ДАТЧИК УГЛА НАКЛОНА
TILT SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угла наклона относительно горизонта, в частности в устройствах робототехники, транспортных средствах, инклинометрах и подъемных устройствах.
Известен емкостной наклономер с неэлектропроводной жидкостью, которая частично заполняет пространство между двумя симметричными, имеющими форму круговых секторов парами пластин, которые образуют систему двух конденсаторов с электронной схемой, на выходе которой выдается сигнал, пропорциональный разности емкостей [1].
Известен емкостной наклономер, содержащий плоскопараллельную пластину, на одной стороне которой имеются две поверхности двух конденсаторов с электронной схемой, а на другой стороне выполнен общий кольцевой электрод, охватывающий вышеупомянутые поверхности, соединенный с электронной схемой. К другой стороне плоской плоскопараллельной пластины прикреплен плоский затвор так, чтобы образовалась герметичная плоская окружающая общий кольцевой электрод полость, которая частично заполнена электропроводной жидкостью [2].
Общим существенным недостатком этих наклономеров является ограниченный диапазон измерения углов наклона.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является датчик угла наклона, содержащий первую плоскопараллельную диэлектрическую пластину, на одной стороне которой выполнены более двух симметричных потенциальных электродов, которые запитаны через проводниковые структуры от электронной схемы сигналами, сдвинутыми относительно друг друга по времени, при этом количество сигналов равно количеству потенциальных электродов на первой пластине, вторую плоскопараллельную пластину, при этом первая и вторая пластины соединены между собой с образованием герметичной полости, которая частично заполнена электропроводной или неэлектропроводной жидкостью, дополнительный съемный электрод на второй плоскопараллельной пластине, находящийся в герметичной полости, и съемный электрод на второй плоскопараллельной пластине, находящийся вне герметичной полости, при этом съемный электрод соединен через проводниковые структуры с электронной схемой [3]. Недостатком известного датчика угла наклона является наличие методической погрешности.
0
1
2
Напряжение на выходе известного датчика угла наклона U. будет равно сумме напряжений, пропорциональных площадям секторов S, S, S частей потенциальных электродов радиусом r, перекрытых жидкостью (см. Фиг.4), и в общем виде будет равно
0
где: U - величина сигнала на потенциальных электродах;
K - коэффициент передачи;
А - суммарная амплитуда синусоидального и косинусоидального сигналов.
Измеренное значение угла наклона будет равно фазе выходного сигнала
Подставив в (2) значения площадей секторов электродов, перекрытых жидкостью,
0
2
2
S=πr/4=πr(90/360),
1
2
2
S=πr/8+πr(α/360),
2
2
2
S=πr/8-πr(α/360),
получим ά=arctg (α/45).
Погрешность измерения угла наклона Δα будет равна
где α - значение измеряемого угла.
Погрешность измерения угла наклона, рассчитанная по (3), приведена на Фиг.5.
Целью изобретения является исключение методической погрешности в измерении угла наклона, что позволяет также расширить сферу применения датчика.
Указанная цель достигается тем, что в датчике угла наклона, содержащем первую плоскопараллельную пластину, на одной стороне которой выполнено два и более потенциальных электрода, вторую плоскопараллельную диэлектрическую пластину, на одной стороне которой выполнен съемный электрод, а на другой стороне дополнительный съемный электрод, при этом первая и вторая пластины соединены между собой с образованием герметичной полости, частично заполненной проводящей или непроводящей жидкостью, а съемный электрод и потенциальные электроды соединены через проводниковые структуры с электронными схемами, а потенциальные электроды запитаны периодическими сигналами, сдвинутыми относительно друг друга во времени, введены дополнительные потенциальные электроды, выполненные на первой пластине, общее количество которых вместе с имеющимися должно быть четным и более трех, а форма всех потенциальных электродов должна быть в виде равнобедренных треугольников.
Оценим погрешность измерения угла наклона предлагаемым датчиком. Напряжение на выходе датчика угла наклона будет равно сумме напряжений, пропорциональных площадям частей потенциальных электродов, перекрытых жидкостью (см. Фиг.6), а значение измеренного угла α' будет определяться выражением (2). Подставив значения площадей равнобедренных треугольников с высотой h в (2)
0
2
S=h;
1
2
2
2
S=h/2+(hf)/2=h/2+(h htgα)/2=(htgα)/2;
2
2
2
2
S=h/2-(hf)/2=h/2-(h htgα)/2=(htgα)/2;
где f=htgα;
получим ,
измеренное значение ά равно значению измеряемого угла α и погрешность отсутствует.
Работа датчика угла наклона поясняется чертежами. На Фиг.1 - общий вид варианта датчика с жидкостью, на Фиг.2 - вариант первой плоскопараллельной пластины с потенциальными электродами, на Фиг.3 - вариант второй плоскопараллельной пластины со съемным и дополнительным съемным электродами, на Фиг.4 - расчетная схема погрешности известного датчика, на Фиг.5 - погрешность измерения угла известным датчиком, на Фиг.6 - расчетная схема погрешности предлагаемого датчика. Датчик угла наклона (см. Фиг.1) содержит первую диэлектрическую плоскопараллельную пластину 1, на одной стороне которой выполнены потенциальные электроды 2, соединенные с электронной схемой 3 с помощью проводниковой структуры 4, вторую диэлектрическую плоскопараллельную пластину 5, на одной стороне которой выполнен дополнительный съемный электрод 6 (может отсутствовать), а на другой стороне съемный электрод 7.
Скрепленные между собой первая пластина 1 и вторая пластина 5 образуют замкнутую герметичную полость 8, частично заполненную жидкостью 9. Съемный электрод 7 проводниковой структурой 10 соединен с электронной схемой 11.
Датчик угла работает следующим образом. Электронная схема 3 выдает периодические сигналы (синусоидальные, меандры или другие) с электродов, 2 сигналы, сдвинутые во времени, наводятся на электроды 6, 7. Информация об угловом положении уровня жидкости относительно потенциальных электродов 2 заключена в фазе суммарного сигнала, наведенного на электроды 6, 7.
Предлагаемый датчик угла не имеет методической погрешности, и за счет повышенной точности измерения угла расширяется сфера его использования.
Источники информации
1. Патент ГДР - DD №226068, кл. G01С 9/20.
2. Патент ГДР - DD №267558, кл. G01С 9/20, 1989 г.
3. RU 2178547 С2, G01С 9/20, 1999 г. - прототип.