RU2065572C1

RU2065572C1 - Device determining inclination angle of mobile object

Info

Publication number: RU2065572C1
Application number: RU93002635A
Authority: RU
Inventors: В.В. Щербаков; А.Г. Прихода
Original assignee: Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья
Priority date: 1993-01-13
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1996-08-20

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: transducer of inclination angle of mobile object includes converter, case, damping fluid, measurement pendulum with weight and counterbalance. Counter balance manufacture in the form of balance float which mass equals that of weight. Weight and float are placed in symmetry with reference to rotary axle of device. Case is filled with damping fluid up to level exceeding height of measurement pendulum. EFFECT: improved accuracy and reliability of device. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам для определения угла наклона подвижных объектов. The invention relates to instrumentation, in particular to devices for determining the angle of inclination of moving objects.

Известен датчик угла наклона подвижного объекта, включающий корпус с частично наполненной жидкостью камерой, внутри индикатора установлен потенциометр, включенный в соответствующую электрическую цепь. Кроме того, индикатор содержит вращающийся вал, идущий от скользящего контакта потенциометра и снабженный жестко посажеными рычагами, перпендикулярными этому валу, на каждом из которых закреплен поплавок. Когда индикатор наклоняется, жидкость и поплавок остаются в прежнем положении относительно поверхности земли (вертикали), скользящий контакт, соответственно изменяя сопротивление потенциометра, создает выходное напряжение, которое можно скоррелировать с углом наклона индикатора. Устройство включает в себя также пpотивовес, установленный перпендикулярно вращающемуся валу и рычагам, который стабилизирует вал и поплавковое устройство в момент ускорений и других аналогичных явлений. A known sensor for the angle of inclination of a moving object, including a housing with a chamber partially filled with liquid, a potentiometer is installed inside the indicator, included in the corresponding electrical circuit. In addition, the indicator contains a rotating shaft, coming from the sliding contact of the potentiometer and equipped with rigidly set levers perpendicular to this shaft, on each of which a float is fixed. When the indicator tilts, the liquid and the float remain in the same position relative to the surface of the earth (vertical), the sliding contact, correspondingly changing the resistance of the potentiometer, creates an output voltage that can be correlated with the angle of inclination of the indicator. The device also includes a counterweight mounted perpendicular to the rotating shaft and levers, which stabilizes the shaft and the float device at the time of accelerations and other similar phenomena.

К недостаткам данного датчика угла наклона следует отнести неустойчивое равновесие, в котором находится чувствительная система поплавок-противовес, кроме того, на результаты измерений в данном устройстве влияют отраженные волны от стенок камеры датчика. Это влияние при использовании жидкости с большей вязкостью может быть уменьшено. Однако при этом будет соответственно увеличена инерционность системы в целом, что отрицательно влияет на результаты измерений [1]
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения угла наклона подвижного объекта, содержащее измерительный маятник с грузом, выполненным в виде постоянного магнита, преобразователь и демпфер, груз маятника содержит второй магнит и имеет подковообразную форму, а демпфер выполнен в виде трубки из диамагнитного материала с размещенным в ней свободноподвижным телом из ферромагнитного материала. Трубка охвачена подковообразным грузом маятника так, что магниты расположены по обе стороны трубки встречно одноименными полюсами, а масса груза составляет не более половины массы свободноподвижного тела. Маятник устройства имеет противовес, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси маятника, трубка из диамагнитного материала заполнена вязкой жидкостью и выполнена в виде дуги эллипса, центр которого совмещен с осью вращения маятника, а свободноподвижное тело выполнено в виде шара [2]
Устройство за счет уменьшения инерции маятника путем введения противовеса и шарика обеспечивает более высокую точность и надежность показаний. Однако недостатком устройства является: при сбалансированности маятника (груз-противовес) в целом отсутствие компенсации влияния ускорений (инерции шарика) на точность измерений. Уменьшение влияния ускорений может быть достигнуто путем уменьшения массы шарика, при этом необходимо использование магнитных или электростатических подвесов вместо шарикоподшипников, что существенно усложняет устройство. Кроме того, недостатком данного устройства является необходимость преобразования угла наклона маятника в соответствии с коэффициентом сжатия эллипса, обуславливающего траекторию движения маятника (свободноподвижного шара).The disadvantages of this tilt sensor include the unstable equilibrium in which the sensitive float-counterweight system is located, in addition, the measurement results in this device are affected by reflected waves from the walls of the sensor chamber. This effect can be reduced by using a higher viscosity fluid. However, in this case, the inertia of the system as a whole will be correspondingly increased, which negatively affects the measurement results [1]
The closest in technical essence to the invention is a device for determining the angle of inclination of a moving object, comprising a measuring pendulum with a load made in the form of a permanent magnet, a transducer and a damper, the load of the pendulum contains a second magnet and has a horseshoe shape, and the damper is made in the form of a tube made of diamagnetic material with a freely moving body of ferromagnetic material placed therein. The tube is covered by a horseshoe-shaped load of the pendulum so that the magnets are located on both sides of the tube with opposite poles, and the mass of the load is not more than half the mass of the freely moving body. The device’s pendulum has a counterweight that can move along the axis of the pendulum, the tube of diamagnetic material is filled with a viscous fluid and made in the form of an ellipse arc, the center of which is aligned with the axis of rotation of the pendulum, and the free-moving body is made in the form of a ball [2]
The device by reducing the inertia of the pendulum by introducing a counterweight and ball provides higher accuracy and reliability of readings. However, the disadvantage of the device is: when the pendulum is balanced (load-counterweight) in general, there is no compensation for the effect of accelerations (ball inertia) on the measurement accuracy. Reducing the effect of accelerations can be achieved by reducing the mass of the ball, it is necessary to use magnetic or electrostatic suspensions instead of ball bearings, which greatly complicates the device. In addition, the disadvantage of this device is the need to convert the angle of inclination of the pendulum in accordance with the compression coefficient of the ellipse, which determines the trajectory of the pendulum (free-moving ball).

Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение влияния линейных ускорений на результаты измерений. The technical result from the use of the invention is to reduce the influence of linear accelerations on the measurement results.

Технический результат достигается за счет того, что в датчике угла наклона подвижного объекта, содержащего преобразователь, корпус, демпфирующую жидкость, измерительный маятник с грузом и противовесом, противовес выполнен в виде уравновешенного поплавка, масса которого равна массе груза, при этом груз и поплавок расположены симметрично относительно поворотной оси устройства, а корпус заполнен демпфирующей жидкостью до уровня, превышающего высоту измерительного маятника. The technical result is achieved due to the fact that in the angle sensor of a movable object containing a transducer, a housing, a damping fluid, a measuring pendulum with a load and a counterweight, the counterweight is made in the form of a balanced float, the mass of which is equal to the mass of the load, while the load and the float are located symmetrically relative to the rotary axis of the device, and the housing is filled with a damping fluid to a level exceeding the height of the measuring pendulum.

Вследствие того что измерительный маятник имеет указанные конструктивные особенности, поплавок и груз маятника имеют равные моменты инерции, что делает маятник слабо чувствительным к линейным ускорениям. При этом, так как противовес выполнен в виде уравновешенного поплавка, сохраняется чувствительность маятника к изменению углов наклона (сохранению вертикали места). Due to the fact that the measuring pendulum has the indicated design features, the float and the weight of the pendulum have equal moments of inertia, which makes the pendulum weakly sensitive to linear accelerations. At the same time, since the counterweight is made in the form of a balanced float, the pendulum's sensitivity to changes in tilt angles (maintaining the vertical position) is preserved.

Таким образом уменьшается влияние линейных ускорений на результаты измерений. Кроме того, в данном устройстве отсутствует необходимость преобразования измеряемой величины для получения истинного угла наклона. Все это обуславливает увеличение точности измерений. Thus, the effect of linear accelerations on the measurement results is reduced. In addition, in this device there is no need to convert the measured value to obtain the true angle of inclination. All this leads to an increase in measurement accuracy.

На фиг. 1 приведена схема датчика угла наклона объекта при отсутствии угла наклона; на фиг.2 то же, при наличии угла наклона. In FIG. 1 shows a diagram of an object angle sensor in the absence of an angle of inclination; figure 2 is the same, in the presence of an angle of inclination.

Датчик угла наклона подвижного объекта содержит корпус 1, заполненный демпфирующей жидкостью 2, внутри которого расположен измерительный маятник, включающий ось вращения 3, на верхнем конце которой расположен уравновешенный поплавок 4, а на нижнем груз 5. Ось 3 вращения маятника связана с поворотной осью 6 устройства, которая в корпусе 1 установлена с помощью подшипников 7 и 8 и связана с преобразователем 9. Со стороны преобразователя 9 поворотная ось 6 герметично закрыта эластичной резиновой диафрагмой 10. В качестве преобразователя 9 может быть использован, например, сельсин или вращающийся трансформатор. Уравновешенный поплавок 4 и груз 5 расположены симметрично относительно поворотной оси 6. The tilt angle sensor of the movable object comprises a housing 1 filled with a damping fluid 2, inside of which there is a measuring pendulum including an axis of rotation 3, at the upper end of which there is a balanced float 4, and at the lower end 5. The axis 3 of rotation of the pendulum is connected with the rotary axis 6 of the device , which is installed in the housing 1 using bearings 7 and 8 and connected to the converter 9. From the side of the converter 9, the rotary axis 6 is hermetically closed by an elastic rubber diaphragm 10. As a converter 9, there can be used, for example, rotating or Resolver transformer. The balanced float 4 and the load 5 are located symmetrically relative to the rotary axis 6.

Горизонтирование датчика угла наклона подвижного объекта в поперечной плоскости выполняется за счет собственного веса датчика при установке его на продольной оси 1. The horizontal sensor tilt of the movable object in the transverse plane is performed due to the dead weight of the sensor when it is installed on the longitudinal axis 1.

