ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения углового положения элементов конструкции машин и устройств, в том числе медицинской техники.
Сущность предлагаемого решения состоит в том, что для определения абсолютного углового положения вращающихся элементов конструкции используется устройство, включающее в себя акселерометрические микромеханические датчики, установленные как на неподвижной части устройства (корпусе), так и на вращающейся (валу).
В технике известны способы и устройства измерения угловой ориентации вращающихся объектов, основанные, в частности, на использовании акселерометров и инклинометров, регистрирующих отклонение вектора силы тяжести. Так, известен способ определения угловой ориентации объекта [Пат. 2414685 Российская Федерация, МПК G01C 21/10 (2006.01). Способ определения угловой ориентации объекта /Богданов М.Б., Прохорцов А.В., Савельев В.В., Власов А.Ю., Данилов М.Б.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» - №2010107038/28, заяв. 25.02.2010; опубл. 20.03.2011, Бюл. №8], реализующий определение угловой ориентации объекта, используя данные GPS-приемника, а также блока из трех акселерометров, измерительные оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с осями связанной с объектом системы координат. Параметры ориентации объекта определяются решением матричного уравнения из данных от акселерометров и информации об угле курса, полученного от GPS-приемника.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, принятым за прототип, является измеритель углового положения изделия [Пат. 2491507 Российская Федерация, МПК G01C 21/10 (2006.01). Измеритель углового положения изделия /Блокин-Мечталин Ю.К., Судаков В.А., Заливако В.Ю., Малютин В.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» - №2011153917/28, заяв. 29.12.2011; опубл. 27.08.2013, Бюл. №24], содержащий аналого-цифровые преобразователи, микроконтроллер и двухосевые микромеханические акселерометры, установленные так, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные направления, при этом разноименные выходы акселерометров подключены к дифференциальным входам усилителей через буферные операционные усилители.
Прототип обладает следующими недостатками:
- возможность определения углового положения только в статическом состоянии (не во время вращения).
Техническим результатом является возможность измерения углового положения вращающихся элементов конструкции не только в статическом состоянии, но и во время вращения или линейного перемещения.
Технический результат достигается за счет того, что устройство измерения углового положения объекта, состоящее из корпуса 1 (фигура 1), вала 2 (фигура 1), опорных подшипников 3 и 4 (фигура 1), монтажной платы 5 (фигура 1), закрепленной на валу с двумя микроэлектромеханическими акселерометрами 6 и 7 (фигура 1), второй монтажной монтажной платы 8 (фигура 1) с закрепленными на ней акселерометром 9 (фигура 1) и микроконтроллера 10 (фигура 1), отличается от устройства принятого за прототип тем, что используются интегральные трехосевые акселерометры,, два из которых установлены на монтажной плате, жестко закрепленной на валу устройства так, что они находятся на равном удалении от оси вращения, угол между их центрами составляет 180 градусов, оси чувствительности в плоскости монтажной платы разнонаправлены, а оси чувствительности перпендикулярные монтажной плате - сонаправлены (фигура 2).
Благодаря указанным отличительным признакам достигается следующий технический результат - возможность определения углового положения объекта, закрепленного на валу или связанного с валом устройства во время вращения и во время линейного перемещения конструкций, на которых закреплено устройство измерения углового положения.
a
Расположение двух акселерометров на монтажной плате, закрепленной на валу устройства, показанное на фигуре 2, позволяет исключить влияние на результат измерения центростремительного ускорения, в том случае, если измерение производится во время вращения вала устройства. Так, при вращении вала 2 (фигура 1) и платы 5 (фигура 1), закрепленной на нем, акселерометры 11 и 12 будут испытывать ускорения, как показано на фигуре 2, при этом центростремительное ускорение  направлено в сторону оси вращения, а ускорение g направлено вертикально вниз. Тогда проекции ускорений на оси X обоих склерометров можно записать следующим образом:
1
Х=g-а
2
Х=-g-а
1
2
где X - сумма проекций ускорений на ось X акселерометра 12, Х - сумма проекций ускорений на ось X акселерометра 11. Решив данную систему уравнений относительно ускорения g получим:
x
y
z
В общем случае, для определения вектора ускорения свободного падения необходимо использовать проекции ускорений по всем трем осям чувствительности обоих акселерометров. Если принять некоторые величины R, R и R как:
то для определения углового положения объекта может быть использована математическая зависимость:
x1
у1
z1
где A, А, A - ускорения акселерометра 9 (фигура 1), установленного на монтажной плате, закрепленной на корпусе устройства неподвижно.
Описанная математическая зависимость реализована в виде алгоритма в программе микроконтроллера 10 (фигура 1).
Учитывая, что все акселерометры находятся при одинаковых внешних условиях и испытывают на себе одинаковые значения ускорений, как линейных, вызванных перемещением всей конструкции, так и ускорение свободного падения, то единственные отличия показаний акселерометров будут вызваны смещением осей их чувствительности относительно друг друга. Таким образом, используя разности проекций вектора ускорения свободного падения на каждые из одноименных осей обоих акселерометров, может быть определен угол поворота подвижной платы 5, закрепленной на валу 2 относительно неподвижной платы, 8 закрепленной на корпусе устройства 1.