ДАТЧИК УГЛА

Полезная модель относится к измерению угловых положений валов, роторов и т.д. и может быть использована в авиации для измерения положения самолета в пространстве: по крену, тангажу и курсу, также может быть использовано для измерения положения антенных колонок РЛС, любых угловых перемещений с высокой точностью при высокой угловой скорости перемещения. Дополнительно его можно использовать для измерения угловой скорости.
Известны потенциометрические датчики угла применяемые в центральных гировертикалях, например, ЦГВ-10, которые устанавливаются на самолетах типа ИЛ-62, Ил-76, см. «Центральные гировертикали», М, «Машиностроение», 1970 г, также «Потенциометры» А.Т.Белевцев, Оборонгиз,, 1962 г. Эти датчики устроены следующим образом. Круговой проволочный потенциометр запитан с двух сторон плюсовым и минусовым относительно нуля вольт напряжениями. Внутри потенциометра установлен скользящий контакт (ламель) таким образом, что при нулевом положении угла на ламели напряжение также равно нулю, а при отклонении самолета (например, по крену) ламель двигается по виткам потенциометра и напряжение на ней будет отлично от нуля и пропорционально углу отклонения (поворота), а знак напряжения показывает направление отклонения.
При кажущейся простоте потенциометрические датчики обладают следующими основными недостатками:
- невысокая точность, не лучше 1° (определяется ⌀ провода, количеством витков и площадкой ламели);
- низкая механическая устойчивость к износу (ламель и провода потенциометра быстро истираются), что приводит к нарушению контактирования;
- довольно большие габаритно-массовые характеристики (ГМХ);
- высокие механо-химические требования (часто противоречивые) к проводам и ламели (износоустойчивость и надежное контактирование, химическая стойкость и влагостойкость и пр.)
Общеизвестны датчики угла на основе синус-косинусных вращающихся трансформаторов (СКВТ), в которых используются две обмотки (синусная и косинусная), взаимные напряжения которых пропорциональны углу поворота и описываются следующим математическим выражением:
отсюда α=arctg
отсюда α=arcrcc
где: Usin и Ucos огибающие напряжения синусной и косинусной обмоток соответственно (с учетом знака).
СКВТ обладают следующими недостатками:
- ограниченная точность выдачи углов (не лучше нескольких минут);
- наличие паразитной квадратурной составляющей из шумов, что в принципе не дает возможности повысить точность;
- СКВТ это аналоговые датчики, следовательно для ввода информации в ЭВМ требуются преобразователи угол-код, что требует аппаратурных затрат и не малых.
Известны также оптические датчики угла, см. «Теоретические основы радиолокации», под. Ред. В.Е.Дулевич, М, Сов. Радио, 1978, стр.392-395 - ПРОТОТИП.
Эти датчики устроены следующим образом. На диске из прозрачного материала, жестко закрепленном на валу антенны, фотоспособом наносится кодовая комбинация прозрачных и непрозрачных участков. По одну сторону диска располагается протяженный импульсный источник света, а по другую - экран с узкой щелью, против которой располагаются миниатюрные фотодетекторы, число которых равно числу разрядов кода (колец). Угловая протяженность ячейки вт кольце младшего разряда определяет цену единицы угла и точность отсчета.
Фотодетекторы оптически изолированы друг от друга. В момент прихода команды «съем» загорается источник света и на выходе освещенных фотодетекторов, появляются импульсы тока (единицы). Сочетание нулей и единиц по разрядам и является двоичным кодом угла в момент съема.
Для исключения больших ошибок считывания, которые возникают, когда против щели располагается граница двух чисел, на диске наносятся специальные двоичные коды (циклический код, V-код). Считанное число переводится в нормальный двоичный код преобразователем кода, стоящем на выходе схемы.
Позиционные преобразователи предельно просты по устройству и компактны, однако очень сложна технология изготовления быстродействующих импульсных ламп и миниатюрных фотодетекторов с большой отдачей.
Кроме того со временем диск тускнеет, а в условиях запыленности также теряет прозрачность, что приводит к большим погрешностям.
Технической задачей является оптимизация характеристик датчика угла, а именно получение высокой точности (малой погрешности) выдачи значения угла в условиях дестабилизирующих факторов.
С этой целью предлагается датчик угла, содержащий измеряемый вал и измерительное устройство, отличающийся тем, что последнее выполнено в виде двух каналов грубого и точного отсчета, причем пятиразрядный диск грубого отсчета посажен непосредственно на вал и связан с семиразрядным диском точного отсчета трехступенчатой зубчатой передачей с передаточным отношением 32, при этом точность измерения углового положения вала равна 0,04°; зубчатая передача сделана люфтовыбирающей; при применении восьмиразрядного диска точного отсчета и с общим передаточным отношением 64, точность измерения углового положения вала равна 0,01°; диск грубого отсчета выполнен из диэлектрического материала с нанесенными на нем пятью дорожками из магнитного материала, причем внутренняя дорожка имеет два равных деления по окружности, одно из которых проводящее, следующая дорожка имеет четыре равных деления - два из которых проводящие и т.д. до пятой, которая содержит 32 деления,
16 из которых проводящие; диск точного отсчета содержит семь дорожек, выполненных также по п.4, начиная с двух равных делений внутренней дорожки; взаимное расположение всех дорожек дисков грубого и точного отсчетов образуют двоичный код Грея.
