RU2107261C1 - Electromagnetic angle-data transmitter of gyroscope rotating rotor - Google Patents
Electromagnetic angle-data transmitter of gyroscope rotating rotor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2107261C1 RU2107261C1 SU2263556A RU2107261C1 RU 2107261 C1 RU2107261 C1 RU 2107261C1 SU 2263556 A SU2263556 A SU 2263556A RU 2107261 C1 RU2107261 C1 RU 2107261C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- gyroscope
- armature
- magnetic
- emd
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано в гироскопических чувствительных элементах систем стабилизации, измерения и в других областях техники, где необходимо измерять угловые отклонения (вибрации, биения) вращающихся валов (роторов). The invention relates to the field of electrical measurements of non-electrical quantities and can be used in gyroscopic sensitive elements of stabilization systems, measurements and in other areas of technology where it is necessary to measure the angular deviations (vibration, runout) of rotating shafts (rotors).
Известен целый ряд датчиков, позволяющих осуществлять преобразование углового отклонения ротора в изменение какого-либо параметра (L, R, C и др.) или характеристики электрического сигнала (амплитуды, фазы и др.). A number of sensors are known that make it possible to convert the angular deviation of the rotor into a change in any parameter (L, R, C, etc.) or the characteristics of an electric signal (amplitude, phase, etc.).
Описание и конструкция различных датчиков приведены в технической литературе, например, А.М.Туричин. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л., Энергия, 1966 г.; Ю.И.Иориш. Виброметрия. М., 1963 г. Description and design of various sensors are given in the technical literature, for example, A.M. Turichin. Electrical measurements of non-electrical quantities. M.-L., Energy, 1966; Yu.I. Iorish. Vibrometry. M., 1963
Наибольшее применение для измерения угловых отклонений вращающихся роторов, например, гироскопов по отношению к корпусу нашли индуктивные, емкостные и индукционные преобразователи угловых отклонений вращающегося ротора в электрический сигнал (датчики угла) (см., например, Красовский А.А. и др. Одноканальные двумерные измерительные и управляющие системы. Труды ВВИОЛКА им. Н.Е.Жуковского, вып. 1207, 1967, стр. 36-65, патент США N 3354726, кл. 74-5, 1967). Inductive, capacitive, and inductive transducers of the angular deviations of a rotating rotor into an electrical signal (angle sensors) have found the greatest application for measuring the angular deviations of rotating rotors, for example, gyroscopes with respect to the body (see, for example, A. Krasovsky and others. Single-channel two-dimensional measuring and control systems (Proceedings of the NE Zhukovskiy VVOLOLKA, issue 1207, 1967, pp. 36-65, US patent N 3354726, classes 74-5, 1967).
Известная конструкция датчика угла емкостного типа, используемая в динамически настраиваемом гироскопе, имеет простую и температурностабильную конструкцию и низкий (практически нулевой) уровень газоотделения. The known design of a capacitive-type angle sensor used in a dynamically tuned gyroscope has a simple and temperature-stable design and a low (almost zero) gas separation level.
Ввиду малых размеров роторов приборов и зависимости емкости от площади электродов и зазора между ними последний должен быть малым (≈ 0,3-0,1 мм), поэтому с целью исключения отрицательного влияния аэродинамических сил на параметры гироскопа, давление во внутренней полости гироскопа при использовании емкостного датчика угла должно быть низким (≈ 10-1-10-2 мм рт.ст.).Due to the small size of the device rotors and the dependence of the capacitance on the area of the electrodes and the gap between them, the latter should be small (≈ 0.3-0.1 mm), therefore, in order to exclude the negative influence of aerodynamic forces on the gyroscope parameters, the pressure in the internal cavity of the gyroscope when using Capacitive angle sensor should be low (≈ 10 -1 -10 -2 mm Hg).
Менее жесткие требования к давлению во внутренней полости гироскопа предъявляются при использовании других типов датчиков, например, индуктивных, индукционных, параметры которых в меньшей степени зависят от сечения магнитопровода. Less stringent pressure requirements in the internal cavity of the gyroscope are presented when using other types of sensors, for example, inductive, inductive, the parameters of which are less dependent on the cross section of the magnetic circuit.
В качестве прототипа авторами выбран датчик угла индукционного типа, используемый в гироскопе по патенту США N 3354726, кл. 74-5, 1967. При малом зазоре между полюсными наконечниками такого датчика влияние аэродинамических сил на параметры гироскопа мало сказывается из-за малой площади полюсов. As a prototype, the authors chose the angle sensor of the induction type used in the gyroscope according to US patent N 3354726, cl. 74-5, 1967. With a small gap between the pole pieces of such a sensor, the influence of aerodynamic forces on the parameters of the gyroscope has little effect due to the small area of the poles.
