СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
METHOD TO MEASURE PARAMETERS OF ANGULAR MOTION OF OBJECTS

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений летательных аппаратов, автомобилей и других объектов в бесплатформенных инерциальных навигационных системах.
Предшествующий уровень техники
Известен Способ измерения угловой скорости объектов, описанный в кн. под редакцией Горенштейна И.А. Инерциальные навигационные системы. - М.: Машиностроение, 1970, с.145-147. В описании указанная книга обозначена как литература {1}.
В указанном способе взвешивание гироскопического чувствительного элемента производится при помощи газового или воздушного подвеса, использующего подъемную силу сжатого газа или воздуха, поступающего из специального резервуара.
Низкая точность измерения двухстепенного гироскопического датчика угловой скорости с газовым подвесом чувствительного элемента, осуществляющего техническую реализацию указанного способа, определяется моментами, обусловленными неравномерностью действия вытекающих их капиллярных отверстий в стакане струй газа на взвешенный в газе корпус, обратными моментами (тяжением) датчиков угла и момента из-за сил электромагнитного взаимодействия полей их роторов и статоров, а также тяжением токопроводящих устройств гиромотора и датчиков угла и момента.
Наличие специального резервуара для газа или воздуха в конструкции указанного датчика снижает технологичность изготовления.
Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого способа измерения параметров углового движения объектов является способ измерения параметров углового движения объектов (см. описание в а.с. СССР №640207, МПК G01P 3/48, опубл. 27.02.79 г.).
Указанный способ измерения параметров углового движения объектов путем циклического измерения приращений по соответствующим осям углов поворота корпуса относительно инерционного тела. При этом измерение приращений в очередном цикле производят при полностью освобожденном от всех силовых связей с корпусом инерционным телом в заданном временном интервале, длительность которого выбирают, исходя из приращений угловой скорости объекта, определенной в предыдущем цикле.
Устройство, осуществляющее техническую реализацию указанного способа измерения параметров углового движения объектов - прототипа, содержит инерционное тело, датчик углового перемещения инерционного тела относительно корпуса, управляемые фиксаторы инерционного тела относительно корпуса.
В очередном цикле измерения предварительно зафиксированное относительно корпуса с помощью фиксатора инерционное тело освобождают на заданный по результатам измерений в предыдущем цикле временной интервал, в течение которого замеряют с помощью датчиков приращения угла поворота корпуса относительно инерционного тела. После этого инерционное тело снова фиксируется с помощью фиксаторов, одновременно возвращаясь относительно корпуса в первоначальное положение и по результатам приращения угловой скорости объекта в очередном цикле определяют значение временного интервала для следующего цикла измерений.
Низкая точность измерения устройства, осуществляющего техническую реализацию способа измерения параметров углового движения объектов - прототипа, определяется наличием временных интервалов, в течение которых измерения не производятся, что снижает точность измерения. При этом в указанных временных интервалах производится фиксация инерционного тела относительно корпуса, а также определение значения временного интервала для следующего цикла измерений.
При большом количестве циклов измерений происходит механический износ фиксаторов и инерционного тела за счет сухого трения между ними, возникающего в моменты фиксации и освобождения инерционного тела относительно корпуса, что снижает точность измерения и срок службы указанного устройства.
Низкая технологичность изготовления определяется наличием фиксаторов в конструкции указанного устройства.
Раскрытие изобретения
Задачей создания изобретения является разработка способа, а также создание устройства, имеющего более высокую точность измерения, технологичного в изготовлении с более длительным сроком службы для реализации предлагаемого способа измерения параметров углового движения объектов.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения общих с прототипом, таких как способ измерения параметров углового движения объектов путем циклического измерения приращений угла поворота инерционного тела относительно корпуса в заданном временном интервале и отличительных существенных признаков, таких как инерционное тело выполняют из пьезоэлектрического материала, помещают в жидкую среду и возбуждают механические колебания в инерционном теле под действием приложенного к инерционному телу переменного электрического поля.
В пункте 2 формулы нашел отражение частотный диапазон переменного электрического поля, а именно переменное электрическое поле используют ультразвуковой частоты в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц.
В предлагаемом способе измерения параметров углового движения объектов в инерционном теле, выполненном из пьезоэлектрического материала и помещенном в жидкую среду, возбуждают механические колебания под действием приложенного к инерционному телу переменного электрического поля ультразвуковой частоты от 20 кГц и до 50 кГц.
При этом происходит гидродинамическое взвешивание инерционного тела внутри корпуса устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа измерения параметров углового движения объектов.
Вследствие этого полностью отсутствует сухое трение между инерционным телом и другими частями указанного устройства, что повышает точность измерения и длительность срока службы.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - повышение точности измерения, технологичности изготовления и увеличение срока службы устройства, осуществляющего техническую реализацию предлагаемого способа измерения параметров углового движения объектов.
Краткое описание фигур чертежей
Емкостный датчик для измерения параметров углового движения объектов, осуществляющий техническую реализацию предлагаемого способа измерения параметров углового движения объектов и являющийся датчиком инкрементного типа, иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг.1. Емкостный датчик для измерения параметров углового движения объектов, продольный разрез.
Фиг.2 и фиг.3. Структурная схема емкостного датчика для измерения параметров углового движения объектов.
