RU2191988C2 - Two-coordinate inclination angle-data transmitter - Google Patents

Two-coordinate inclination angle-data transmitter Download PDF

Info

Publication number
RU2191988C2
RU2191988C2 RU2000118661A RU2000118661A RU2191988C2 RU 2191988 C2 RU2191988 C2 RU 2191988C2 RU 2000118661 A RU2000118661 A RU 2000118661A RU 2000118661 A RU2000118661 A RU 2000118661A RU 2191988 C2 RU2191988 C2 RU 2191988C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ball
measurement
angle
transmitter
sensor
Prior art date
Application number
RU2000118661A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000118661A (en
Inventor
Н.Н. Васерин
М.Г. Максимов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Компания ВМ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Компания ВМ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Компания ВМ"
Priority to RU2000118661A priority Critical patent/RU2191988C2/en
Publication of RU2000118661A publication Critical patent/RU2000118661A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2191988C2 publication Critical patent/RU2191988C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: given invention can be used in systems determining inclination angle of various devices and object for example, safety systems of various platforms, cranes, cars, excavators operating under conditions of complex terrain features. Principle of operation of transmitter is based on measurement of displacement of ball caused by inclinations of transmitter relative to horizon along two coordinates by capacitive converters. Transmitter comprises physical pendulum formed by current-conducting ball and thrust bearing with concave spherical surface. Oscillations of pendulum are damped by dielectric liquid filling case of transmitter. Transmitter provides for uninterrupted measurement of inclination angle in range from 0 to 30 degrees with increased accuracy and for reliability of measurement in wide temperature range. EFFECT: increased accuracy and reliability of measurement of inclinations angle in wide temperature range. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах определения углов наклона различных устройств и объектов, в системах безопасности различных платформ и конкретно мощных подъемных кранов, экскаваторов, вагонов, работающих в условиях сложного рельефа местности, и может быть использовано в любой области техники для замера углов наклона. The invention relates to measuring equipment and can be used in systems for determining the angle of inclination of various devices and objects, in security systems of various platforms and specifically powerful cranes, excavators, wagons operating in difficult terrain, and can be used in any field of technology for measuring tilt angles.

Известны гироскопические датчики угловых перемещений, предназначенных для замера углов наклона различных объектов, принцип действия которых основан на свойстве свободного гироскопа с тремя степенями свободы сохранять неизменным положение оси собственного вращения в пространстве. Gyroscopic angular displacement sensors are known for measuring the tilt angles of various objects, the principle of operation of which is based on the property of a free gyro with three degrees of freedom to keep the position of the axis of proper rotation in space unchanged.

Недостатком указанных датчиков является сложность их конструкции и эксплуатации, а также их высокая стоимость. The disadvantage of these sensors is the complexity of their design and operation, as well as their high cost.

Известно устройство - емкостной датчик угла наклона - (А.С. СССР 1737260 от 27.02.90 г. ), которое содержит корпус с выполненной из изоляционного материала герметизированной камерой, наполовину заполненной электропроводящей жидкостью, две электропроводные полусферические обкладки, изолированные одна от другой и от корпуса и прилегающие к наружной поверхности изоляционной стенки камеры, и электрический проводник, находящийся в постоянном контакте с электропроводящей жидкостью, причем камера выполнена в виде двух концентричных сферических оболочек разного диаметра, а электрический проводник выполнен в виде шести электрически связанных между собой стержней, установленных попарно симметрично относительно центра сферических оболочек в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. A device is known - a capacitive tilt angle sensor - (AS USSR 1737260 dated 02.27.90), which comprises a housing with a sealed chamber made of insulating material half filled with an electrically conductive liquid, two electrically conductive hemispherical plates isolated from one another and from the housing and adjacent to the outer surface of the insulating wall of the chamber, and an electrical conductor in constant contact with the electrically conductive liquid, the chamber being made in the form of two concentric spherical shells check of different diameters, and an electrical conductor is in the form of six electrically interconnected rods, arranged in pairs symmetrically about the center of spherical shells in three mutually perpendicular planes.