Конструктивно индукционный датчик угла представляет собой постоянный магнит, закрепленный на роторе гироскопа (чувствительном элементе) и четыре катушки индуктивности с разомкнутыми магнитопроводами, закрепленные на корпусе гироскопа, полюса которых обращены к постоянному магниту. При измерении углового положения ротора гироскопа по отношению к 2-м, расположенным через 180o катушкам, уровень наведенной ЭДС сигнала в них изменяется в противоположные стороны. Разность амплитуд наведенной ЭДС сигналов с противоположных катушек несет в себе информацию об угловом отклонении ротора гироскопа.Structurally, the induction angle sensor is a permanent magnet mounted on the rotor of the gyroscope (sensitive element) and four inductors with open magnetic circuits, mounted on the gyroscope body, the poles of which are facing the permanent magnet. When measuring the angular position of the gyro rotor with respect to the 2nd coils located through 180 o , the level of the induced emf of the signal in them changes in opposite directions. The difference in the amplitudes of the induced EMF signals from opposite coils carries information about the angular deviation of the gyro rotor.
Наличие магнитотвердого материала (постоянного магнита) на роторе гироскопа требует тщательной экранировки от внешних магнитных полей, подбора материала ротора и магнита по температурным коэффициентам линейного расширения с целью сохранения балансировки ротора в диапазоне рабочих температур, а также обуславливает воздействие магнитных сил на ротор гироскопа из-за замыканий полей рассеяния постоянного магнита через элементы конструкции прибора. Кроме того режим работы датчика угла с амплитудной модуляцией затрудняет непосредственную стыковку датчика угла с дискретными системами обработки информации с гироскопа. The presence of hard magnetic material (permanent magnet) on the gyro rotor requires careful screening from external magnetic fields, selection of the rotor and magnet material according to the temperature coefficients of linear expansion in order to maintain the rotor balancing in the operating temperature range, and also determines the effect of magnetic forces on the gyro rotor due to closures of the scattering fields of a permanent magnet through the structural elements of the device. In addition, the mode of operation of the angle sensor with amplitude modulation makes it difficult to directly dock the angle sensor with discrete systems for processing information from the gyroscope.
Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков. The aim of the present invention is to remedy these disadvantages.
Эта цель достигается при использовании электромагнитного датчика угла (ЭДУ), состоящего из закрепленного на роторе гироскопа многосекционного якоря, выполненного в виде винтовых линий, неоднородных по магнитным свойствам с материалом обода ротора, а на корпусе гироскопа установлены четыре электромагнитных датчика импульсов (ЭМД) с зазором в магнитной цепи, соизмеримым с толщиной винтовой линии якоря. Конструкция и принцип действия ЭМД основаны на замыкании винтовой линией зазора(ов) в магнитной цепи, аналогичны, например, описанному в информационно-справочном листке Министерства радиопромышленности СССР N 022401, июнь 1971 г. ЭМД закрепляется в корпусе гироскопа диаметрально противоположно в направлении осей чувствительности гироскопа в экваториальной плоскости ротора; при этом углы наклона винтовых линий якоря и разворот средней линии зазора магнитной цепи по отношению к экваториальной плоскости ротора гироскопа равны, а наклон их такой, что при минимальном удалении винтовой линии якоря и ЭМД винтовая линия якоря и средняя линия зазора магнитной цепи лежат в одной плоскости
Принцип работу ЭДУ заключается в том, что при вращении ротора гироскопа винтовые линии якоря, проходя в зоне немагнитного зазора магнитной цепи ЭМД, вызывают изменение магнитного потока, а следовательно, индуцирование напряжения в катушке ЭМД. При неотклоненном роторе гироскопа фазовый сдвиг импульсов противоположных головок равен 180o. При отклонении ротора по одной из осей чувствительности происходит взаимное (встречное или противоположное) смещение импульсов, вырабатываемых противоположными ЭМД, совпадающими с этой осью чувствительности, т.