RU2491507C1 - Измеритель углового положения изделия - Google Patents
Измеритель углового положения изделия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491507C1 RU2491507C1 RU2011153917/28A RU2011153917A RU2491507C1 RU 2491507 C1 RU2491507 C1 RU 2491507C1 RU 2011153917/28 A RU2011153917/28 A RU 2011153917/28A RU 2011153917 A RU2011153917 A RU 2011153917A RU 2491507 C1 RU2491507 C1 RU 2491507C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accelerometers
- amplifiers
- opposite
- outputs
- meter
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения углового положения изделия. Измеритель содержит два двухосевых микромеханических акселерометра, установленных таким образом, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные стороны. Разноименные выходы акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений, в которых компенсируются нулевые сигналы акселерометров, выделяются и удваиваются полезные сигналы акселерометров. Выходы дифференциальных усилителей подключены к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и точности измерения углов, уменьшение температурной погрешности и повышения помехоустойчивости. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения углового положения изделия.
Известен измеритель углового положения изделия, на которое он установлен, построенный на принципе измерения проекции вектора ускорения силы тяжести на измерительную ось.
Измеритель представляет собой по конструкции компенсационный маятниковый акселерометр с обратной связью, использующий в своей основе акселерометр А-17 (РПКБ г.Раменское), адаптированный к требованиям измерения угла тангажа и крена моделей летательных аппаратов при их испытаниях в аэродинамических трубах (см. В.В. Буров, B.C. Волобуев, С.А. Глазков, А.Р. Горбушин, Е.К. Чумаченко. Измерительно-вычислительный комплекс трансзвуковой аэродинамической трубы Т-128 ЦАГИ // Датчики и системы. - 2010. №5. - С.19-24). Чувствительным элементом измерителя является маятник, на котором размещена катушка магнитоэлектрического датчика, создающего компенсационный момент. Ток, протекающий через катушку датчика момента в установившемся режиме, пропорционален величине ускорения, действующего вдоль измерительной оси, т.е. в данном использовании углу отклонения от вертикали.
К недостаткам измерителя следует отнести:
- сложность конструкции датчика;
- недостаточная эксплуатационная надежность датчика (не допускаются удары при установке измерителя, удары по изделию после его установки, неодновременное включение либо выключение напряжений питания +15 B и минус 15 B);
- измерение угла наклона относительно только одной оси чувствительности;
- использование внешнего масштабного резистора, включенного последовательно с катушкой датчика момента (величиной 3000 Ом);
- габариты (24×24×23,7 мм) и вес (0,060 кг), ограничивающие установку группы измерителей на испытываемое изделие (например, несколько десятков для определения деформированного состояния упруго-подобных моделей);
- в ряде случаев недостаточная точность измерения угла отклонения изделия (погрешность Δα=±0,01°).
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятого за прототип, является микромеханический двухосевой инклинометр, предназначенный для измерения углов α и β отклонений базовой поверхности относительно плоскости горизонта в двух взаимно перпендикулярных направлениях (С.А. Анчутин, Е.С. Морозова, А.С. Головань, В.Н. Максимов, В.Ф. Шилов. Инклинометр микромеханический двухосевой ИМД-9 // Датчики и системы. - 2011. №2. - С.48-50).
Инклинометр содержит три микромеханических одноосевых акселерометра, каждый из которых выдает выходной сигнал в виде цифрового кода, соответствующего величине воздействующего ускорения вдоль оси его чувствительности. Аналоговые данные, поступающие с чувствительных элементов микромеханических акселерометров, обрабатываются аналого-цифровыми преобразователями в соответствующих блоках. При этом работа разных микромеханических акселерометров осуществляется независимо друг от друга. Два из трех акселерометров устанавливаются в инклинометре таким образом, чтобы их оси чувствительности были направлены горизонтально и перпендикулярно друг другу. При этом выходные сигналы акселерометров (при отсутствии ускорений, отличных от ускорения силы тяжести) имеют вид:
Ux=U0x+Kx·g·sinα;
Uy=U0y+Ky·g·sinβ,
где U0x, U0y - нулевые сигналы акселерометров; Kx, Ky - масштабные коэффициенты; g - ускорение; α и β - углы отклонения базовой поверхности.
Для повышения точности измерения углов при приближении к значению ±90° используется третий акселерометр, установленный по оси Z.
Микромеханические акселерометры подключаются к плате модуля съема и обработки данных. В состав модуля входит вычислитель-преобразователь, реализованный на базе 16-разрядного микроконтроллера. Микроконтроллер обрабатывает данные трех микромеханических акселерометров и вычисляет значения углов отклонения от плоскости горизонта. Погрешность измерения углов (±0,10°) зависит от точности установки акселерометров на основании (не хуже 1°), калибровки датчика и алгоритма вычисления углов. Габаритные размеры инклинометра 45×35×20 мм.
К недостаткам прототипа следует отнести: невысокую точность измерения углов (±0,10°), особенно при измерении малых углов отклонения, использование трех одноосевых акселерометров для построения двухосевого инклинометра, сложность схемы и конструкции, значительные габариты (45×35×20 мм).
Техническим результатом является повышение чувствительности и точности измерений малых углов отклонения, уменьшение температурной погрешности измерителя, обеспечение помехоустойчивости, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.
Технический результат достигается тем, что в измеритель углового положения изделия, содержащий микромеханические акселерометры, аналого-цифровые преобразователи и микроконтроллер, введены четыре буферных операционных усилителя, два дифференциальных усилителя, и в качестве акселерометров использованы два двухосевых микромеханических акселерометра, установленных таким образом, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные стороны, при этом разноименные выходы акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера.