1
2
3
4
5
6
На фиг.1 показана кинематическая схема датчика угла, на фиг.2 - конструкция дисков грубого отсчета (ГО) и точного отсчета (ТО) каналов, на которых изображено: ГО - канал грубого отсчета; ТО - канал точного отсчета; 1 - вал; 2 - пятиразрядный диск ГО; 3 - семиразрядный диск ТО; Z-Z, Z-Z, Z-Z - трех-ступенчатая зубчатая передача; 4 и 5 - непроводящая и проводящая части внутренней дорожки канала ТО соответственно; 6 - проводящая часть внутренней дорожки канала ГО; 8 - проводящие части внешней дорожки канала ГО, 9 и 10 - магнитотранзисторы грубого и точного каналов соответственно.
1
2
3
4
5
6
Кинематическая схема фиг.1 содержит два канала отсчета: грубый (ГО) и точный (ТО). В показанном варианте пятиразрядный диск 2 грубого отсчета устанавливается непосредственно на вал 1. Семиразрядный диск 3 точного отсчета связан с диском 2 ГО трехступенчатой зубчатой передачей, состоящей из колес Z-Z, Z-Z, Z-Z.
Конструкция диска 2 ГО содержит: пять дорожек, причем внутренняя дорожка 7 разделена на два равных деления (одно проводящее, другое нет), следующая дорожка разделена на четыре равных деления (два проводящих и два нет) и т.д. вплоть до внешней дорожки, на фиг.2 показаны два проводящих деления 8.
Конструкция диска 3 ТО содержит семь дорожек, выполненных по этому же принципу.
С внешней стороны дисков 2 и 3, где расположены дорожки, на расстоянии 1-2 мм от плоскости дисков закреплен ряд магнитотранзисторов 9 и 10 соответственно, причем против каждой дорожки свой магнитотранзистор, следовательно в канале ГО находится пять магнитотранзисторов, в канале ТО - семь.
Работа датчика угла происходит следующим образом. Устройство предназначено для точного определения углового положения вала. Для этой цели используется
1
2
3
4
5
6
2-1
4-3
6-5
два канала отсчета: грубый отсчет (ГО) и точный отсчет (ТО). В предлагаемом варианте пятиразрядный диск 2 ГО устанавливается непосредственно на вал 1, угловые координаты которого необходимо определять. Семиразрядный диск 5 ТО связан с диском 2 ГО трехступенчатой зубчатой передачей, состоящей из колес Z-Z, Z-Z, Z-Z. Общее передаточное отношение трехступенчатой передачи равно 32 и может быть распределено по ступеням следующим образом: i=4, i=3,2, i=2,5. Для устранения статического мертвого хода зубчатая передача должна быть люфтовыбирающей. Кинематическая погрешность передачи, приведенная к диску 3 ТО, не должна превышать половины цены деления младшего разряда диска 3 ТО, в данном примере допустимая погрешность зубчатой передачи в угловых величинах составляет 360°/(128*2)=1,4°. Точность отсчета углового положения вала равна 0,04°.
Если применить восьмиразрядный диск ТО (число делений на дорожке младшего разряда равно 256), то при условии изготовления зубчатых колес высокой точности можно обеспечить точность отсчета углового положения вала равной 0,7°/64=0,01°. Здесь 64 - общее передаточное отношение зубчатой передачи.
При повороте вала 1 начинают вращаться диски 2 ГО и 3 ТО. При прохождении проводящей части дорожки (рассмотрим на примере одной дорожки) напротив своего магнитотранзистора последний включается, что соответствует лог.1 По окончании проводящей части магнитотранзистор выключается. Т.о. за один оборот диска 2 и 3 магнитотранзистор внутренней дорожки включается и выключается один раз, следующей дорожки - два раза, еще следующей четыре раза и т.д.
Объединив выходы всех магнитотранзисторов через лог.ИЛИ получим код Грея.
Код Грея: числовой код, построенный т.о., что при переходе от одного числа к следующему изменяется всегда только один двоичный разряд, см. таблицу.
Таблица
Десятичный код
Двоичный код
Код Грея
0
0
0
1
1
1
2
10
11
3
11
10
4
100
110
5
101
111
6
110
101
7
111
100
8
1000
1100
9
1001
1101
10
1010
1111
11
1011
1110
12
1100
1010
13
1101
1011
14
1110
1001
15
1111
1000
Код Грея не позволяет выполнять арифметические операции, следовательно нужно его преобразовывать в двоичный код. Преобразование кода Грея в двоичный код это тривиальная задача и для его преобразования существуют специальные серийные микросхемы.