Однако данный датчик имеет следующие недостатки:
- датчик определяет текущее значение угла наклона, но без конкретной привязки в определении плоскости наклона и знака наклона, что требует дополнительных технических средств для исключения неопределенности;
- из-за разницы температурных коэффициентов объемного расширения проводящей жидкости (в нашем случае ртути) и изоляционного материала оболочек при изменении температуры будет смещаться "ноль" датчика - и это снижает точность измерения;
- достаточно сложная для такого типа датчиков конструкция и значительная трудоемкость в изготовлении.
However, this sensor has the following disadvantages:
- the sensor determines the current value of the angle of inclination, but without specific reference in determining the plane of the slope and the sign of the slope, which requires additional technical means to eliminate uncertainty;
- due to the difference in temperature coefficients of the volume expansion of the conductive liquid (in our case, mercury) and the insulating material of the shells, the “zero” of the sensor will shift when the temperature changes - and this reduces the measurement accuracy;
- rather complicated construction for this type of sensors and considerable laboriousness in manufacturing.

Известно устройство - датчик угла наклона (А.С. СССР 1751643 от 04.04.90 г.), содержащий ампулу, частично заполненную магнитной жидкостью, на которой размещены первичная обмотка и соединенные встречно последовательно вторичные обмотки, причем магнитная жидкость заключена в оболочку из эластичного диэлектрического диамагнитного материала. A device is known - a tilt angle sensor (AS USSR 1751643 from 04.04.90), containing an ampoule partially filled with magnetic fluid, on which the primary winding and secondary windings connected in opposite directions are placed, the magnetic fluid being enclosed in an elastic dielectric sheath diamagnetic material.

Однако, данное устройство имеет следующие недостатки:
- в силу используемого принципа определения углов наклона - использования магнитной жидкости - происходит значительное запаздывание получения результатов измерения (не менее 2 мин), что в реальных условиях равносильно отказу датчика и может привести к нежелательным последствиям, в том числе к аварии и возможному выходу из строя сложного комплекса оборудования;
- нестабильность нуля датчика из-за нестабильности (неопределенности) геометрических размеров эластичной оболочки значительно уменьшает точность измерений углов наклона и требует в лучшем случае периодической тарировки;
- узкий температурный диапазон использования датчика из-за зависимости физико-механических параметров магнитной жидкости от температуры;
- незначительный диапазон измерения углов наклона (не более 360 с).
However, this device has the following disadvantages:
- due to the used principle of determining the angle of inclination - the use of magnetic fluid - there is a significant delay in obtaining the measurement results (at least 2 min), which in real conditions is equivalent to a sensor failure and can lead to undesirable consequences, including an accident and possible failure complex equipment;
- instability of the zero of the sensor due to the instability (uncertainty) of the geometric dimensions of the elastic shell significantly reduces the accuracy of measuring the angle of inclination and requires, at best, periodic calibration;
- a narrow temperature range for the use of the sensor due to the dependence of the physico-mechanical parameters of the magnetic fluid on temperature;
- insignificant range of measurement of tilt angles (no more than 360 s).

Известно устройство - датчик угла наклона (авт. св. СССР 1752195 от 25.07.90 г.), содержащий корпус, основную и дополнительную изогнутую ампулы из немагнитного материала с подвижным телом с постоянным магнитом и не менее чем с двумя неподвижными магнитоуправляемыми контактами, равномерно распределенными вдоль ампул, причем ампулы установлены перпендикулярно друг к другу, в каждой из ампул подвижное тело выполнено из немагнитного материала в виде диска качения с отверстием в центральной части, в котором жестко закреплен постоянный магнит, магнитоуправляемые контакты расположены вдоль боковых стенок ампул, расстояния между ними больше диаметра магнита и меньше диаметра диска, а поперечное сечение ампулы эквидистантно поперечному сечению диска, причем ампулы заполнены жидкостью необходимой вязкости (например, глицерином со спиртом). A device is known - a tilt angle sensor (ed. St. USSR 1752195 from 07.25.90), comprising a housing, a main and additional curved ampoule of non-magnetic material with a moving body with a permanent magnet and at least two fixed magnetically controlled contacts uniformly distributed along the ampoules, the ampoules being mounted perpendicular to each other, in each of the ampoules the movable body is made of non-magnetic material in the form of a rolling disk with a hole in the central part in which a permanent magnet is rigidly fixed, magnetically controlled contacts are located along the side walls of the ampoules, the distances between them are larger than the diameter of the magnet and smaller than the diameter of the disk, and the cross section of the ampoule is equidistant to the cross section of the disk, and the ampoules are filled with a liquid of the required viscosity (for example, glycerol with alcohol).