Фиг.4. Вид A на фиг.1 при условно прозрачных корпусе, крышке и инерционном теле (проводники инерционного тела находятся над проводниками статора).
Фиг.5. Вид инерционного тела со стороны, обращенной к статору.
Фиг.6. Вид B на фиг.1 при условно прозрачном корпусе.
Фиг.7. Вид крышки со стороны второго электрода конденсатора.
Фиг.8. Первый диэлектрический каркас с катушками индуктивности, продольный разрез.
Фиг.9. Вид A на фиг.8.
Фиг.10. Диаграмма состояний емкостей между секциями электродов первого, второго и третьего колебательных контуров при вращении инерционного тела.
Фиг.11. Диаграмма состояний емкостей между секциями электродов четвертого, пятого и шестого колебательных контуров при вращении инерционного тела.
Фиг.12. Диаграмма состояний логических сигналов на входах шести элементов И относительно логических сигналов на соответствующих выходах шести компараторов (частот резонансных колебаний шести колебательных контуров).
Осуществление изобретения
Емкостный датчик для измерения параметров углового движения объектов, осуществляющий техническую реализацию предлагаемого способа, содержит корпус 2 из нержавеющей стали (см. фиг.1), инерционное тело 1 и статор 4, выполненные в виде двух дисков из диэлектрического материала, а также измерительную схему 5 (фиг.2, 3). Корпус 2 жестко закреплен на объекте (на чертеже не показан).
Первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9, пятый 10 и шестой 11 колебательные контуры гальванически развязаны от измерительной схемы 5 и содержат соответственно катушку индуктивности 12 первого 6 колебательного контура, катушку индуктивности 13 второго 7 колебательного контура, катушку индуктивности 14 третьего 8 колебательного контура, катушку индуктивности 15 четвертого 9 колебательного контура, катушку индуктивности 16 пятого 10 колебательного контура и катушку индуктивности 17 шестого 11 колебательного контура.
Секции первого 18 и второго 19 электродов первого 6 колебательного контура (см. фиг.4), секции первого 20 и второго 21 электродов второго 7 колебательного контура, а также секции первого 22 и второго 23 электродов третьего 8 колебательного контура расположены и равномерно распределены по окружности на поверхности малого углубления на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1.
Секции первого 24 и второго 25 электродов четвертого 9 колебательного контура, секции первого 26 и второго 27 электродов пятого 10 колебательного контура, а также секции первого 28 и второго 29 электродов шестого 11 колебательного контура расположены и равномерно распределены по окружности меньшего диаметра на поверхности малого углубления на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1.
Первый и второй выводы катушки индуктивности 12 первого 6 колебательного контура подключены соответственно к секциям первого 18 и второго 19 электродов первого 6 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 13 второго 7 колебательного контура подключены соответственно к секциям первого 20 и второго 21 электродов второго 7 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 14 третьего 8 колебательного контура подключены соответственно к секциям первого 22 и второго 23 электродов третьего 8 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 15 четвертого 9 колебательного контура подключены соответственно к секциям первого 24 и второго 25 электродов четвертого 9 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 16 пятого 10 колебательного контура подключены соответственно к секциям первого 26 и второго 27 электродов пятого 10 колебательного контура, а также первый и второй выводы катушки индуктивности 17 шестого 11 колебательного контура подключены соответственно к секциям первого 28 и второго 29 электродов шестого 11 колебательного контура.
Секции общего электрода 30 первого 6. второго 7 и третьего 8 колебательных контуров расположены и равномерно распределены по окружности на стороне инерционного тела 1, обращенной к статору 4 (см. фиг.4 и фиг.5), над секциями шести электродов первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров, расположенных и равномерно распределенных по окружности на поверхности малого углубления на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1.
Секции общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10, и шестого 11 колебательных контуров расположены и равномерно распределены по окружности меньшего диаметра на стороне инерционного тела 1, обращенной к статору 4, над секциями шести электродов четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров, расположенных и равномерно распределенных по окружности меньшего диаметра на поверхности малого углубления на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1.
При равномерном распределении секций каждого электрода шести колебательных контуров по соответствующим окружностям на обращенных друг к другу сторонах инерционного тела 1 и статора 4, происходит уменьшение влияния на результат измерения угловых перемещения, скорости и ускорения непараллельности плоскостей инерционного тела 1 и статора 4, а также несоосности (смещение осей) инерционного тела 1 и статора 4 друг относительно друга. Секция выполнена в виде металлической пластины, которая ограничена внешней окружностью, внутренней окружностью и двумя радиусами.
Секции каждого электрода шести колебательных контуров, расположенные на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1, объединены между собой с помощью межсекционных электрических соединений в виде концентрических и радиальных проводников, а также сквозных металлизированных отверстий с контактными площадками (см. фиг.4 и фиг.6). При этом каждая указанная секция занимает угловой сектор, равный 15° минус угловой сектор, который занимает промежуток между двумя соседними секциями, расположенными рядом по окружности (каждый промежуток между двумя соседними секциями имеет одинаковую и малую угловую ширину).
Каждая секция двух общих электродов шести колебательных контуров, расположенная на стороне инерционного тела 1, обращенной к статору 4, занимает угловой сектор равный 75°. Секции общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров сдвинуты по окружности относительно секций общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров на угол равный 7,5°.
