся тем, что выход усилителя напряжения с диагонали второго моста соединен со входом опорного напряжения АЦП, а вычислительное устройство содержит программу для расчета угла и калибровочные данные с учетом разбаланса амплитуды напряжений с диагоналей мостов.

2. Способ калибровки устройства измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, заключающийся в том, что на мосты подают напряжение питания, с помощью двух ЦАП на основе кодов, полученных при калибровке, формируют напряжения компенсации смещения мостов, которые складывают с напряжениями измерительных диагоналей мостов, результирующие напряжения измеряют и рассчитывают угол по алгоритму CORDIC, калибровку напряжения смещения мостов выполняют пошагово раздельно для каждого моста, отличающийся тем, что результирующие напряжения измеряют в виде отношения, а угол рассчитывают на основании измеренного отношения напряжений с компенсацией разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, калибровку выполняют с использованием магнитной системы собранного изделия, на первом шаге устанавливают положение магнитной системы, при котором измеренный угол равен нулю, на втором и третьем шагах магнитную систему поворачивают сперва по часовой стрелке, а потом против нее на заданный угол, фиксируя при этом результаты измерения углов, на четвертом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения первого моста, при котором измеренный угол будет равен полусумме значений углов, зафиксированных на втором и третьем шагах, на пятом шаге магнитную систему поворачивают на предопределенный угол с фиксацией результата измерения угла, на основании полученных на четвертом и пятом шагах значений фактических и измеренных углов определяют калибровочный коэффициент разбаланса амплитуды напряжений диагоналей мостов, на шестом шаге устанавливают калибровочный код ЦАП для компенсации напряжений смещения второго моста, при котором измеренный угол с учетом калибровочного коэффициента разбаланса будет равен углу магнитной системы, установленному на пятом шаге.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в следящих приводах, в автоматических системах управления мобильными объектами и в робототехнике.

Устройство контроля точности аналогового и цифрового преобразователей угла // 2575467

Изобретение относится к области измерительных электрических машин и цифровых преобразователей угла. Достигаемый технический результат - повышение точности контроля указанных изделий.

Индукционный датчик углового положения // 2570232

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений (поворотов), с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.

Индукционный датчик и способ изготовления такого индукционного датчика // 2546850

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой индукционный датчик для измерения земного магнитного поля. Датчик содержит электромагнитный узел обнаружения магнитного поля, размещённый на маятнике.

Датчик углового положения и узел, содержащий вращающуюся систему и такой датчик // 2540455

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик для непрерывного измерения углового положения (θа) вала. Датчик содержит статор, ротор, соединяемый с валом.

Многоступенчатый датчик угла // 2529825

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах автоматики для получения выходных напряжений, пропорциональных углу поворота.

Устройство отсчета угла поворота шпинделя // 2506535

Предлагаемое устройство относится к средствам измерений, а именно к устройствам отсчета угла поворота тел вращения. Устройство отсчета угла поворота шпинделя, содержит датчик угла поворота и датчик индекса, предварительные усилители низкой частоты, выходы которых через резисторы подключены к входам счетчиков, выходы которых подключены к входам дешифраторов, выходы которых подключены к входам матричных семисегментных светодиодных индикаторов.

Устройство для измерения угла поворота // 2492419

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Трансформаторный преобразователь угловых перемещений // 2480710

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения угловых перемещений в авиационной технике, в том числе в различных цепях управления электротехнических, электромеханических устройств.

Способ определения угла наклона и устройства для его осуществления // 2455616

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения угла наклона объектов в диапазоне от 0 до 180°. .

Способ контроля целостности лопастей несущего винта вертолета и устройство для его осуществления // 2593652