Однако, данный датчик имеет следующие недостатки:
- не обеспечивает непрерывность измерения углов наклона - углы наклона определяются дискретно;
- низкая точность и нестабильность измерения углов наклона из-за нестабильности положения диска с магнитом в ампуле вследствие наличия люфтов, изменения характеристик магнита в процессе эксплуатации и нестабильности фиксации ампул с магнитоуправляемыми контактами.
However, this sensor has the following disadvantages:
- does not provide continuity of measurement of tilt angles - tilt angles are determined discretely;
- low accuracy and instability of measuring the angle of inclination due to the instability of the position of the disk with a magnet in the ampoule due to the presence of backlash, changes in the characteristics of the magnet during operation and the instability of the fixation of ampoules with magnetically controlled contacts.

Известно устройство - датчик предельного угла наклона объекта (авт. св. СССР 1795280 от 10.10.90 г.), содержащий корпус из изолированного материала, первую и вторую контактные пластины, расположенные с зазором друг относительно друга, и чувствительный элемент в виде шара, ограничитель, первая контактная пластина выполнена U-образной из упругого материала и верхней, прямолинейной частью установлена в верхней части корпуса, а вторая контактная пластина выполнена плоской и закреплена в нижней части корпуса, при этом диаметр шара меньше, чем расстояние между прямолинейными частями первой контактной пластины, а ограничитель расположен над нижней, прямолинейной частью первой контактной пластины на расстоянии не менее радиуса шара от конца прямой стенки корпуса. A device is known - a sensor of the maximum angle of inclination of the object (ed. St. USSR 1795280 dated 10.10.90), comprising a body of insulated material, first and second contact plates located with a gap relative to each other, and a sensitive element in the form of a ball, limiter , the first contact plate is made U-shaped from an elastic material and the upper, rectilinear part is installed in the upper part of the housing, and the second contact plate is made flat and fixed in the lower part of the housing, while the diameter of the ball is less than the distance e between the rectilinear parts of the first contact plate, and the limiter is located above the lower, rectilinear part of the first contact plate at a distance of not less than the radius of the ball from the end of the straight wall of the housing.

Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- нет непрерывного измерения угла наклона, фиксируется только предельный угол одного знака и одной плоскости;
- для фиксации отклонения объекта на плоскости горизонта в произвольном направлении необходимо наличие 4-х подобных устройств;
- из-за отсутствия демпфирования перемещений шара при наличии незначительных вибраций возможны сбои в работе и тем самым снижается точность измерений;
- низкая надежность устройства из-за наличия контактной пары, работающей в условиях малого контактного давления;
- требуется специальная регулировка системы: контактная пара 1 - контактная пара 2 - шар даже при использовании единого материала при изготовлении пластин и шара и это снижает точность измерений.
However, this device has the following disadvantages:
- there is no continuous measurement of the angle of inclination, only the limiting angle of one sign and one plane is fixed;
- to fix the deviation of the object on the horizon plane in an arbitrary direction, the presence of 4 such devices is necessary;
- due to the lack of damping of ball movements in the presence of slight vibrations, malfunctions are possible and thereby the measurement accuracy is reduced;
- low reliability of the device due to the presence of a contact pair operating in conditions of low contact pressure;
- special adjustment of the system is required: contact pair 1 - contact pair 2 - ball, even when using a single material in the manufacture of plates and the ball, and this reduces the accuracy of measurements.