Предпочтительным является количество секций в каждом из электродов шести колебательных контуров равное четырем.
В общем случае количество секций в каждом из электродов шести колебательных контуров может быть равно восьми (кратное четырем).
На фиг.4 для наглядности изображения обозначена только одна из четырех секций каждого электрода шести колебательных контуров.
На фиг.1 клеевые соединения, соединения пайкой или стеклоспаи между элементами конструкции емкостного датчика для измерения параметров углового движения объектов обозначены линиями двойной толщины 32.
Между статором 4 и крышкой 33, выполненной в виде диска из диэлектрического материала, установлено первое 34 кольцо из диэлектрического материала, которое предназначено для фиксации с высокой точностью осевого зазора между обращенными друг к другу поверхностями (плоскостями) статора 4 и крышки 33.
Второе 35 кольцо из диэлектрического материала соединяет между собой статор 4, первое 34 кольцо, крышку 33 и корпус 2.
Инерционное тело 1 может быть выполнено в виде диска или диска с центральным отверстием из пьезоэлектрического материала, например, из монокристалла кварца (турмалина) или другого монокристаллического пьезоэлектрического материала, который может быть искусственным.
Диск с центральным отверстием инерционного тела 1 может быть выполнен из монокристалла кварца Х-среза, в котором при направлении электрического поля вдоль оси X происходят (возникают) деформации растяжения-сжатия в направлении осей X и Y, а также деформации сдвига в плоскости YZ (при приближении частоты электрического поля конденсатора (ультразвуковой частоты генератора) к собственной частоте механических колебаний инерционного тела 1 амплитуда механических колебаний в периферийной части инерционного тела 1 увеличивается.
Толщина диска с центральным отверстием инерционного тела 1 может составить 0,3 мм (минимальная толщина диска, который может быть отполирован (отшлифован)) и более.
Внутреннее пространство корпуса 2 заполнено жидкой (химически нейтральной жидкостью) средой 3, например, кремнийорганической жидкостью или метиловым (этиловым) спиртом (повышенное значение диэлектрической проницаемости и относительно малая вязкость). При этом величина диэлектрической проницаемости жидкой среды 3 может быть равна (или близка) или более, чем величина диэлектрической проницаемости пьезоэлектрического материала инерционного тела 1.
Зазоры между обращенными друг к другу внутренней цилиндрической поверхностью первого 34 кольца и наружной цилиндрической поверхностью инерционного тела 1, торцевой поверхностью инерционного тела 1 на периферийной его части и поверхностью статора 4, а также торцевой поверхностью инерционного тела 1 на периферийной его части и поверхностью крышки 33 могут составить 0,1 мкм и более.
Глубина малого углубления на поверхности статора 4, обращенной к инерционному телу 1 (определяет внешний диаметр инерционного тела 1), может составить 1 мкм и более.
При этом глубина малого углубления на поверхности крышки 33 (симметричного относительно инерционного тела 1), обращенной к инерционному телу 1, равна глубине малого углубления на поверхности статора 4, обращенной к инерционному телу 1.
Первый 36 и второй 37 возбуждающие электроды конденсатора (см. фиг.4 и фиг.7), выполненные в виде двух металлических колец, подключены к генератору ультразвуковой частоты (не показан) измерительной схемы 5 и размещены на обращенных друг к другу сторонах статора 4 и крышки 33.
При подаче от генератора на два электрода конденсатора напряжения переменного тока ультразвуковой частоты от 20 кГц и до 50 кГц (см. литературу {1}, с.130) в инерционном теле 1 (в периферийной части инерционного тела 1) под действием приложенного к нему переменного электрического поля конденсатора возбуждают механические колебания, которые могут быть механически связанными (механические колебания в инерционном теле 1 происходят при постоянном его объеме) и не симметричными относительно оси инерционного тела 1. Вследствие этого в инерционном теле 1 изменяются с ультразвуковой частотой возбуждения продольные (параллельные оси инерционного тела 1 в периферийной его части) и радиальные размеры инерционного тела 1.
При этом в центральной части инерционного тела 1 (вблизи центрального отверстия диска инерционного тела 1) практически нет механических колебаний (для развязки периферийной и центральной частей инерционного тела 1 с двух сторон диска инерционного тела 1 выполнены две кольцевые проточки). При этом геометрические размеры секций двух общих электродов шести колебательных контуров практически не изменяются.
В зазорах между обращенными друг к другу поверхностями инерционного тела 1 и первого 34 кольца, инерционного тела 1 и статора 4, а также инерционного тела 1 и крышки 33 образуется тонкий слой жидкости (жидкостная «подушка»), который выполняет функцию ультразвукового подвеса 38 и обеспечивает гидродинамическое взвешивание инерционного тела 1 (инерционной массы) внутри корпуса 2. Функцию опоры ультразвукового подвеса 38 выполняют обращенные друг к другу поверхности (периферийные участки поверхностей) статора 4 и крышки 33, а также внутренняя цилиндрическая поверхность первого 34 кольца.
При малой величине (амплитуде) механических колебаний и массе инерционного тела 1 для гидродинамического взвешивания инерционного тела 1 внутри корпуса 2 необходимо практически полное обезгаживание (удаление растворенных газов) жидкой среды 3. Вследствие этого жесткость ультразвукового подвеса 38 повышается (коэффициент сжимаемости (сжимаемость) жидкой среды 3 снижается).