е. в предлагаемом ЭДУ информация об угле отклонения ротора заключается во временном сдвиге импульсов ЭМД.This goal is achieved by using an electromagnetic angle sensor (EDU), consisting of a multi-section armature mounted on the rotor of the gyroscope, made in the form of helical lines that are inhomogeneous in magnetic properties with the material of the rotor rim, and four electromagnetic impulse sensors (EMD) are installed on the gyroscope body with a gap in a magnetic circuit commensurate with the thickness of the helix of the anchor. The design and operation principle of the EMD are based on the closure of the gap (s) in the magnetic circuit with a helix, similar, for example, to that described in the information leaflet of the USSR Ministry of Radio Industry N 022401, June 1971. The EMD is fixed diametrically opposite in the gyroscope axis in the direction of the gyro sensitivity axes in the equatorial plane of the rotor; the angles of inclination of the helical lines of the armature and the turn of the middle line of the gap of the magnetic circuit with respect to the equatorial plane of the gyroscope rotor are equal, and their slope is such that with a minimum distance from the helical line of the armature and the EMD, the helical line of the armature and the middle line of the gap of the magnetic circuit lie in the same plane
The principle of operation of the EDU is that when the gyro rotor rotates, the helical lines of the armature, passing in the zone of non-magnetic gap of the EMD magnetic circuit, cause a change in the magnetic flux, and therefore, induction of voltage in the EMD coil. When the rotor of the gyroscope is not deflected, the phase shift of the pulses of the opposite heads is 180 o . When the rotor is deflected along one of the sensitivity axes, a mutual (counter or opposite) shift of the pulses generated by the opposite EMDs coinciding with this sensitivity axis occurs, i.e. in the proposed EDU information on the angle of the deflection of the rotor is a temporary shift of the EMD pulses.
На фиг. 1 показан общий вид предложенного ЭДУ применительно к использованию его в динамически настраиваемом гироскопе. ЭДУ состоит из многосекционного якоря 1, выполненного в виде винтовых линий, закрепленного на ободе ротора гироскопа 2 с упругим подвесом 3 и четырех ЭМД 4, закрепленных в корпусе гироскопа 5. In FIG. 1 shows a General view of the proposed EDU in relation to its use in a dynamically tuned gyroscope. EDU consists of a multi-section anchor 1, made in the form of helical lines, mounted on the rim of the rotor of the
На фиг. 2а изображены временные диаграммы импульсов с ЭМД по одной из осей чувствительности гироскопа при неотклоненном по этой оси чувствительности роторе, на фиг. 2б - при отклоненном по этой же оси чувствительности роторе. На фиг. 3а - суммарный вектор и составляющие вектора сил взаимодействия между ЭМД и якорем, лежащим в плоскостях, параллельной и перпендикулярной плоскости вращения ротора при приближении винтовой линии якоря к немагнитному зазору ЭМД, на фиг. 3б - те же векторы при удалении винтовой линии якоря от зазора ЭМД. In FIG. 2a shows the timing diagrams of pulses with EMD along one of the sensitivity axes of the gyroscope with the rotor not deflected along this sensitivity axis, FIG. 2b - with a rotor deflected along the same axis of sensitivity. In FIG. 3a is the total vector and the components of the vector of the interaction forces between the EMD and the armature lying in the planes parallel and perpendicular to the plane of rotation of the rotor when the helical line of the armature approaches the non-magnetic EMD gap, in FIG. 3b - the same vectors when removing the helical line of the anchor from the gap EMD.
Для измерения угловых отклонений ротора гироскопа относительно корпуса по двум ортогональным осям чувствительности гироскопа, лежащим в экваториальной плоскости ротора, в корпусе гироскопа диаметрально противоположно установлены четыре ЭМД по два на каждую ось чувствительности. Два ЭМД по каждой оси необходимы для устранения влияния осевых смещений (перемещений) ротора гироскопа относительно корпуса на точность измерения угла. To measure the angular deviations of the gyroscope rotor relative to the body along two orthogonal axes of gyro sensitivity lying in the equatorial plane of the rotor, four EMDs, two for each sensitivity axis, are diametrically opposed in the gyro body. Two EMDs on each axis are necessary to eliminate the influence of axial displacements (movements) of the gyro rotor relative to the body on the accuracy of measuring the angle.