Известно устройство - жидкостный маятник (или электролитический датчик), используемый в качестве чувствительного элемента для измерения углов отклонения от плоскости горизонта (см. "Детали и элементы гироскопических приборов", Государственное Союзное издательство судостроительной промышленности, Ленинград, 1962 г. , с. 293-296, рис., У.10), который содержит герметичный корпус, залитый электролитической жидкостью, в качестве которой используется электролит, при этом токопроводящая жидкость заливается в количестве, необходимом для создания воздушного пузырька, который в вертикальном положении примерно наполовину перекрывает поверхность контактов, две пары контактов, расположенных под углом 90o, соответственно две пары клемм, причем контактная поверхность корпуса выполнена в виде сферы. Электрический ток к датчику подводится через клеммы и корпус. При повороте корпуса маятника меняется площадь контактной поверхности, с которой соприкасается электролит, и, как следствие этого, меняется сопротивление между корпусом и контактами.A device is known - a liquid pendulum (or an electrolytic sensor) used as a sensitive element for measuring deviation angles from the horizon plane (see "Details and Elements of Gyroscopic Instruments", State Union Publishing House of the Shipbuilding Industry, Leningrad, 1962, p. 293- 296, Fig. U.10), which contains a sealed enclosure filled with an electrolytic liquid, which is used as an electrolyte, while the conductive liquid is filled in the amount necessary to create air a bubble, which in an upright position approximately halfway covers the contact surface, two pairs of contacts located at an angle of 90 o , respectively, two pairs of terminals, and the contact surface of the housing is made in the form of a sphere. Electric current is supplied to the sensor through the terminals and the housing. When the pendulum case is rotated, the contact surface area with which the electrolyte is in contact changes, and, as a result of this, the resistance between the case and contacts changes.

Однако, данный электролитический датчик имеет следующие недостатки:
- узкий диапазон измерения углов наклона (десятки минут);
- узкий температурный диапазон из-за различия объемных коэффициентов расширения электролитической жидкости, материала корпуса и воздуха.
However, this electrolytic sensor has the following disadvantages:
- a narrow range of measurement of tilt angles (tens of minutes);
- narrow temperature range due to the difference in volumetric expansion coefficients of the electrolytic liquid, the material of the casing and air.

Наиболее близким по технической сущности и конструкции предлагаемому датчику является датчик угла наклона (авт. св. СССР 954809 от 11.07.78 г.), содержащий герметичный корпус, заполненный диэлектрической жидкостью, неподвижные контакты, установленные заподлицо с внутренней поверхностью корпуса и выполненные в виде изолированных одна от другой шин, разделенных углублениями, и электропроводящий шарик, который выполнен с удельным весом меньшим, чем удельный вес диэлектрической жидкости, а внутренняя поверхность корпуса имеет форму тела вращения с криволинейной образующей. Closest to the technical nature and design of the proposed sensor is a tilt angle sensor (ed. St. USSR 954809 from 07/11/78), containing a sealed enclosure filled with dielectric fluid, fixed contacts mounted flush with the inner surface of the enclosure and made in the form of insulated one from the other tires, separated by recesses, and an electrically conductive ball, which is made with a specific gravity less than the specific gravity of the dielectric fluid, and the inner surface of the body has the shape of a body of revolution with curved generatrix.

Однако данное устройство имеет следующие недостатки:
- не обеспечивается непрерывное измерение угла наклона, фиксируется только предельно допустимый для данной конструкции угол наклона и до достижения предельного угла наклона нет информации о текущем фактическом угле наклона;
- низкая надежность результатов измерений из-за наличия слабого электрического контакта между шариком (с меньшим удельным весом, чем диэлектрическая жидкость) и шинами из-за малой прижимной силы;
- низкая динамическая точность датчика при возможных резких изменениях угла наклона;
- узкий температурный диапазон работоспособности из-за различия объемных коэффициентов расширения диэлектрической жидкости, шарика и корпуса, что косвенно снижает точность измерения угла наклона;
- данная конструкция не позволяет определить знак и плоскость угла наклона.
However, this device has the following disadvantages:
- continuous measurement of the angle of inclination is not provided, only the maximum angle of inclination allowed for this design is recorded, and until the maximum angle of inclination is reached, there is no information about the current actual angle of inclination;
- low reliability of the measurement results due to the presence of weak electrical contact between the ball (with a lower specific gravity than the dielectric fluid) and the tires due to the low downforce;
- low dynamic accuracy of the sensor with possible sharp changes in the angle of inclination;
- a narrow temperature range of operability due to the difference in volumetric expansion coefficients of the dielectric fluid, ball and housing, which indirectly reduces the accuracy of measuring the angle of inclination;
- this design does not allow to determine the sign and plane of the angle of inclination.