Добротность инерционного тела 1, выполненного из монокристалла кварца и помещенного в жидкую среду 3, может составить 10 единиц и более.
При этом ультразвуковой подвес 38 (жидкая среда 3) демпфирует вибрационные и ударные нагрузки на инерционное тело 1, что существенно повышает вибрационную и ударную прочность инерционного тела 1.
Статор 4, первое 34 и второе 35 кольца, а также крышка 33 могут быть выполнены из стеклокерамики, например, фотоситалла ФС 148-1, описанного в кн. под редакцией Корицкого Ю.В. Справочник по электротехническим материалам, т.2. - М.: Энергия, 1974, с.295, 296.
Применение фотоситалла ФС 148-1 в конструкции предлагаемого датчика позволяет получить в результате многоступенчатого процесса фотографически точные микроотверстия в статоре 4.
Печатные проводники, размещенные на инерционном теле 1 и статоре 4, могут быть выполнены из меди, алюминия или золота.
Статор 4 может быть выполнен по пленочной технологии изготовления интегральных микросхем (пленочная микросхема) на полупроводниковой пластине.
На Фиг.4 показано начальное взаимное положение инерционного тела 1 относительно статора 4, соответствующее нулю угловых градусов (стрелкой показано направление вращения инерционного тела 1 относительно статора 4 (корпуса 2)).
Измерительная схема 5 содержит катушку индуктивности 39 подкачки энергии в первый 6 колебательный контур, катушку индуктивности 40 подкачки энергии во второй 7 колебательный контур, катушку индуктивности 41 подкачки энергии в третий 8 колебательный контур, катушку индуктивности 42 подкачки энергии в четвертый 9 колебательный контур, катушку индуктивности 43 подкачки энергии в пятый 10 колебательный контур, катушку индуктивности 44 подкачки энергии в шестой 11 колебательный контур, катушку индуктивности 45 считывания частоты резонансных колебаний первого 6 колебательного контура, катушку индуктивности 46 считывания частоты резонансных колебаний второго 7 колебательного контура, катушку индуктивности 47 считывания частоты резонансных колебаний третьего 8 колебательного контура, катушку индуктивности 48 считывания частоты резонансных колебаний четвертого 9 колебательного контура, катушку индуктивности 49 считывания частоты резонансных колебаний пятого 10 колебательного контура, катушку индуктивности 50 считывания частоты резонансных колебаний шестого 11 колебательного контура.
Шесть катушек индуктивности шести колебательных контуров, шесть катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров и шесть катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров выполнены намоткой проводом одинаковым образом на первом 51, втором 52, третьем 53, четвертом 54, пятом 55 и шестом 56 диэлектрических каркасах, которые размещены по окружности на внешней стороне 57 статора 4. При этом оси указанных катушек индуктивности параллельны внешней стороне 57 статора 4.
В общем случае каждый из шести диэлектрических каркасов с катушками индуктивности может быть повернут на 90° относительно своего положения, изображенного на фиг.6 (вращение каждого из шести диэлектрических каркасов с катушками индуктивности происходит в плоскости чертежа, изображенного на фиг.6).
При этом оси всех катушек индуктивности направлены (расположены) по касательной к окружности, проходящей через центры шести диэлектрических каркасов.
На фиг.8 и фиг.9 изображен первый 51 диэлектрический каркас с намотанными на нем катушкой индуктивности 12 первого 6 колебательного контура, катушкой индуктивности 39 подкачки энергии в первый 6 колебательный контур и катушкой индуктивности 45 считывания частоты резонансных колебаний первого 6 колебательного контура. При этом металлизированные участки поверхности диэлектрического каркаса 51, предназначенные для соединения его пайкой с двумя металлическими контактными площадками 58 (см. фиг.6), не показаны.
На фиг.1 шесть диэлектрических каркасов с катушками индуктивности, размещенные на внешней стороне 57 статора 4, а также электрические вводы шести катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров, шести катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров и двух электродов конденсатора, герметизированные стеклом и размещенные в приваренной в виде диска стенке корпуса 2, не показаны.
Первый и второй выводы катушки индуктивности 12 первого 6 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 13 второго 7 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 14 третьего 8 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 15 четвертого 9 колебательного контура, первый и второй выводы катушки индуктивности 16 пятого 10 колебательного контура, а также первый и второй выводы катушки индуктивности 17 шестого 11 колебательного контура припаивают соответственно к первой 59, второй 60, третьей 61, четвертой 62, пятой 63, шестой 64, седьмой 65, восьмой 66, девятой 67, десятой 68, одиннадцатой 69 и двенадцатой 70 контактным площадкам.
На фиг.6 проводники, выполненные навесным монтажом, обозначены пунктирными линиями. Статор 4 может быть выполнен на трехслойной печатной плате (отсутствует навесной монтаж).
Измерительная схема 5 дополнительно включает первый 71, второй 72, третий 73, четвертый 74, пятый 75 и шестой 76 элементы И, первый 77, второй 78, третий 79, четвертый 80, пятый 81 и шестой 82 транзисторы, первый 83, второй 84 третий 85, четвертый 86, пятый 87 и шестой 88 компараторы, а также вычислительное устройство (на фиг.2 и фиг.3 не показано).