На ободе ротора гироскопа закреплен многосекционный якорь из магнитомягкого материала, состоящий из нечетного числа винтовых линий, например, нарезана многозаходная резьба. Промежутки между винтовыми линиями (винтовые канавки) с целью исключения отрицательного влияния аэродинамических сил заполнены немагнитным материалом. Для исключения влияния осевых вибраций и несбалансированности ротора на результат измерения угла отклонения ротора число винтовых линий выбирается больше возможной гармоники вибраций ротора гироскопа. Нечетное число винтовых линий необходимо для более простого и точного определения направления отклонения ротора гироскопа, то есть для обеспечения начального (соответствующего нулевому неотклоненному положению ротора) фазового сдвига между сигналами с противоположных индукторов на половину периода (180o) импульсов ЭМД. Для исключения "перехлестывания" импульсов, то есть превышения величины начального (180o) сдвига суммарным фазовым сдвигом импульсов с диаметрально расположенных индукторов в случае максимального отклонения ротора, необходимо выполнение неравенства:
где
α - максимальный угол отклонения ротора;
a - ход винтовой линии;
r - радиус наружной поверхности ротора;
n - число винтовых линий.On the rim of the gyroscope rotor, a multi-section anchor made of soft magnetic material is fixed, consisting of an odd number of helical lines, for example, a multi-thread is cut. The gaps between the helical lines (helical grooves) are filled with non-magnetic material to eliminate the negative influence of aerodynamic forces. To exclude the influence of axial vibrations and rotor imbalance on the result of measuring the angle of the rotor deflection, the number of helical lines is selected more than the possible harmonic of the gyro rotor vibrations. An odd number of helix lines is necessary to more easily and accurately determine the direction of the gyro rotor deflection, that is, to ensure the initial (corresponding to the zero non-deviated position of the rotor) phase shift between signals from opposite inductors by half the period (180 o ) of the EMD pulses. To exclude the "overlap" of the pulses, that is, the excess value of the initial (180 o ) shift by the total phase shift of the pulses from the diametrically located inductors in the case of maximum deflection of the rotor, it is necessary to fulfill the inequality:
Where
α is the maximum angle of deviation of the rotor;
a is the helix stroke;
r is the radius of the outer surface of the rotor;
n is the number of helix lines.
Ход винтовой линии выбирается из технологических соображений, например, при нарезке винтовых линий на токарных станках - по техническим данным токарных станков. The helix path is selected for technological reasons, for example, when cutting helical lines on lathes - according to the technical data of lathes.
Расчет взаимного смещения (сдвига) импульсов с противоположных ЭМД в масштабе времени может быть произведен по формуле:
где
l - длина окружности ротора (по наружной поверхности);
b - смещение экваториальной плоскости ротора гироскопа вдоль оси, параллельной оси вращения ротора, при заданном (определяемом) угловом отклонении ротора;
T - период вращения ротора;
β - угол наклона винтовой линии.The calculation of the mutual displacement (shift) of the pulses from the opposite EMD in time scale can be performed according to the formula:
Where
l is the circumference of the rotor (on the outer surface);
b is the displacement of the equatorial plane of the gyroscope rotor along an axis parallel to the axis of rotation of the rotor, for a given (determined) angular deviation of the rotor;
T is the period of rotation of the rotor;
β is the angle of inclination of the helix.
Например, для ротора диаметром 32 мм с углом наклона винтовой линии 15o, при угловом отклонении ротора на одну угловую минуту, вращающегося с частотой 500 Гц (T = 2•103 м/с) относительный временной сдвиг равен:
Величина постоянного уводящего момента от магнитных полей ЭМД, действующего на ротор гироскопа в направлении, перпендикулярном плоскости вращения ротора, определяется разностью моментов от составляющих сил, направленных перпендикулярно плоскости вращения ротора, при приближении винтовой линии якоря к немагнитному зазору ЭМД и при удалении его от немагнитного зазора ЭМД, а также от разности сил притяжения между ротором гироскопа и ЭМД при исходном (неотклоненном) и отклоненном роторе. The magnitude of the constant leading moment from the EMF magnetic fields acting on the gyroscope rotor in a direction perpendicular to the plane of rotation of the rotor is determined by the difference of moments from the component forces directed perpendicular to the plane of rotation of the rotor when the helical line of the armature approaches the nonmagnetic gap of the EMD and when it moves away from the nonmagnetic gap EMD, as well as the difference in the attractive forces between the gyroscope rotor and EMD with the initial (non-deflected) and deflected rotors.
Для исключения одновременного взаимодействия нескольких винтовых линий якоря с рабочей зоной ЭМД (с рабочими торцами полюсных наконечников ЭМД), расстояние между винтовыми линиями должно быть больше ширины рабочей зоны ЭМД, то есть больше суммы толщин полюсных наконечников и немагнитного зазора ЭМД. To exclude the simultaneous interaction of several helical lines of the armature with the EMD working area (with the working ends of the EMD pole pieces), the distance between the helical lines should be greater than the width of the EMD working zone, i.e. more than the sum of the thickness of the pole pieces and the non-magnetic EMD gap.