Цель изобретения - обеспечение непрерывного измерения угла наклона при повышении точности и надежности измерения в широком температурном диапазоне. The purpose of the invention is the provision of continuous measurement of the angle of inclination while increasing the accuracy and reliability of measurement in a wide temperature range.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик угла наклона, содержащий электропроводящий шар, размещенный в герметичном корпусе, залитом диэлектрической жидкостью, введены две пары электропроводящих обкладок и электропроводящий осесимметричный подпятник, имеющий вогнутую сферическую поверхность, радиус которой больше радиуса шара, который и установлен на этот подпятник, при этом шар с подпятником образуют физический маятник и шар охватывают две пары электропроводящих обкладок, плоскости симметрии которых взаимно ортогональны и проходят через ось симметрии подпятника, на которой также лежит центр вогнутой сферической поверхности обкладок. This goal is achieved by the fact that two pairs of electrically conductive plates and an electrically conductive axisymmetric thrust bearing having a concave spherical surface, the radius of which is larger than the radius of the ball, which is mounted on this, are introduced into the angle sensor containing an electrically conductive ball placed in a sealed enclosure filled with dielectric fluid a thrust bearing, while a ball with a thrust bearing form a physical pendulum and the ball covers two pairs of electrically conductive plates whose symmetry planes are mutually orthogonal and go through the axis of symmetry of the thrust bearing, on which also lies the center of the concave spherical surface of the plates.

Сущность изобретения заключается в том, что в датчик вводятся две пары обкладок, расположенных каждая относительно рядом расположенной под углом 90o, что позволяет определять знак и плоскость угла наклона без привлечения дополнительных технических средств для этого - тем самым обеспечивается определенность, надежность и точность измерений угла наклона.The essence of the invention lies in the fact that two pairs of plates are introduced into the sensor, each located relatively close together at an angle of 90 o , which allows you to determine the sign and plane of the angle of inclination without involving additional technical means - this ensures the certainty, reliability and accuracy of angle measurements tilt.

Непрерывность измерения обеспечивается тем, что используется принцип измерения емкости: обкладки - шар - (подпятник - корпус ). Причем в каждый текущий момент датчик обеспечивает информацию о текущем угле наклона, которая фиксируется. Continuity of measurement is ensured by the fact that the principle of measuring capacitance is used: plates - ball - (thrust bearing - case). Moreover, at every current moment, the sensor provides information about the current angle of inclination, which is recorded.

Повышение точности определяется выбранной конструкцией: шар - подпятник (с радиусом вогнутой сферической поверхности большей, чем радиус шара), которая позволяет надежно обеспечить работу физического маятника (шар - подпятник) для функционирования в системе: обкладки - диэлектрическая жидкость - шар - подпятник - корпус. The increase in accuracy is determined by the chosen design: ball - thrust bearing (with a radius of a concave spherical surface greater than the radius of the ball), which allows reliably ensuring the operation of the physical pendulum (ball - thrust bearing) for functioning in the system: plates - dielectric fluid - ball - thrust bearing - housing.

Повышение точности определяется также конструкцией сферически вогнутых поверхностей обкладок, повторяющих сферическую поверхность шара и расположенных на одинаковом расстоянии от поверхности шара в нулевом исходном положении. Малейшее изменение - движение шара относительно обкладок и подпятника немедленно фиксируется как изменение емкости датчика, при этом четко определяется знак и плоскость угла наклона - из-за наличия 4-х обкладок, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. The increase in accuracy is also determined by the design of the spherically concave surfaces of the plates, repeating the spherical surface of the ball and located at the same distance from the surface of the ball in the zero initial position. The slightest change - the movement of the ball relative to the plates and the thrust bearing is immediately recorded as a change in the sensor’s capacitance, while the sign and plane of the angle of inclination are clearly determined - due to the presence of 4 plates located in mutually perpendicular planes.