Вход 89 первого 71 элемента И, вход 90 второго 72 элемента И, вход 91 третьего 73 элемента И, вход 92 четвертого 74 элемента И, вход 93 пятого 75 элемента И и вход 94 шестого 76 элемента И являются входами запуска резонансных колебаний электромагнитного поля соответственно в первом 6, втором 7, третьем 8, четвертом 9, пятом 10 и шестом 11 колебательных контурах. При этом первый и второй входы каждого из указанных элементов И соединены между собой (двухвходовой элемент И преобразуется в элемент И с одним входом, что эквивалентно логическому элементу ИЛИ с одним входом (логическому повторителю)).
Первые выводы шести катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров соединены с плюсовым выводом 95 питания.
Второй вывод катушки индуктивности 39 подкачки энергии в первый 6 колебательный контур, второй вывод катушки индуктивности 40 подкачки энергии во второй 7 колебательный контур, второй вывод катушки индуктивности 41 подкачки энергии в третий 8 колебательный контур, второй вывод катушки индуктивности 42 подкачки энергии в четвертый 9 колебательный контур, второй вывод катушки индуктивности 43 подкачки энергии в пятый 10 колебательный контур и второй вывод катушки индуктивности 44 подкачки энергии в шестой 11 колебательный контур соединены соответственно с коллекторами первого 77, второго 78, третьего 79, четвертого 80, пятого 81 и шестого 82 транзисторов.
Первый вывод катушки индуктивности 45 считывания частоты резонансных колебаний первого 6 колебательного контура, первый вывод катушки индуктивности 46 считывания частоты резонансных колебаний второго 7 колебательного контура, первый вывод катушки индуктивности 47 считывания частоты резонансных колебаний третьего 8 колебательного контура, первый вывод катушки индуктивности 48 считывания частоты резонансных колебаний четвертого 9 колебательного контура, первый вывод катушки индуктивности 49 считывания частоты резонансных колебаний пятого 10 колебательного контура и первый вывод катушки индуктивности 50 считывания частоты резонансных колебаний шестого 11 колебательного контура соединены соответственно с прямыми входами первого 83, второго 84, третьего 85, четвертого 86, пятого 87 и шестого 88 компараторов, на инверсные входы которых (на фиг.2 и фиг.3 не показаны) подают опорное напряжение.
Вторые выводы шести катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров соединены с выводом «общий» питания. Выходы первого 71, второго 72, третьего 73, четвертого 74, пятого 75 и шестого 76 элементов И соединены соответственно с базами первого 77, второго 78, третьего 79, четвертого 80, пятого 81 и шестого 82 транзисторов, эмиттеры которых соединены с выводом «общий» питания.
Выходы 96, 97, 98, 99, 100 и 101 соответственно первого 83, второго 84, третьего 85, четвертого 86, пятого 87 и шестого 88 компараторов соединены с вычислительным устройством измерительной схемы 5. На фиг.12 изображены диаграммы состояний логических сигналов на указанных выходах и диаграммы состояний логических сигналов на шести входах шести элементов И относительно логических сигналов на указанных выходах (обозначены пунктирными линиями).
Для того, чтобы уменьшить влияние краевого эффекта на результат измерения необходимо, чтобы край рабочей секции, размещенной на инерционном теле 1, не подходил к краю рабочей секции, размещенной на статоре 4, на расстояние ближе чем 10·h.
Где h - осевое расстояние между инерционным телом 1 и статором 4.
При этом зона краевого эффекта отстоит от середины промежутка между двумя соседними секциями, расположенными по окружности на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1, на угол равный 3°. Пунктирными линиями на фиг.10 и фиг.11 обозначены зоны краевого эффекта при измерении углового перемещения (α°).
При построении диаграмм (см. фиг.10 и фиг.11) малую угловую ширину промежутка между двумя соседними секциями, расположенными рядом по окружности на стороне статора 4, обращенной к инерционному телу 1, не учитываем.
При равенстве емкостей, индуктивностей и электрических сопротивлений первого 6, второго 7 и третьего 8 (или четвертого 9, пятого 10 и шестого 11) колебательных контуров минимальные частоты резонансных колебаний указанных колебательных контуров будут равны между собой при вращении инерционного тела 1 относительно статора 4 (указанный режим работы может быть использован при настройке датчика). В случае необходимости, выравнивание постоянных составляющих емкостей указанных колебательных контуров может быть произведено путем изменения ширины соответствующих соединительных проводников.
Емкостный датчик для измерения параметров углового движения объектов и его элементы конструкции могут иметь следующие технические характеристики и параметры:
Точность измерения углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 4, угловая секунда
1
Быстродействие (количество отсчетов углового перемещения за время равное 1 секунде при вышеуказанной точности измерения)
>10000
Внешний диаметр диска инерционного тела 1, мм
5
Радиальная ширина секций шести электродов первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров, мм
0,1
Максимальна частота колебаний каждого из шести колебательных контуров, МГц
<2,5
Индуктивность каждого из шести колебательных контуров, мкГн
>1000
Минимальная добротность каждого из шести колебательных контуров
>100
Количество витков каждой из шести катушек индуктивности шести колебательных контуров
500
Внутренний диаметр шести катушек индуктивности шести колебательных контуров D (см. фиг.8), мм
4
Диаметр медного провода каждой из шести катушек индуктивности шести колебательных контуров, мм
0,05
Конкретный пример осуществления изобретения иллюстрируется при описании работы вышеуказанного устройства.
