ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ
METER OF ANGULAR POSITION OF ITEM

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 Δα=±0,01°).
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является микромеханический двухосевой инклинометр, предназначенный для измерения углов α и β 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:
x
0x
x
U=U+K·g·sinα;
y
0y
y
U=U+K·g·sinβ,
0x
0y
x
y
где U, U - нулевые сигналы акселерометров; K, K - масштабные коэффициенты; g - ускорение; α и β - 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.
1
2
1
2
1
2
1
2
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>y</mi><mn>2</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>2</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>y</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
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 x, х, y, y акселерометров, низкоомные выходы
и
буферных операционных усилителей 3 и 6 подключены к входам дифференциального усилителя разности напряжений 7, а низкоомные выходы
,
буферных операционных усилителей 4 и 5 подключены к входам дифференциального усилителя 8. Таким образом, разноименные выходы x, х, y, y 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:
x1
0x1
x1
U=U+K·g·sinα;
y1
0y1
y1
U=U+K·g·sinβ;
- для акселерометра 2:
x2
0x2
x2
U=U+K·g·sinβ;
y2
0y2
y2
U=U+K·g·sinα,
0x1
0x2
0y1
0y2
x1
x2
y1
y2
где U, U, U, U - нулевые сигналы акселерометров; K, K, K, K - 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:
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>0</mn><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>α</mi></mrow>
;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi></mrow>
;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mn>0</mn><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi></mrow>
;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>α</mi></mrow>
.
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mn>1</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mn>2</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mn>2</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>y</mi><mn>1</mn></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow>
0x1
0y2
0x2
0y1
x1
y2
x2
y1
В результате преобразования и суммирования сигналов
,
в дифференциальном усилителе разности напряжений 7 и сигналов
,
в дифференциальном усилителе разности напряжений 8 компенсируются начальные сигналы акселерометров U, U в дифференциальном усилителе 7 и начальные сигналы акселерометров U, U в дифференциальном усилителе 8, существенно зависящие от изменения температуры окружающей среды, и удваиваются полезные сигналы акселерометров: |ΔU|+|ΔU| и |ΔU|+|ΔU|.
0x1
0y2
0x2
0y1
x1
y2
α
x2
y1
x1
y2
α
x2
y1
β
При условии U=U; U=U; |ΔU|=|ΔU|=ΔU; |ΔU|=|ΔU|=ΔUβ; K=K=K; K=K=K, на выходах дифференциальных усилителей разности напряжений 7 и 8 сформируются соответственно сигналы:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mn>2</mn><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mi>α</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>α</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>≤</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mn>2</mn><mi>Δ</mi><msub><mi>U</mi><mi>β</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mi>β</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mi>β</mi><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
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 α и β 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 ≤±25″ (угловых секунд) или ±0,07° (угловых градусов). Габариты измерителя 20 мм ×30 мм×6 мм.