Повышение надежности определяется предложенной жесткой конструкцией: корпус - обкладки - шар - подпятник, а также наличием диэлектрической демпфирующей жидкости, что позволяет значительно долго обеспечивать точностные характеристики датчика и надежность в широком диапазоне изменения окружающей температуры. Это усиливается тем, что чаще всего корпус, подпятник, обкладки и шар выполнены из одного материала. The increase in reliability is determined by the proposed rigid structure: body - plates - ball - thrust bearing, as well as the presence of dielectric damping fluid, which allows for a long time to ensure the accuracy of the sensor and reliability in a wide range of changes in ambient temperature. This is enhanced by the fact that most often the body, the thrust bearing, the plates and the ball are made of the same material.

На фиг. 1 приведен общий вид конструкции предложенного датчика, на фиг. 2 дана принципиальная схема работы предложенного физического маятника, на фиг. 3 дана кинематическая схема работы предложенного физического маятника при установке датчика на платформу, угол наклона которой необходимо измерять, на фиг.4 дана схема, поясняющая изменение зазоров между сферами обкладок датчика и шаром. In FIG. 1 shows a general view of the design of the proposed sensor, FIG. 2 is a schematic diagram of the proposed physical pendulum; FIG. 3 is a kinematic diagram of the proposed physical pendulum when installing the sensor on a platform, the angle of which you want to measure, Fig. 4 is a diagram explaining the change in the gaps between the spheres of the sensor plates and the ball.

В соответствии с фиг. 1 датчик содержит: шар 1, подпятник 2, корпус 3, обкладку (и) 4, изолятор 5, диэлектрическую жидкость 6. In accordance with FIG. 1 sensor contains: ball 1, thrust bearing 2, case 3, cover (s) 4, insulator 5, dielectric fluid 6.

Принципиально предложенный физический маятник работает следующим образом (см. фиг.2). При отклонении шара 1 от вертикали на угол φ на шар будет действовать сила, равная mgsinφ (где m - масса шара, g - ускорение силы тяжести) и вызывающая движение шара к вертикали. В отличие от обычного физического маятника шар будет вращаться не только вокруг точки привеса - центра "О" сферы подпятника радиуса Ro, но из-за наличия силы сцепления Fсц вокруг центра "О " шара с радиусом Rш. В результате действия восстанавливающей силы шар будет совершать колебания относительно вертикали места с периодом, равным для малых углов отклонения:

Figure 00000002

Эти колебания будут затухать из-за наличия силы трения качения и сил жидкостного демпфирования (наличия диэлектрической жидкости в корпусе датчика).The fundamentally proposed physical pendulum works as follows (see figure 2). When the ball 1 deviates from the vertical by an angle φ, a force equal to mgsinφ will act on the ball (where m is the mass of the ball, g is the acceleration of gravity) and causes the ball to move to the vertical. In contrast to the usual physical pendulum, the ball will rotate not only around the gain point - the center "O" of the thrust bearing of radius R o , but because of the adhesion force F sc around the center "O" of the ball with radius R w . As a result of the restoring force, the ball will oscillate relative to the vertical of the place with a period equal to for small deflection angles:
Figure 00000002

These vibrations will damp due to the presence of rolling friction forces and liquid damping forces (the presence of dielectric fluid in the sensor housing).

Чувствительность предложенного датчика угла наклона определяется выражением:

Figure 00000003
, где δ - коэффициент трения качения, Rш - радиус шара. Например, для δ = 1•10-3 см, Rш=1,5 см чувствительность составляет φmin=2,3 дуг. мин. И это определяет достаточно высокую точность измерений угла наклона. А при увеличении диаметра шара и уменьшении коэффициента трения качения чувствительность датчика увеличивается, и тем самым увеличивается и точность измерения угла наклона.The sensitivity of the proposed sensor angle is determined by the expression:
Figure 00000003
where δ is the rolling friction coefficient, R W is the radius of the ball. For example, for δ = 1 • 10 -3 cm, R W = 1.5 cm, the sensitivity is φ min = 2.3 arcs. min And this determines a sufficiently high accuracy of measurements of the angle of inclination. And with an increase in the diameter of the ball and a decrease in the coefficient of rolling friction, the sensitivity of the sensor increases, and thereby the accuracy of measuring the angle of inclination also increases.

Датчик работает следующим образом (см. фиг.3). The sensor operates as follows (see figure 3).

