ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области авиационно-космического приборостроения и может быть использована в пилотажных системах управления для определения параметров пространственной ориентации летательного аппарата, в том числе, тангажа и крена.
Известно наиболее близкое техническое решение измерителя угловых положений объекта, выбранное в качестве прототипа (журнале «Датчики и системы», №8 за 2013 год, стр. 16-20), которое содержит два трехосевых микромеханических акселерометра, которые установлены на противоположных поверхностях печатной платы друг под другом таким образом, что их одноименные оси чувствительности X1, X2 и Y1, Y2 направлены горизонтально и перпендикулярно соответственно, а разноименные оси чувствительности X1, Y2 и X2, Y1 направлены в противоположные стороны, при этом вертикальные оси Z1 и Z2 чувствительности этих акселерометров совпадают.
Недостатки прототипа: снижена надежность устройства, т.к. акселерометры установлены непосредственно на печатную плату, которая при больших нагрузках может прогибаться в зоне установки акселерометров, поэтому при воздействии на устройство внешних вибраций показания упомянутых акселерометров могут искажаться.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности устройства.
Заявленный технический результат достигается тем, измеритель угловых положений объекта содержит два трехосевых микромеханических акселерометра, установленных на противоположных поверхностях, по меньшей мере, одной печатной платы друг под другом таким образом, что их одноименные оси чувствительности X1, X2 и Y1, Y2 направлены горизонтально и перпендикулярно соответственно, а разноименные оси чувствительности X1, Y2 и X2, Y1 направлены в противоположные стороны, при этом вертикальные оси чувствительности 21 и 22 совпадают, согласно полезной модели, по меньшей мере, одна печатная плата выполнена многослойной с окнами и контактными площадками для трехосевых микромеханических акселерометров и теплонагруженных элементов, содержит металлический слой в виде основания с выступами и расположенными на них базовыми поверхностями, на которых установлены трехосевые микромеханические акселерометры и теплонагруженные элементы, контур основания выполнен с ребрами.
Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются выполнение, по меньшей мере, одной печатной платы многослойной и с расположенными в ней с окнами, а также расположенными на ней контактными площадками для контактов с трехосевыми микромеханическими акселерометрами и теплонагруженными элементами, по меньшей мере, одна печатная плата содержит металлический слой в виде основания с выступами и расположенными на выступах базовыми поверхностями, на которых установлены трехосевые микромеханические акселерометры и теплонагруженные элементы, контур основания выполнен с ребрами.
Указанные отличительные признаки позволяют устройству выдерживать высокие перегрузки в процессе работы, а, следовательно, обеспечивают повышенную надежность устройства по сравнению с известным измерителем.
Сущность полезной модели, ее реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами на Фиг. 1-5.
На Фиг. 1 представлено расположение акселерометров в измерителе угловых положений объекта (в аксонометрической проекции).
На Фиг. 2 представлен вид сверху измерителя угловых положений объекта.
На Фиг. 3 представлен измеритель угловых положений объекта разобранном состоянии (в аксонометрической проекции).
На Фиг. 4 представлено продольное сечение измерителя угловых положений объекта.
На Фиг. 5 представлен измеритель угловых положений объекта в сборе (в аксонометрической проекции).
Заявляемое техническое решение содержит следующие обозначения:
1 - первый трехосевой микромеханический акселерометр;
2 - второй трехосевой микромеханический акселерометр;
3 - печатная плата;
4 - печатная плата;
5 - основание;
6 - выступы основания;
7 - базовые поверхности;
8 - слой из диэлектрического материала;
9 - окна;
10 - теплонагруженные элементы;
11 - контактные площадки;
12 - проводники;
13 - ребра основания;
14 - внешняя поверхность ребер основания;
15 - усилитель ОУ-1;
16 - буферный операционный усилитель ОУ-2;
17 - буферный операционный усилитель ОУ-3;
18 - буферный операционный усилитель ОУ-4;
19 - высокоомные выходы X1;
20 - высокоомные выходы X2;
21 - высокоомные выходы Y1;
22 - высокоомные выходы Y2;
23 - входы дифференциальных усилителей разности напряжений;
24 - входы дифференциальных усилителей разности напряжений;
25 - аналого-цифровой преобразователь;
26 - аналого-цифровой преобразователь;
27 - микроконтроллер.
