Датчик угла

Полезная модель относится к измерению угловых положений валов, роторов и т.д. и может быть использована в авиации для измерения положения самолета в пространстве: по крену, тангажу и курсу, также может быть использовано для измерения положения антенных колонок РЛС, любых угловых перемещений с высокой точностью при высокой угловой скорости перемещения. Дополнительно его можно использовать для измерения угловой скорости. Технической задачей является оптимизация характеристик датчика угла, а именно получение высокой точности (малой погрешности) выдачи значения угла в условиях дестабилизирующих факторов. С этой целью предлагается датчик угла, содержащий измеряемый вал и измерительное устройство, отличающийся тем, что последнее выполнено в виде двух каналов грубого и точного отсчета, причем пятиразрядный диск грубого отсчета посажен непосредственно на вал и связан с семиразрядным диском точного отсчета трехступенчатой зубчатой передачей с передаточным отношением 32, при этом точность измерения углового положения вала равна 0,04°; зубчатая передача сделана люфтовыбирающей; при применении восьмиразрядного диска точного отсчета и с общим передаточным отношением 64, точность измерения углового положения вала равна 0,01°; диск грубого отсчета выполнен из диэлектрического материала с нанесенными на нем пятью дорожками из магнитного материала, причем внутренняя дорожка имеет два равных деления по окружности, одно из которых проводящее, следующая дорожка имеет четыре равных деления - два из которых проводящие и т.д. до пятой, которая содержит 32 деления, 16 из которых проводящие; диск точного отсчета содержит семь дорожек, выполненных также по п.4, начиная с двух равных делений внутренней дорожки; взаимное расположение всех дорожек дисков грубого и точного отсчетов образуют двоичный код Грея.

Полезная модель относится к измерению угловых положений валов, роторов и т.д. и может быть использована в авиации для измерения положения самолета в пространстве: по крену, тангажу и курсу, также может быть использовано для измерения положения антенных колонок РЛС, любых угловых перемещений с высокой точностью при высокой угловой скорости перемещения. Дополнительно его можно использовать для измерения угловой скорости.

Известны потенциометрические датчики угла применяемые в центральных гировертикалях, например, ЦГВ-10, которые устанавливаются на самолетах типа ИЛ-62, Ил-76, см. «Центральные гировертикали», М, «Машиностроение», 1970 г, также «Потенциометры» А.Т.Белевцев, Оборонгиз,, 1962 г. Эти датчики устроены следующим образом. Круговой проволочный потенциометр запитан с двух сторон плюсовым и минусовым относительно нуля вольт напряжениями. Внутри потенциометра установлен скользящий контакт (ламель) таким образом, что при нулевом положении угла на ламели напряжение также равно нулю, а при отклонении самолета (например, по крену) ламель двигается по виткам потенциометра и напряжение на ней будет отлично от нуля и пропорционально углу отклонения (поворота), а знак напряжения показывает направление отклонения.

При кажущейся простоте потенциометрические датчики обладают следующими основными недостатками:

- невысокая точность, не лучше 1° (определяется провода, количеством витков и площадкой ламели);

- низкая механическая устойчивость к износу (ламель и провода потенциометра быстро истираются), что приводит к нарушению контактирования;

- довольно большие габаритно-массовые характеристики (ГМХ);

- высокие механо-химические требования (часто противоречивые) к проводам и ламели (износоустойчивость и надежное контактирование, химическая стойкость и влагостойкость и пр.)

Общеизвестны датчики угла на основе синус-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ), в которых используются две обмотки (синусная и косинусная), взаимные напряжения которых пропорциональны углу поворота и описываются следующим математическим выражением:

отсюда =arctg

отсюда =arcrcc

где: Usin и Ucos огибающие напряжения синусной и косинусной обмоток соответственно (с учетом знака).

СКВТ обладают следующими недостатками:

- ограниченная точность выдачи углов (не лучше нескольких минут);

- наличие паразитной квадратурной составляющей из шумов, что в принципе не дает возможности повысить точность;

- СКВТ это аналоговые датчики, следовательно для ввода информации в ЭВМ требуются преобразователи угол-код, что требует аппаратурных затрат и не малых.