При наклоне основания, на котором установлен датчик угла наклона, на угол φ1 по отношению к вертикали шар перекатывается по подпятнику, при этом центр шара перемещается из точки О1 в точку О'1 (см. фиг.3). Смещение центра шара в плоскости, перпендикулярной оси симметрии подпятника, составит величину Δy=-(Ro-Rш)•sinφ1. Смещение вдоль оси симметрии подпятника равно ΔZ= (Ro-Rш)(1-cosφ1).When tilting the base, on which the angle sensor is mounted, by an angle φ 1 relative to the vertical, the ball rolls along the thrust bearing, while the center of the ball moves from point O 1 to point O ' 1 (see Fig. 3). The displacement of the center of the ball in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the thrust bearing will be Δy = - (R o -R W ) • sinφ 1 . The offset along the axis of symmetry of the thrust bearing is ΔZ = (R o -R W ) (1-cosφ 1 ).

Смещение центра шара в плоскости, перпендикулярной оси симметрии подпятника, измеряется с помощью двух пар емкостных датчиков, одной из обкладок которых служит сам шар, а две другие пары обкладок изолированы от корпуса и представляют собой вогнутые сферические поверхности, плоскости симметрии которых взаимно ортогональны и проходят через ось симметрии подпятника. The displacement of the center of the ball in a plane perpendicular to the axis of symmetry of the thrust bearing is measured using two pairs of capacitive sensors, one of the plates of which is the ball itself, and the other two pairs of plates are isolated from the body and are concave spherical surfaces whose symmetry planes are mutually orthogonal and pass through axis of symmetry of the thrust bearing.

При перемещении центра шара по оси Y емкости С1 и С2 изменяются, а емкости С3 и С4 практически остаются неизменными (см. фиг. 4). При этом емкость С2, образованная обкладкой, к которой шар приблизился, возрастает, а емкость С1, образованная обкладкой, от которой шар удалился, уменьшается. Это позволяет определить не только величину угла наклона (по изменению емкостей), но и направление (знак) наклона (по соотношению емкостей С1(3) и С2(4)). Так как предлагаемый датчик угла наклона предназначен для использования в современных системах безопасности (например, тяжелых грузоподъемных кранов), то преобразование выходных сигналов емкостных датчиков в угол наклона осуществляется с помощью специальных схем включения двух пар изменяющихся емкостей в составе специального адаптера (устройства сопряжения), который подключается к микропроцессору, в котором по соответствующему алгоритму определяется угол наклона, причем в этом случае можно учесть имеющуюся нелинейную зависимость величины емкости от угла наклона. When the center of the ball moves along the Y axis, the capacities C1 and C2 change, while the capacities C3 and C4 practically remain unchanged (see Fig. 4). In this case, the capacitance C2, formed by the lining, to which the ball has approached, increases, and the capacitance C1, formed by the lining, from which the ball is removed, decreases. This allows us to determine not only the value of the angle of inclination (by the change in capacities), but also the direction (sign) of the inclination (by the ratio of capacities C1 (3) and C2 (4)). Since the proposed angle sensor is designed for use in modern security systems (for example, heavy lifting cranes), the conversion of the output signals of capacitive sensors to the angle of inclination is carried out using special schemes for switching on two pairs of variable capacities as part of a special adapter (interface device), which connected to a microprocessor, in which the angle of inclination is determined by the appropriate algorithm, and in this case, you can take into account the existing nonlinear dependence in the value of the capacitance from the angle of inclination.

Следовательно, предложенный датчик обеспечивает непрерывное изменение угла наклона с высокой точностью и надежность измерений в широком температурном диапазоне. Therefore, the proposed sensor provides a continuous change in the angle of inclination with high accuracy and reliability of measurements in a wide temperature range.