Измеритель угловых положений содержит два трехосевых микромеханических акселерометра: первый трехосевой микромеханический акселерометр 1 (Фиг. 1-5) и второй трехосевой микромеханический акселерометр 2, оба например, типа ADXL203, которые установлены на противоположных поверхностях печатных плат 3, 4 друг под другом таким образом, что их одноименные оси чувствительности X1, X2 направлены горизонтально, а оси чувствительности Y1, Y2 - перпендикулярно осям X1, X2. Разноименные оси чувствительности упомянутых акселерометров X1, Y2 и X2, Y1 направлены в противоположные стороны, при этом их вертикальные оси чувствительности 21 и 22 совпадают. В этом случае полезные выходные сигналы ΔX1, ΔX2 и соответственно ,  имеют противоположную полярность. Каждая из печатных плат 3, 4, имеющая многослойную конструкцию, приклеена к основанию 5, например, клеем ВК-9. Основание 5 выполнено из Дюрали Д16 и имеет выступы 6, на которых расположены базовые поверхности 7. С обеих сторон основания 5 расположены слои 8 из диэлектрического материала, которые могут быть выполнены, например, из стеклотекстолита марки FR-4 Duravel E-Cu Qualitaet ML 35/35 10 мкм. В слоях 8 из диэлектрического материала выполнены окна 9, в которые входят выступы 6 основания 5. На выступах 6 основания 5 расположены базовые поверхности 7. Трехосевые микромеханические акселерометры 1, 2 и теплонагруженные элементы 10 расположены на базовых поверхностях 7 основания 5. Контакты двух трехосевых микромеханических акселерометров 1, 2 и теплонагруженных элементов 10 (например, микропроцессоров) расположены на контактных площадках 11 печатных плат 3, 4. На поверхностях слоев 8 из диэлектрического материала расположены проводники 12. Контур основания 5 по периметру выполнен с ребрами 13, предназначенными для увеличения жесткости устройства и осуществления отвода тепла от печатных плат 3, 4. Внешняя поверхность 14 ребер 13 может сопрягаться с радиаторными или охлаждающими устройствами (на фиг. не показаны).
На печатных платах 3, 4 размещены буферные операционные усилители (ОУ), например (ОУ1) 15 и (ОУ2) 16, (ОУЗ) 17, (ОУ4) 18, к входам которых подключены высокоомные выходы (X1) 19, (X2) 20 и (Y1) 21, (Y2) 22 трехосевых микромеханических акселерометров 1, 2.
Низкоомные выходы X1∗, Y2∗ усилителей (ОУ1) 15 и (ОУ4) 18 подключены к входам дифференциального усилителя разности напряжений (ДУ1) 23. Низкоомные выходы X2∗ и Y1∗ операционных буферных усилителей (ОУ2) 16 и (ОУЗ) 17 подключены к входам дифференциальных усилителей разности напряжений (ДУ2) 24. Сигналы с выходов дифференциальных усилителей (ДУ1) 23 и (ДУ2) 24 подаются к соответствующим аналого-цифровым преобразователям (АЦП1) 25 и (АЦП2) 26 микроконтроллера (МК) 27.
Слои 8 из диэлектрического материала выполнены из стеклотекстолита, что увеличивает надежность устройств, что достигается за счет того, что проводники 12 контактных площадок 11 диэлектрически разделены от металлического основания 5.
Наличие слоя из диэлектрического материала, выполненного из керамики, позволяет устройству увеличить теплопроводность, следовательно, увеличить надежность измерителя в целом.
Наличие слоя из диэлектрического материала, выполненного из стекла, позволяет устройству повысить технологичность, а, следовательно, и надежность измерителя в целом.
Устройство работает следующим образом. Выходные сигналы трехосевых микромеханических акселерометров в виде напряжения соответствует по величине ускорения по его оси чувствительности. При изменении углового положения устройства акселерометры выдают сигналы, пропорциональные проекции силы тяжести на их оси чувствительности. При отклонении осей чувствительности от горизонтали начальное выходное напряжение в зависимости от угла наклона устройства изменяется на определенную величину. Так как акселерометры реагирует на проекцию вектора силы тяжести, то выходные сигналы соответствуют не углу, а синусу угла наклона устройства. При изменении больших углов наклона необходим перерасчет ускорения в величину угла наклона, т.е. необходимо вычисление арксинуса полученного сигнала. Для одновременного измерения тангажа и крена устройства используются два трехосевых акселерометра, которые установлены друг под другом на базовых поверхностях основания. Так как их одноименные оси чувствительности X1, X2 и Y1, Y2 направлены в противоположные стороны, а вертикальные оси чувствительности 21, 22 совпадают, то полезные выходные сигналы имеют противоположную полярность.
Благодаря выполнению устройства многослойным, т.е. выполнению, по меньшей мере, одной печатной платы многослойной с окнами и с расположенными на ней контактными площадками для трехосевых микромеханических акселерометров и теплонагруженных элементов, а также благодаря тому, что, по меньшей мере, одна печатная плата имеет металлический слой в виде основания с выступами и расположенными на них базовыми поверхностями, на базовых поверхностях установлены трехосевые микромеханические акселерометры и теплонагруженные элементы, при этом контур основания выполнен с ребрами, повышается точность измерения тангажа и крена измеряемого объекта, что достигается за счет отсутствия прогиба базовых поверхностей в местах установки микромеханических акселерометров, таким образом, повышается надежность предложенного измерителя. Наличие на контуре основания ребер, способствующих отдаче тепла от теплонагруженных элементов во внешнюю среду, увеличивает надежность устройства при возникающих вибрациях.
В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемой полезной модели. Заявляемая полезная модель технически осуществима, промышленно реализуема на приборостроительном предприятии, проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата - повышение надежности устройства, поэтому она соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».