Известны также оптические датчики угла, см. «Теоретические основы радиолокации», под. Ред. В.Е.Дулевич, М, Сов. Радио, 1978, стр.392-395 - ПРОТОТИП.

Эти датчики устроены следующим образом. На диске из прозрачного материала, жестко закрепленном на валу антенны, фотоспособом наносится кодовая комбинация прозрачных и непрозрачных участков. По одну сторону диска располагается протяженный импульсный источник света, а по другую - экран с узкой щелью, против которой располагаются миниатюрные фотодетекторы, число которых равно числу разрядов кода (колец). Угловая протяженность ячейки вт кольце младшего разряда определяет цену единицы угла и точность отсчета.

Фотодетекторы оптически изолированы друг от друга. В момент прихода команды «съем» загорается источник света и на выходе освещенных фотодетекторов, появляются импульсы тока (единицы). Сочетание нулей и единиц по разрядам и является двоичным кодом угла в момент съема.

Для исключения больших ошибок считывания, которые возникают, когда против щели располагается граница двух чисел, на диске наносятся специальные двоичные коды (циклический код, V-код). Считанное число переводится в нормальный двоичный код преобразователем кода, стоящем на выходе схемы.

Позиционные преобразователи предельно просты по устройству и компактны, однако очень сложна технология изготовления быстродействующих импульсных ламп и миниатюрных фотодетекторов с большой отдачей.

Кроме того со временем диск тускнеет, а в условиях запыленности также теряет прозрачность, что приводит к большим погрешностям.

Технической задачей является оптимизация характеристик датчика угла, а именно получение высокой точности (малой погрешности) выдачи значения угла в условиях дестабилизирующих факторов.

С этой целью предлагается датчик угла, содержащий измеряемый вал и измерительное устройство, отличающийся тем, что последнее выполнено в виде двух каналов грубого и точного отсчета, причем пятиразрядный диск грубого отсчета посажен непосредственно на вал и связан с семиразрядным диском точного отсчета трехступенчатой зубчатой передачей с передаточным отношением 32, при этом точность измерения углового положения вала равна 0,04°; зубчатая передача сделана люфтовыбирающей; при применении восьмиразрядного диска точного отсчета и с общим передаточным отношением 64, точность измерения углового положения вала равна 0,01°; диск грубого отсчета выполнен из диэлектрического материала с нанесенными на нем пятью дорожками из магнитного материала, причем внутренняя дорожка имеет два равных деления по окружности, одно из которых проводящее, следующая дорожка имеет четыре равных деления - два из которых проводящие и т.д. до пятой, которая содержит 32 деления,

16 из которых проводящие; диск точного отсчета содержит семь дорожек, выполненных также по п.4, начиная с двух равных делений внутренней дорожки; взаимное расположение всех дорожек дисков грубого и точного отсчетов образуют двоичный код Грея.

На фиг.1 показана кинематическая схема датчика угла, на фиг.2 - конструкция дисков грубого отсчета (ГО) и точного отсчета (ТО) каналов, на которых изображено: ГО - канал грубого отсчета; ТО - канал точного отсчета; 1 - вал; 2 - пятиразрядный диск ГО; 3 - семиразрядный диск ТО; Z₁-Z ₂, Z₃-Z₄, Z ₅-Z₆ - трех-ступенчатая зубчатая передача; 4 и 5 - непроводящая и проводящая части внутренней дорожки канала ТО соответственно; 6 - проводящая часть внутренней дорожки канала ГО; 8 - проводящие части внешней дорожки канала ГО, 9 и 10 - магнитотранзисторы грубого и точного каналов соответственно.

Кинематическая схема фиг.1 содержит два канала отсчета: грубый (ГО) и точный (ТО). В показанном варианте пятиразрядный диск 2 грубого отсчета устанавливается непосредственно на вал 1. Семиразрядный диск 3 точного отсчета связан с диском 2 ГО трехступенчатой зубчатой передачей, состоящей из колес Z₁-Z ₂, Z₃-Z₄, Z ₅-Z₆.

Конструкция диска 2 ГО содержит: пять дорожек, причем внутренняя дорожка 7 разделена на два равных деления (одно проводящее, другое нет), следующая дорожка разделена на четыре равных деления (два проводящих и два нет) и т.д. вплоть до внешней дорожки, на фиг.2 показаны два проводящих деления 8.