После включения питания от генератора измерительной схемы 5 на два электрода конденсатора подают напряжение переменного тока ультразвуковой частоты в диапазоне от 20 кГц и до 50 кГц. Вследствие этого под действием переменного электрического поля, образующегося между двумя обкладками конденсатора, в инерционном теле 1 (преимущественно в периферийной части инерционного тела 1) возбуждают механические колебания. При этом из параллельного канала вычислительного устройства измерительной схемы 5 на первый 89 вход первого 71 элемента И, первый 90 вход второго 72 элемента И, первый 91 вход третьего 73 элемента И, первый 92 вход четвертого 74 элемента И, первый 93 вход пятого 75 элемента И и первый 94 вход шестого 76 элемента И подают уровни логической единицы. Затем из параллельного канала вычислительного устройства на указанные входы шести элементов И подают единичные отрицательные импульсы (после предварительно поданных уровней логической единицы подают уровни логического нуля, а затем уровни логической единицы). С выходов первого 71, второго 72, третьего 73, четвертого 74, пятого 75 и шестого 76 элементов И отрицательные импульсы поступают соответственно на базы первого 77, второго 78, третьего 79, четвертого 80, пятого 81 и шестого 82 транзисторов и закрывают указанные транзисторы.
Вследствие этого в моменты изменения токов в шести катушках индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров наводятся ЭДС - электродвижущие силы индукции в шести колебательных контурах, в которых возникают резонансные колебания электромагнитного поля.
Возможно возбуждение резонансных колебаний электромагнитного поля в шести колебательных контурах по передним фронтам (после предварительно поданных уровней логического нуля подают уровни логической единицы) логических сигналов, поступающих из параллельного канала вычислительного устройства на шесть входов шести элементов И. В этом случае вышеуказанные отрицательные импульсы, поступающие из параллельного канала вычислительного устройства, не подаются.
Частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров измеряют путем снятия информации с шести катушек индуктивности считывания частоты резонансных колебаний шести колебательных контуров.
С выходов шести компараторов положительные сигналы прямоугольной формы поступают в вычислительное устройство измерительной схемы 5.
В дальнейшем с целью электромагнитной совместимости шести колебательных контуров между собой логические сигналы (импульсы) поступают на шесть входов шести элементов И из параллельного канала измерительной схемы 5 в соответствии с диаграммами, изображенными на фиг.12.
При этом последовательное во времени (t) изменение уровней логических сигналов на каждом из указанных входов происходит через нечетное число полупериодов, например, через пять полупериодов резонансных колебаний соответствующего колебательного контура (положительные импульсы частот резонансных колебаний соответствующих колебательных контуров дополнительно обозначены на фиг.12 пунктирными линиями). Вследствие этого частота логических импульсов, поступающих на каждый из указанных входов шести элементов И, снижается относительно частоты резонансных колебаний соответствующего колебательного контура (практически нет наведенных напряжений (токов) в остальных пяти колебательных контурах под действием ЭДС индукции от импульсов тока, протекающих через катушку индуктивности подкачки энергии соответствующего колебательного контура).
С выходов шести элементов И прямоугольные импульсы поступают на базы соответствующих шести транзисторов. При открывании указанных транзисторов через шесть катушек индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров протекают токи, при изменении которых в соответствующих шести колебательных контурах возникают ЭДС индукции.
При этом в соответствующий положительный полупериод колебаний в шесть колебательных контуров подкачка энергии происходит во время увеличения тока в соответствующих шести катушках индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров, а в соответствующий отрицательный полупериод колебаний подкачка энергии происходит во время уменьшения тока.
Так как передача энергии в шесть колебательных контуров происходит в моменты изменения токов в соответствующих шести катушках индуктивности подкачки энергии в шесть колебательных контуров (под действием ЭДС индукции в шести колебательных контурах наводятся токи согласные с направлением токов в указанных колебательных контурах). При этом количество энергии, запасенное в каждом из шести колебательных контуров, имеет малое значение (практически отсутствует влияние указанных колебательных контуров друг на друга (практически нет наведенных напряжений)).
Таким образом, в шести колебательных контурах возбуждают непрерывные незатухающие резонансные колебания электромагнитного поля с подкачкой энергии в определенные моменты времени, увеличивают в эти моменты амплитуду колебаний и определяют частоту резонансных колебаний шести колебательных контуров.
На фиг.10 и фиг.11 двойной штриховкой показаны зоны перекрытия диапазонов измерения первого 6, второго 7, третьего 8 и четвертого 9, пятого 10, шестого 11 колебательных контуров. Внутри зоны перекрытия диапазонов измерения, ширина которой составляет 1,5°, происходит переключение (передача измерения углового перемещения) от первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров к четвертому 9, пятому 10 и шестому 11 колебательным контурам, и наоборот.