Для уменьшения результирующего уводящего момента от магнитных полей ЭМД, действующего в направлении, перпендикулярном плоскости вращения ротора, наружная поверхность ротора, обращенная к рабочим торцам полюсных наконечников ЭМД, выполнена в виде сферы (радиуса r), центр которой совпадает с точкой подвеса ротора. To reduce the resulting withdrawal moment from the magnetic fields of the EMD acting in the direction perpendicular to the plane of rotation of the rotor, the outer surface of the rotor facing the working ends of the pole tips of the EMD is made in the form of a sphere (radius r), the center of which coincides with the point of suspension of the rotor.
Использование ЭДУ позволяет:
- снизить требования к степени вакуумирования внутренней полости устройств, в которых он используется;
- исключить применение дополнительных источников для питания ЭДУ;
- повысить помехозащищенность сигналов, так как используется режим фазовой модуляции;
- осуществить простое преобразование информации в дискретную форму.Using EDU allows you to:
- reduce the requirements for the degree of evacuation of the internal cavity of the devices in which it is used;
- exclude the use of additional sources for power EDU;
- increase the noise immunity of signals, since the phase modulation mode is used;
- implement a simple conversion of information into discrete form.
Испытания макетных образцов ЭДУ подтвердили их преимущество по сравнению с другими датчиками угла. Tests of prototype EDU samples have confirmed their advantage over other angle sensors.
Намечено изготовление опытной партии заявляемого ЭДУ в составе одного из динамически настраиваемых гироскопов. It is planned to manufacture an experimental batch of the claimed EDU as part of one of the dynamically tuned gyroscopes.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU2263556 RU2107261C1 (en) | 1979-08-31 | 1979-08-31 | Electromagnetic angle-data transmitter of gyroscope rotating rotor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU2263556 RU2107261C1 (en) | 1979-08-31 | 1979-08-31 | Electromagnetic angle-data transmitter of gyroscope rotating rotor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2107261C1 true RU2107261C1 (en) | 1998-03-20 |
Family
ID=20640785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU2263556 RU2107261C1 (en) | 1979-08-31 | 1979-08-31 | Electromagnetic angle-data transmitter of gyroscope rotating rotor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2107261C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623680C1 (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-28 | Акционерное Общество "Центральное Конструкторское Бюро Машиностроения" | System of contactless rotational speed measurement |
-
1979
- 1979-08-31 RU SU2263556 patent/RU2107261C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623680C1 (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-28 | Акционерное Общество "Центральное Конструкторское Бюро Машиностроения" | System of contactless rotational speed measurement |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4584577A (en) | Angular position sensor | |
| US10557727B2 (en) | Inductive displacement sensors | |
| US10564008B2 (en) | Inductive displacement sensors | |
| US10564007B2 (en) | Inductive movement sensors | |
| US9587963B2 (en) | Brushless linear rotary transformer | |
| US3490297A (en) | Dual-rotor inertial sensor | |
| RU2107261C1 (en) | Electromagnetic angle-data transmitter of gyroscope rotating rotor | |
| JPS5829442B2 (en) | Jiki Bearing | |
| RU2460040C1 (en) | Gyroscope (versions) | |
| US3327541A (en) | Signal pickoff and torque generator | |
| US5243278A (en) | Differential angular velocity sensor that is sensitive in only one degree of freedom | |
| US4658658A (en) | Coil system for inductive measurement of the velocity of movement of a magnetized body | |
| US4891983A (en) | Inductively coupled force balance instrument | |
| US3394597A (en) | Sensor-torquer arrangement | |
| GB1111456A (en) | Inertial navigational and positional sytems | |
| CN110887466B (en) | Non-magnetic coupling bimodal high-precision permanent magnetic torquer | |
| US3451274A (en) | Electrostatically supported inertial device | |
| SU759963A1 (en) | Electromagnetic angular acceleration transducer | |
| US3178946A (en) | Rotating pendulum accelerometer | |
| US3030533A (en) | Position transducer | |
| RU2521765C1 (en) | Universal non-contact gyro | |
| RU2771918C2 (en) | Gyroscope | |
| RU2621642C1 (en) | Device and method of measuring absolute angular speed | |
| US3222660A (en) | Magnetic position encoder | |
| RU2178142C2 (en) | Dynamically adjusted gyro |