Claims (1)

Двухкоординатный датчик угла наклона, содержащий электропроводящий шар, размещенный в герметичном корпусе, залитом диэлектрической жидкостью, отличающийся тем, что шар установлен на электропроводящий осесимметричный подпятник, имеющий вогнутую сферическую поверхность, радиус которой больше радиуса шара, при этом шар с подпятником образуют физический маятник и шар охватывают две пары электропроводящих обкладок, изолированных от корпуса, плоскости симметрии которых взаимно ортогональны и проходят через ось симметрии подпятника, на которой также лежит центр вогнутой сферической поверхности обкладок. A two-coordinate tilt angle sensor containing an electrically conductive ball housed in a sealed enclosure filled with dielectric fluid, characterized in that the ball is mounted on an electrically conductive axisymmetric thrust bearing having a concave spherical surface with a radius greater than the radius of the ball, and the ball and thrust ball form a physical pendulum and ball cover two pairs of electrically conductive plates isolated from the body, the symmetry planes of which are mutually orthogonal and pass through the axis of symmetry of the thrust bearing, to Torah is also the center of the concave spherical surface of the plates.
RU2000118661A 2000-07-12 2000-07-12 Two-coordinate inclination angle-data transmitter RU2191988C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000118661A RU2191988C2 (en) 2000-07-12 2000-07-12 Two-coordinate inclination angle-data transmitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000118661A RU2191988C2 (en) 2000-07-12 2000-07-12 Two-coordinate inclination angle-data transmitter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000118661A RU2000118661A (en) 2002-07-20
RU2191988C2 true RU2191988C2 (en) 2002-10-27

Family

ID=20237830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000118661A RU2191988C2 (en) 2000-07-12 2000-07-12 Two-coordinate inclination angle-data transmitter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2191988C2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2455616C1 (en) * 2011-05-16 2012-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Опытное Производство "Технологии Контроля" (ООО "ОП "ТЕКО") Method of determining tilt angle and apparatus for realising said method
RU2539123C2 (en) * 2009-08-06 2015-01-10 Мет Тек Инк. Non-magnetic azimuth measurement using met of electrochemical sensors
RU2627991C1 (en) * 2016-07-27 2017-08-14 Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" Object angle sensor
RU196550U1 (en) * 2019-03-29 2020-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "БАУ-Мониторинг" TWO-ORDINATE DEVICE FOR MEASURING ANGULAR MOVEMENTS
RU2774041C1 (en) * 2021-06-09 2022-06-14 Александр Алексеевич Семенов Tilt sensor

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2539123C2 (en) * 2009-08-06 2015-01-10 Мет Тек Инк. Non-magnetic azimuth measurement using met of electrochemical sensors
RU2455616C1 (en) * 2011-05-16 2012-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Опытное Производство "Технологии Контроля" (ООО "ОП "ТЕКО") Method of determining tilt angle and apparatus for realising said method
RU2627991C1 (en) * 2016-07-27 2017-08-14 Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" Object angle sensor
RU196550U1 (en) * 2019-03-29 2020-03-04 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "БАУ-Мониторинг" TWO-ORDINATE DEVICE FOR MEASURING ANGULAR MOVEMENTS
RU2774041C1 (en) * 2021-06-09 2022-06-14 Александр Алексеевич Семенов Tilt sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4422243A (en) Dual axis capacitive inclination sensor
US5630280A (en) Dual axis electrolytic tilt sensor
US6505409B2 (en) Inclinometer
KR101821658B1 (en) Measuring System and Method for Radious of Curvature of Underground Pipeline
US20060139626A1 (en) Optical inclination sensor
RU2191988C2 (en) Two-coordinate inclination angle-data transmitter
WO1989008236A1 (en) Clinometer/accelerometer and method
US4497118A (en) Motion and orientation sensor
WO1997048986A1 (en) Sensor device for the 3-dimensional measurement of an attitude or acceleration
US5866827A (en) Auto-orienting motion sensing device
GB2032110A (en) Measuring inclination or acceleration
RU2594628C1 (en) Two degrees of freedom float gyroscope
US4365421A (en) Motion and orientation sensor
US3114209A (en) Level sensor
US2966744A (en) Gyroscopic theodolite assembly
RU2774041C1 (en) Tilt sensor
KR20230049850A (en) Inclination measuring device and manufacturing method thereof, and inclination measuring method
JP3106355B2 (en) Inclinometer
US3320817A (en) Electrostatically suspended gyroscope signal pickoff
RU2596034C1 (en) Angular position sensor
US3051007A (en) Vertical sensing device
US3401567A (en) Gyroscopes
JPS6179117A (en) Tilt angle detector
RU2141623C1 (en) Gyroscopic device
US7222433B2 (en) Electromagnetic inclinometer