Конструкция диска 3 ТО содержит семь дорожек, выполненных по этому же принципу.

С внешней стороны дисков 2 и 3, где расположены дорожки, на расстоянии 1-2 мм от плоскости дисков закреплен ряд магнитотранзисторов 9 и 10 соответственно, причем против каждой дорожки свой магнитотранзистор, следовательно в канале ГО находится пять магнитотранзисторов, в канале ТО - семь.

Работа датчика угла происходит следующим образом. Устройство предназначено для точного определения углового положения вала. Для этой цели используется

два канала отсчета: грубый отсчет (ГО) и точный отсчет (ТО). В предлагаемом варианте пятиразрядный диск 2 ГО устанавливается непосредственно на вал 1, угловые координаты которого необходимо определять. Семиразрядный диск 5 ТО связан с диском 2 ГО трехступенчатой зубчатой передачей, состоящей из колес Z₁ -Z₂, Z₃-Z ₄, Z₅-Z₆. Общее передаточное отношение трехступенчатой передачи равно 32 и может быть распределено по ступеням следующим образом: i _2-1=4, i_4-3=3,2, i _6-5=2,5. Для устранения статического мертвого хода зубчатая передача должна быть люфтовыбирающей. Кинематическая погрешность передачи, приведенная к диску 3 ТО, не должна превышать половины цены деления младшего разряда диска 3 ТО, в данном примере допустимая погрешность зубчатой передачи в угловых величинах составляет 360°/(128*2)=1,4°. Точность отсчета углового положения вала равна 0,04°.

Если применить восьмиразрядный диск ТО (число делений на дорожке младшего разряда равно 256), то при условии изготовления зубчатых колес высокой точности можно обеспечить точность отсчета углового положения вала равной 0,7°/64=0,01°. Здесь 64 - общее передаточное отношение зубчатой передачи.

При повороте вала 1 начинают вращаться диски 2 ГО и 3 ТО. При прохождении проводящей части дорожки (рассмотрим на примере одной дорожки) напротив своего магнитотранзистора последний включается, что соответствует лог.1 По окончании проводящей части магнитотранзистор выключается. Т.о. за один оборот диска 2 и 3 магнитотранзистор внутренней дорожки включается и выключается один раз, следующей дорожки - два раза, еще следующей четыре раза и т.д.

Объединив выходы всех магнитотранзисторов через лог.ИЛИ получим код Грея.

Код Грея: числовой код, построенный т.о., что при переходе от одного числа к следующему изменяется всегда только один двоичный разряд, см. таблицу.

Код Грея не позволяет выполнять арифметические операции, следовательно нужно его преобразовывать в двоичный код. Преобразование кода Грея в двоичный код это тривиальная задача и для его преобразования существуют специальные серийные микросхемы.

1. Датчик угла, содержащий диски каналов грубого отсчета (ГО) и точного отсчета (ТО) с дорожками, установленные так, что взаимное расположение дорожек каналов образуют код, при этом диск грубого отсчета содержит пять дорожек, а диск точного отсчета содержит семь дорожек, причем диск ГО предназначен для установки на измеряемом валу и связан с диском ТО зубчатой передачей с передаточным отношением 32.

2. Датчик угла по п.1, отличающийся тем, что зубчатая передача сделана люфтовыбирающей.

3. Датчик угла по п.1, отличающийся тем, что диск грубого отсчета выполнен из диэлектрического материала с нанесенными на нем пятью дорожками из магнитного материала, причем внутренняя дорожка имеет два равных деления по окружности, одно из которых проводящее, следующая дорожка имеет четыре равных деления - два из которых проводящие и т.д. до пятой, которая содержит 32 деления, 16 из которых проводящие.

4. Датчик угла по п.1, отличающийся тем, что диск точного отсчета содержит семь дорожек, выполненных также по п.3, начиная с двух равных делений внутренней дорожки.

5. Датчик угла по п.1, или 3, или 4, отличающийся тем, что взаимное расположение всех дорожек дисков грубого и точного отсчетов образуют двоичный код Грея.