Группа изобретений относится к способу и устройству контроля целостности лопастей вращающегося несущего винта вертолета. Для контроля целостности лопастей вращающегося несущего винта вертолета устанавливают на роторе несущего винта возбудитель оборотной метки, а напротив на неподвижной части корпуса - неподвижный бесконтактный оборотный датчик, регистрируют электрические импульсы, формируют оборотные прямоугольные импульсы, измеряют временные интервалы между импульсами, получают информацию о периоде вращения ротора несущего винта, устанавливают на неподвижной части корпуса излучающую антенну определенной диаграммы направленности, устанавливают приемную антенну определенным образом, формируют зондирующее сверхвысокочастотное излучение, детектируют принятый отраженный сигнал приемной антенной, усиливают его, формируют лопастные прямоугольные импульсы, определяют временные интервалы между импульсами, идентифицируют номера лопастей, формируют сигнал неисправности при отклонении измеренных временных интервалов и амплитуд от заданных эталонных значений. Устройство для контроля целостности лопастей содержит детектор, два компаратора, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, генератор сигнала сверхвысокой частоты, приемную и передающую антенно-фидерные системы, формирователь опорного напряжения, усилитель, бортовую электронно-вычислительную машину, два счетчика, два оборотных датчика, ключ, генератор тактовых импульсов, соединенные определенным образом. Обеспечивается точность и достоверность контроля целостности лопастей несущего винта вертолета. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Узел датчика угла сцепки // 2613123

Группа изобретений относится к системам помощи водителю и технологиям активной безопасности для транспортных средств, в частности к узлу датчика угла сцепки, который может использоваться вместе с системой помощи при движении задним ходом с прицепом. Узел датчика угла сцепки содержит разделитель, выполненный с возможностью фиксации между сцепным шаром и установочной поверхностью на транспортном средстве, компонент, имеющий магнитную часть и соединенный с разделителем с возможностью поворота вокруг оси, образованной сцепным шаром, соединительный элемент для прикрепления компонента к прицепу и датчик магнитного поля, соединенный с разделителем и определяющий положение поворота компонента для определения угла сцепки. Магнитная часть имеет дугообразную форму, имеющую по существу постоянную ширину и центральную точку, смещенную относительно указанной оси, образованной сцепным шаром. Достигается повышение точности управления транспортным средством с прицепом при движении задним ходом. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 10 ил.

Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала // 2615612

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области бесконтактных измерений угла поворота вала. Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала использует магнитную систему на основе малого дипольного диаметрально намагниченного магнита, совершающего угловое движение с двумя степенями свободы в рабочей плоскости, параллельной лицевой поверхности программируемого двухосевого энкодера Холла с интегрированными магнитоконцентрирующими (ИМК) дисками, выполняющими физическое преобразование магнитного поля в рабочей плоскости в перпендикулярное, к которому истинно чувствителен датчик Холла с ИМК, при этом используются другие типы датчиков, высокочувствительные только к компонентам магнитного поля в рабочей (XY) плоскости и полностью или сравнительно малочувствительные к вертикальной составляющей (Z) магнитного поля, а интегральный компонент истинно двухосевого датчика может быть смонтирован с любой стороны платы, также центральный конструктивный компонент или элемент детали корпуса – вставка – жестко соединен с корпусом и обеспечивает точное позиционирование в корпусе статора друг относительно друга дипольного магнитного ротора и интегрального компонента двухосевого магниточувствительного датчика с оптимальным рабочим расстоянием между ними, кроме того, в датчике угла поворота вала используется дипольный магнит, намагниченный параллельно той плоскости, в которой ротор совершает рабочее угловое движение с двумя степенями свободы, также имеется интегральный истинно двухосевой магниточувствительный датчик (энкодер) с синусно-косинусными первичными выходными сигналами, включенный в схему обработки сигнала, и избыточный интегральный датчик, объединяющий в одном интегральном корпусе два магниточувствительных элемента. Технический результат – повышение чувствительности, точности и надежности датчика угла поворота. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство для измерения угла вращения // 2620777

Изобретение относится к области измерительной и информационной техники. Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение процедуры измерения угла вращения. Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения угла вращения, содержащее исследуемый объект, источник излучения и частотомер, введены первый и второй блоки питания, преобразователь вращения в электрический сигнал, включающий в себя сельсин-датчик и сельсин-приемник, преобразователь напряжения, в качестве источника излучения используется микроволновой генератор с варакторной перестройкой частоты, причем вход преобразователя вращения в электрический сигнал подключен к первому блоку питания, выход преобразователя вращения в электрический сигнал через преобразователь напряжения соединен с варактором микроволнового генератора с варакторной перестройкой частоты, вход питания микроволнового генератора подключен к второму блоку питания, выход микроволнового генератора соединен с входом частотомера, ротор сельсина-датчика преобразователя вращения в электрический сигнал жестко скрепляется с исследуемым объектом. 1 ил.