Известно, что собственную частоту колебаний колебательного контура (см. кн. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1, т.2. - М: Наука, 1978, в описании указанная книга обозначена как литература {2}) определяют по формуле
, литература {2}, том 2, с.254,
0
где ω - собственная частота колебаний колебательного контура (круговая или циклическая частота);
L - индуктивность колебательного контура;
C - емкость колебательного контура.
Период колебаний колебательного контура равен
, литература {2}, том 1, с.193,
где π=3,14…
, литература {2}, том 1, с.193,
где f - частота колебаний.
С учетом активного (электрического) сопротивления частоту резонансных колебаний реального колебательного контура определяют по формуле
, литература {2}, том 2, с.255,
где ω - частота колебаний реального колебательного контура (круговая или циклическая частота);
R - активное (электрическое) сопротивление колебательного контура.
2
2
При 1/(L·С) намного больше R/(2·L), то есть при высокой добротности колебательного контура, можно положить
, литература {2}, том 2, с.257.
Период колебаний колебательного контура по формуле Томсона равен
, литература {2}, том 2, с.254.
В дальнейшем периоды колебаний первого 6, второго 7, третьего 8, четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров будем определять по формуле Томсона.
Период колебаний первого 6 колебательного контура равен
,
1
где L - индуктивность первого 6 колебательного контура;
01
C - постоянная составляющая емкости первого 6 колебательного контура;
1
C - суммарная емкость между секциями первого 18 электрода первого 6 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
4
C - суммарная емкость между секциями второго 19 электрода первого 6 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров.
Период колебаний второго 7 колебательного контура равен
,
2
где L - индуктивность второго 7 колебательного контура;
02
C - постоянная составляющая емкости второго 7 колебательного контура;
2
C - суммарная емкость между секциями первого 20 электрода второго 7 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
5
C - суммарная емкость между секциями второго 21 электрода второго 7 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров.
Период колебаний третьего 8 колебательного контура равен
,
3
где L - индуктивность третьего 8 колебательного контура;
03
C - постоянная составляющая емкости третьего 8 колебательного контура;
3
C - суммарная емкость между секциями первого 22 электрода третьего 8 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
6
C - суммарная емкость между секциями второго 23 электрода третьего 8 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров.
Первый 6, второй 7 и третий 8 колебательные контуры выполнены таким образом, что постоянные составляющие емкостей и индуктивности указанных колебательных контуров практически равны между собой
,
При угловом перемещении инерционного тела 1, относительно статора 4, выполняются следующие равенства
,
1M
где C - максимальная суммарная емкость между секциями первого 18 электрода первого 6 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
2M
C - максимальная суммарная емкость между секциями первого 20 электрода второго 7 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
3M
C - максимальная суммарная емкость между секциями первого 22 электрода третьего 8 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
4M
C - максимальная суммарная емкость между секциями второго 19 электрода первого 6 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
5M
C - максимальная суммарная емкость между секциями второго 21 электрода второго 7 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров;
6M
C - максимальная суммарная емкость между секциями второго 23 электрода третьего 8 колебательного контура и секциями общего электрода 30 первого 6, второго 7 и третьего 8 колебательных контуров.
Период колебаний четвертого 9 колебательного контура равен
,
4
где L - индуктивность четвертого 9 колебательного контура;
04
C - постоянная составляющая емкости четвертого 9 колебательного контура;
7
C - суммарная емкость между секциями первого 24 электрода четвертого 9 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого И колебательных контуров;
10
C - суммарная емкость между секциями второго 25 электрода четвертого 9 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров.
Период колебаний пятого 10 колебательного контура равен
,
5
где L - индуктивность пятого 10 колебательного контура;
05
C - постоянная составляющая емкости пятого 10 колебательного контура;
8
C - суммарная емкость между секциями первого 26 электрода пятого 10 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
11
C - суммарная емкость между секциями второго 27 электрода пятого 10 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров.
Период колебаний шестого 11 колебательного контура равен
,
6
где L - индуктивность шестого 11 колебательного контура;
06
C - постоянная составляющая емкости шестого 11 колебательного контура;
9
C - суммарная емкость между секциями первого 28 электрода шестого 11 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
12
C - суммарная емкость между секциями второго 29 электрода шестого 11 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров.
Четвертый 9, пятый 10 и шестой 11 колебательные контуры выполнены таким образом, что постоянные составляющие емкостей и индуктивности указанных колебательных контуров практически равны между собой
,
При угловом перемещении инерционного тела 1, относительно статора 4, выполняются следующие равенства
,
7M
где C - максимальная суммарная емкость между секциями первого 24 электрода четвертого 9 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
8M
C - максимальная суммарная емкость между секциями первого 26 электрода пятого 10 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
9M
C - максимальная суммарная емкость между секциями первого 28 электрода шестого 11 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
10M
C - максимальная суммарная емкость между секциями второго 25 электрода четвертого 9 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
11M
C - максимальная суммарная емкость между секциями второго 27 электрода пятого 10 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров;
12M
C - максимальная суммарная емкость между секциями второго 29 электрода шестого 11 колебательного контура и секциями общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров.
Введем следующие обозначения в равенства (10), (11), (12), (16), (17) и (18)
,
,
,
,
,
.
Радиальную ширину секций общего электрода 31 четвертого 9, пятого 10 и шестого 11 колебательных контуров выбирают таким образом, чтобы емкости, входящие в равенства (21) и (24), были близки между собой.
