ДАТЧИК КРЕНА И ТАНГАЖА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения пространственного положения объектов относительно горизонта, и может быть использована в системах стабилизации, наведения и управления, работающих на различных подвижных объектах.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является гироскопический датчик крена [1], представляющий собой трехстепенной астатический гироскоп с вертикальным расположением оси кинетического момента и устройством горизонтальной коррекции, содержащий гиромотор в кардановом подвесе, жидкостные маятниковые датчики типа ДЖМ-9Б, коррекционные двигатели, гасящие регулировочные резисторы, программируемые таймеры, исполнительные реле. Жидкостные маятниковые датчики (далее - ДЖМ) являются чувствительными элементами отклонения оси кинетического момента Н (оси гиромотора) от вертикали места. Исполнительными элементами системы являются коррекционные двигатели, представляющие собой двухфазные двигатели переменного тока, обмотки возбуждения которых подключены параллельно фазам питания гиромотора, а обмотки управления соединены с соответствующими контактами ДЖМ.
Недостатками известного датчика крена являются:
- большое время готовности к работе, что связано со временем разгона гиромотора до номинальной частоты вращения;
- невысокая надежность и ресурс, а также ограниченная вибрационная и ударная устойчивость за счет наличия большого количества механических соединений, присущих механическим гироскопам;
- ограниченный диапазон измерения углов.
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение технических и эксплуатационных характеристик: расширение диапазона измерения углов, уменьшение весогабаритных параметров, повышение надежности, уменьшение время готовности.
Предложен датчик крена и тангажа (далее - ДКТ), содержащий установленные в корпусе, закрытом крышкой, гироскопический датчик и систему обработки сигнала. Новым является, что в качестве гироскопического датчика применены два дискретных микромеханических комбинированных датчика, установленные соосно осям крена и тангажа соответственно, система обработки сигнала включает два блока температурной компенсации и фильтрации и блок коммутации и анализа, при этом выходы дискретных микромеханических комбинированных датчиков подключены к блокам температурной компенсации и фильтрации, выходы которых соединены с соответствующими входами блока коммутации и анализа.
В качестве дискретных микромеханических комбинированных датчиков применены микросхемы CMS390 фирмы SILICON SENSING.
Конструктивно ДКТ состоит из корпуса с крышкой и платы, на которой находятся два независимых канала измерения угла, построенных с применением двух дискретных малогабаритных микромеханических комбинированных датчиков.
Структура каждого канала показа на чертеже (фигура).
Каждый канал содержит малогабаритный микромеханический комбинированный датчик, состоящий из датчика угловой скорости (далее - ДУС) 2, выход которого соединен с входом системы температурной компенсации и фильтрации сигнала ДУС, состоящей из блока температурной компенсации 4 сигнала ДУС и блока фильтрации 6 сигнала ДУС, и акселерометра 1, выход которого соединен со входом системы температурной компенсации и фильтрации сигнала акселерометра, состоящей из блока температурной компенсации 3 сигнала акселерометра и блока фильтрации 5 сигнала акселерометра, системы коммутации и анализа, состоящей из блока дифференцирования 7 сигнала акселерометра, блока разностного сигнала 8 и блока коммутации 9, вход блока дифференцирования 7 сигнала акселерометра связан с выходом блока фильтрации 5 сигнала акселерометра, первый вход блока анализа разностного сигнала 8 связан с выходом блока дифференцирования 7 сигнала акселерометра, второй вход блока анализа разностного сигнала 8 связан с выходом блока фильтрации 6 сигнала ДУС, первый вход блока коммутации 9 связан с выходом блока фильтрации 5 сигнала акселерометра, второй вход блока коммутации 9 связан с выходом блока анализа разностного сигнала 8, третий вход блока коммутации 9 связан с выходом блока фильтрации 6 сигнала ДУС, блок фильтрации 10, вход которого связан с выходом блока коммутации 9, а с выхода блока фильтрации 10 снимается выходной сигнал, соответствующий углу наклона.
Определение угла наклона основания корпуса относительно горизонта по оси крена и тангажа производиться с помощью обработки сигналов акселерометра 1 и датчика угловой скорости ДУС 2 на базе МЭМС.
В процессе настройки сигналы акселерометра 1 и ДУС 2 подвергаются температурной калибровке для устранения значительных отклонений во всем диапазоне рабочих температур в блоке температурной компенсации 3 сигнала акселерометра и блоке температурной компенсации 4 сигнала ДУС. Также производится калибровка крутизны сигналов акселерометра для достижения необходимой точности.
Фильтры низкой частоты в блоке фильтрации 5 сигнала акселерометра и блоке фильтрации 6 сигнала ДУС устраняют высокочастотные шумы и уменьшают уровень помех в сигналах акселерометра и ДУС, используемых в дальнейших расчетах.
Для определения выходного значения используется комбинированный сигнал из пересчитанного в угол сигнала акселерометра и проинтегрированного сигнала ДУС. Акселерометр, кроме полезного воздействия ускорения свободного падения, воспринимает и паразитные ускорения, вызванные линейными перемещениями вдоль измерительной оси. Поэтому при возникновении значительных паразитных возмущений в сигнале акселерометра производится фиксация определяемого по нему угла, и в расчет принимается изменение наклона, определяемое как интеграл сигнала ДУС, который не чувствителен к линейным ускорениям. При уменьшении паразитных возмущений в сигнале акселерометра производится переключение на определяемый по нему угол без учета интегральной составляющей. Переход между двумя состояниями осуществляется блоком коммутации 9 по результатам работы блока анализа разностного сигнала 8, пороги и временные задержки переходов могут подстраиваться под необходимые условия применения. Для сглаживания переходных процессов выходной сигнал пропускается через дополнительный фильтр низкой частоты в блоке фильтрации 10.
Таким образом, построение ДКТ по данной схеме позволило улучшить его технические и эксплуатационные характеристики: значительно расширить диапазон измерения углов, уменьшить весогабаритные параметры, повысить надежность конструкции, уменьшить время готовности к работе, исключить необходимость наличия специального трехфазного напряжения 36 В 400 Гц, повысить инвариантность конструкции ДКТ к внешним ускорениям, устойчивости к воздействию ударов одиночного действия; обеспечить выдачу ДКТ цифрового значения углов наклона по цифровому каналу информационного обмена.
Использованные источники информации:
1. Патент RU №2264597 С2, G01С 19/44, опуб. 20.11.2005 г (прототип).