Поплавок 4 может быть выполнен, например, в виде основания (поршня), на которое навинчивается крышка в виде полого цилиндра. За счет изменения при ввинчивании (или вывинчивания) крышки объем ее полой части регулируется объем поплавка 4, чем достигается его уравновешенность при той или иной используемой демпфирующей жидкости 2 и при изменении условий окружающей среды. Демпфирующая жидкость 2 должна быть антикоррозийной, незамерзающей и иметь соответствующую вязкость для обеспечения демпфирования колебаний маятника. The float 4 can be made, for example, in the form of a base (piston), on which the cover is screwed in the form of a hollow cylinder. Due to the change in the screwing (or unscrewing) of the cover, the volume of its hollow part is regulated by the volume of the float 4, thereby achieving its balance with a particular damping fluid 2 and with changing environmental conditions. The damping fluid 2 must be anti-corrosive, non-freezing and have the appropriate viscosity to ensure damping of the oscillations of the pendulum.

Устройство согласно изобретению работает следующим образом. В статическом режиме (скорость объекта постоянна) при движении объекта, на котором установлен датчик угла наклона, при появлении угла наклона α объекта корпус 1 датчика угла наклона поворачивается соответственно на тот же угол a совместно со статором преобразователя 9. Измерительный маятник под действием выталкивающей силы со стороны демпфирующей жидкости 2 и силы тяжести будет стремиться занять вертикальное положение. Так как поворотная ось 6 расположена под углом 90^o к продольной оси 11 устройства и соответственно к направлению движения, то преобразователь 8 выдает информацию о продольном угле a наклона подвижного объекта. При этом в данном устройстве угол отклонения маятника a соответствует углу наклона подвижного объекта, то есть отпадает необходимость в коэффициенте преобразования, что повышает точность измерений. При изменении скорости движения подвижного объекта (в динамическом режиме) на груз маятника 5 и уравновешенный поплавок 4 (противовес), имеющие равные моменты инерции, так как они расположены симметрично и имеют равные массы, будут действовать горизонтальные силы, обусловленные линейным ускорением. А так как моменты инерции груза 5 и поплавка 4 равны между собой, эти силы будут также равны между собой, и маятник не будет реагировать на эти воздействия. При изменении углового положения подвижного объекта (корпуса датчика угла) маятник будет также сохранять вертикаль места за счет компенсации массы поплавка 4 выталкивающей силой со стороны демпфирующей жидкости.The device according to the invention operates as follows. In the static mode (the object’s speed is constant) when the object with the tilt angle sensor is installed, when the tilt angle α of the object appears, the body of the tilt angle sensor 1 rotates correspondingly by the same angle a together with the transformer stator 9. The measuring pendulum under the action of the buoyancy force side of the damping fluid 2 and gravity will tend to occupy a vertical position. Since the rotary axis 6 is located at an angle of 90 ^o to the longitudinal axis 11 of the device and, accordingly, to the direction of movement, the transducer 8 provides information about the longitudinal tilt angle a of the moving object. Moreover, in this device, the angle of deviation of the pendulum a corresponds to the angle of inclination of the moving object, that is, there is no need for a conversion coefficient, which increases the accuracy of the measurements. When the moving speed of a moving object (in dynamic mode) changes to the load of the pendulum 5 and the balanced float 4 (counterbalance), which have equal moments of inertia, since they are located symmetrically and have equal masses, horizontal forces due to linear acceleration will act. And since the moments of inertia of the load 5 and the float 4 are equal to each other, these forces will also be equal to each other, and the pendulum will not respond to these effects. When changing the angular position of the moving object (the body of the angle sensor), the pendulum will also maintain a vertical position by compensating for the mass of the float 4 by the buoyant force from the side of the damping fluid.

Таким образом, в отличие от известных устройств датчик угла наклона подвижного объекта обеспечивает более высокую точность измерений за счет уменьшения влияния линейных ускорений, а также упрощения конструкции. Thus, in contrast to the known devices, the angle sensor of the movable object provides higher measurement accuracy by reducing the influence of linear accelerations, as well as simplifying the design.

Устройство может найти эффективное применение в качестве датчика угла в высотомерах, чувствительного элемента гировертикали, а также индикаторного устройства крена и тангажа в навигационных устройствах. The device can find effective use as an angle sensor in altimeters, a gyro vertical sensor, as well as an indicator roll and pitch device in navigation devices.

Claims

A device for determining the angle of inclination of a movable object relative to the vertical of a place, comprising a housing mounted on a suspension rigidly connected to the moving object and located along its longitudinal axis, as well as a measuring pendulum with a load and a counterweight, rigidly mounted on the axis of rotation located inside the device’s body and associated with the transducer angle to an electrical signal, characterized in that the counterweight is made in the form of a float, the mass of which is equal to the mass of the load, while the load and the float are located They are symmetrical about the axis of rotation of the pendulum, and the housing is filled with damping fluid to a level exceeding the height of the measuring pendulum.