измеритель углового положения изделия

Классы МПК:G01C21/10 путем измерения скорости или ускорения
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-12-29
публикация патента:

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. измеритель углового положения изделия, патент № 2491507

измеритель углового положения изделия, патент № 2491507

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 =±0,01°).

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является микромеханический двухосевой инклинометр, предназначенный для измерения углов измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 и измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 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+K x·g·sinизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

Uy=U0y+Ky ·g·sinизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ,

где U0x, U0y - нулевые сигналы акселерометров; Kx, Ky - масштабные коэффициенты; g - ускорение; измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 и измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 - 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, y 1, y2 акселерометров, низкоомные выходы измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 и измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 буферных операционных усилителей 3 и 6 подключены к входам дифференциального усилителя разности напряжений 7, а низкоомные выходы измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 , измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 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:

U x1=U0x1+Kx1·g·sinизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

Uy1=U0y1+Ky1 ·g·sinизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

- для акселерометра 2:

Ux2=U0x2+Kx2·g·sinизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

Uy2=U0y2+Ky2 ·g·sinизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ,

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:

измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ;

измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 .

В результате преобразования и суммирования сигналов измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 , измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 в дифференциальном усилителе разности напряжений 7 и сигналов измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 , измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 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: |измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Ux1|+|измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Uy2| и |измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Ux2|+|измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Uy1|.

При условии U0x1 =U0y2; U0x2=U0y1; |измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Ux1|=|измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Uy2|=измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Uизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ; |измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Ux2|=|измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Uy1|=измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 Uизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ; Kx1=Ky2=Kизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ; Kx2=Ky1=Kизмеритель углового положения изделия, патент № 2491507 , на выходах дифференциальных усилителей разности напряжений 7 и 8 сформируются соответственно сигналы:

измеритель углового положения изделия, патент № 2491507

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 измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 и измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 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 измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 ±25измеритель углового положения изделия, патент № 2491507 (угловых секунд) или ±0,07° (угловых градусов). Габариты измерителя 20 мм ×30 мм×6 мм.

Класс G01C21/10 путем измерения скорости или ускорения

способ определения курса путем поворота инерциального устройства -  патент 2499225 (20.11.2013)
гирогоризонткомпас с вращением инерциального измерительного блока -  патент 2436046 (10.12.2011)
способ пневматического преобразования ускорения движения тела в скорость и устройство для его осуществления -  патент 2421734 (20.06.2011)
способ измерения скорости и пневматический скоростемер для тела -  патент 2421733 (20.06.2011)
способ измерения скорости движения тела и устройство для его осуществления -  патент 2420745 (10.06.2011)
способ определения угловой ориентации объекта -  патент 2414685 (20.03.2011)
астронавигационная система -  патент 2378616 (10.01.2010)
способ компенсации инструментальных погрешностей бесплатформенных инерциальных навигационных систем и устройство для его осуществления -  патент 2362977 (27.07.2009)
способ определения навигационных параметров бесплатформенной инерциальной навигационной системой -  патент 2348903 (10.03.2009)
устройство для определения углового положения подвижного объекта относительно вектора силы тяжести и способ его использования -  патент 2343418 (10.01.2009)
Наверх