Формулы (7), (8) и (9) с учетом равенств (19), (20) и (21) в зависимости от величины углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 2 (см. фиг.10) можно представить в виде:
В диапазоне измерения от 0° и до 9°
,
,
.
В диапазоне измерения от 15° и до 24°
,
,
.
В диапазоне измерения от 30° и до 39°
,
,
.
Вычислительное устройство измерительной схемы 5, в зависимости от величины углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 4 (см. фиг.10), вычисляет следующие выражения: В диапазоне измерения от 0° и до 9°
.
В диапазоне измерения от 15° и до 24°
.
В диапазоне измерения от 30° и до 39°
.
Выражения (34), (35) и (36) являются мерой измерения углового перемещения в вышеуказанных диапазонах измерения и однозначно определяют угловое перемещение инерционного тела 1 относительно статора 4. Функциональную зависимость между угловым перемещением инерционного тела 1 относительно статора 4 и выражениями (34), (35) и (36) определяют предварительной градуировкой (калибровкой).
Вычислительное устройство измерительной схемы 5 производит вычисление выражений
,
или
через каждые 45 градусов углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 4 в соответствующем диапазоне измерения.
Формулы (13), (14) и (15) с учетом равенств (22), (23) и (24) в зависимости от величины углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 4 (см. фиг.11) можно представить в виде:
В диапазоне измерения от 7,5° и до 16,5°
,
,
.
В диапазоне измерения от 22,5° и до 31,5°
,
,
.
В диапазоне измерения от 37,5° и до 46,5°
,
,
.
Вычислительное устройство измерительной схемы 5, в зависимости от величины углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 4 (см. фиг.11), вычисляет следующие выражения:
В диапазоне измерения от 7,5° и до 16,5°
.
В диапазоне измерения от 22,5° и до 31,5°
.
В диапазоне измерения от 37,5° и до 46,5°
.
Выражения (49), (50) и (51) являются мерой измерения углового перемещения в вышеуказанных диапазонах измерения и однозначно определяют угловое перемещение инерционного тела 1 относительно статора 4 (корпуса 2). Функциональную зависимость между угловым перемещением инерционного тела 1 относительно статора 4 и выражениями (49), (50) и (51) определяют предварительной градуировкой.
Вычислительное устройство измерительной схемы 5 производит вычисление выражений
,
или
через каждые 45 градусов углового перемещения инерционного тела 1 относительно статора 4 в соответствующем диапазоне измерения.
Угловое перемещение, приращение угла поворота инерционного тела 1 относительно статора 4 является мерой измерения и однозначно определяет угловую скорость объекта в заданном временном интервале относительно псевдоинерциальной системы координат (см. литературу {1}, с.8, 131, 132). Функциональную зависимость между угловым перемещением, приращением угла поворота инерционного тела 1 относительно статора 4 (корпуса 2) и угловой скоростью объекта (однократным интегралом по времени от углового ускорения корпуса 2) в заданном временном интервале относительно псевдоинерциальной системы координат определяют предварительной градуировкой (калибровкой), которая может быть выполнена во всем рабочем диапазоне температур емкостного датчика для измерения параметров углового движения объектов (вязкость ультразвукового подвеса 38 зависит от температуры внешней среды).
Вычислительное устройство измерительной схемы 5 вычисляет угловые перемещение и ускорение объекта относительно псевдоинерциальной системы координат соответственно однократным интегрированием и однократным дифференцированием угловой скорости объекта относительно псевдоинерциальной системы координат.
При этом измерение угловых перемещения, скорости и ускорения контролируемого объекта происходит строго в плоскости и соосно диску статора (нет поперечной чувствительности).
Таким образом, в емкостном датчике для измерения параметров углового движения объектов происходит уменьшение влияния на результат измерения угловых перемещения, скорости и ускорения объекта относительно псевдоинерциальной системы координат изменений частоты задающего генератора (например, от температуры) вычислительного устройства измерительной схемы 5, температуры внешней среды, осевого расстояния между обращенными друг к другу поверхностями (плоскостями) инерционного тела 1 и статора 4, а также непараллельности плоскостей и несоосности инерционного тела 1 и статора 4, что повышает точность измерения.
При этом в емкостном датчике для измерения параметров углового движения объектов полностью отсутствует сухое трение между инерционным телом 1 и другими частями (элементами) указанного датчика, что также повышает точность измерения.
Например, при температурном расширении проводников первого 6, второго 7 и третьего 8 (или четвертого 9, пятого 10 и шестого 11) колебательных контуров вследствие изменения температуры внешней среды, происходит изменение практически пропорционально постоянных составляющих емкостей и практически пропорционально суммарных емкостей между секциями электродов указанных колебательных контуров. Вследствие этого происходит уменьшение влияния на результат измерения угловых перемещения, скорости и ускорения объекта относительно псевдоинерциальной системы координат температурного расширения проводников первого 6, второго 7 и третьего 8 (или четвертого 9, пятого 10 и шестого 11) колебательных контуров.
Промышленная применимость
Предлагаемый способ измерения параметров углового движения объектов найдет широкое применение в устройствах измерительной техники, специалистам будут очевидны и другие частные случаи автоматизации измерения угловых перемещений, скоростей и ускорений. Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.