Благодаря указанным отличительным признакам, в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат:
- повышается чувствительность и точность измерения углов, за счет использования двух двухосевых микромеханических акселерометров с определенной ориентацией осей чувствительности в горизонтальной плоскости и суммированием их сигналов в дифференциальных усилителях;
- уменьшение температурной погрешности измерителя углов, за счет компенсации начальных сигналов акселерометров в дифференциальных усилителях, существенно зависящих от изменения температуры внешней среды (уход нуля двухосевых микромеханических акселерометров, например ADXL203, может составлять 0,1 mg/°C);
- повышается помехоустойчивость и точность измерений углов, за счет согласования высокоомных выходных импедансов акселерометров (~20 кОм) с входами дифференциальных усилителей разности напряжений с помощью буферных операционных усилителей с низкоомным выходным импедансом;
- упрощается конструкция и уменьшаются габариты измерителя. На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерителя угловых положений изделия.
Предлагаемый измеритель угловых положений изделия содержит два двухосевых микромеханических акселерометра 1 и 2 (ADXL203), установленных на противоположных сторонах основания таким образом, что их одноименные оси чувствительности X1, Х2 и Y1, Y2 направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные оси X1, Y2 и Х2, Y1 направлены в противоположные стороны, при этом вертикальные оси Z1 и Z2 совпадают. Измеритель угловых положений изделия содержит также буферные опера-усилители 3, 4, 5, 6, к входам которых подключены высокоомные (~20 кОм) выходы x1, х2, y1, y2 акселерометров, низкоомные выходы
и
буферных операционных усилителей 3 и 6 подключены к входам дифференциального усилителя разности напряжений 7, а низкоомные выходы
,
буферных операционных усилителей 4 и 5 подключены к входам дифференциального усилителя 8. Таким образом, разноименные выходы x1, х2, y1, y2 акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений 7 и 8.
Выходы дифференциальных усилителей 7 и 8 подключены к соответствующим аналого-цифровым преобразователям 9 и 10 микроконтроллера 11.
Предлагаемый измеритель угловых положений изделия работает следующим образом: при отсутствии ускорений, отличных от ускорения силы тяжести, выходные сигналы акселерометров имеют вид:
- для акселерометра 1:
Ux1=U0x1+Kx1·g·sinα;
Uy1=U0y1+Ky1·g·sinβ;
- для акселерометра 2:
Ux2=U0x2+Kx2·g·sinβ;
Uy2=U0y2+Ky2·g·sinα,
где U0x1, U0x2, U0y1, U0y2 - нулевые сигналы акселерометров; Kx1, Kx2, Ky1, Ky2 - масштабные коэффициенты.
Вследствие особенностей конструктивной установки акселерометров в измерителе, при отклонении их осей чувствительности от горизонтальной плоскости, выходные сигналы акселерометров и соответствующие им сигналы буферных операционных усилителей примут вид:
В результате преобразования и суммирования сигналов
,
в дифференциальном усилителе разности напряжений 7 и сигналов
,
в дифференциальном усилителе разности напряжений 8 компенсируются начальные сигналы акселерометров U0x1, U0y2 в дифференциальном усилителе 7 и начальные сигналы акселерометров U0x2, U0y1 в дифференциальном усилителе 8, существенно зависящие от изменения температуры окружающей среды, и удваиваются полезные сигналы акселерометров: |ΔUx1|+|ΔUy2| и |ΔUx2|+|ΔUy1|.
При условии U0x1=U0y2; U0x2=U0y1; |ΔUx1|=|ΔUy2|=ΔUα; |ΔUx2|=|ΔUy1|=ΔUβ; Kx1=Ky2=Kα; Kx2=Ky1=Kβ, на выходах дифференциальных усилителей разности напряжений 7 и 8 сформируются соответственно сигналы:
Выходные напряжения (1) дифференциальных усилителей 7 и 8 преобразуются в кодовый эквивалент аналого-цифровыми преобразователями 9 и 10.
Определение значений углов положения изделия выполняется путем вычисления арксинусов углов α и β в микроконтроллере 11.
Изготовлены и исследованы опытные образцы измерителя, которые подтвердили указанные технические результаты. В диапазоне углов ±20° (угловых градусов) погрешность измерения по результатам градуировок в нормальных условиях составила ≤±25″ (угловых секунд) или ±0,07° (угловых градусов). Габариты измерителя 20 мм ×30 мм×6 мм.
Claims (1)
- Измеритель угловых положений изделия, содержащий микромеханические акселерометры, аналого-цифровые преобразователи и микроконтроллер, отличающийся тем, что в него введены четыре буферных операционных усилителя, два дифференциальных усилителя, и в качестве акселерометров использованы два двухосевых микромеханических акселерометра, установленных таким образом, что их одноименные оси чувствительности направлены горизонтально и перпендикулярно, а разноименные в противоположные стороны, при этом разноименные выходы акселерометров через буферные операционные усилители подключены к дифференциальным входам усилителей разности напряжений, выходы которых подключены к соответствующим входам аналого-цифровых преобразователей микроконтроллера.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011153917/28A RU2491507C1 (ru) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | Измеритель углового положения изделия |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011153917/28A RU2491507C1 (ru) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | Измеритель углового положения изделия |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011153917A RU2011153917A (ru) | 2013-07-10 |
RU2491507C1 true RU2491507C1 (ru) | 2013-08-27 |
Family
ID=48787345
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011153917/28A RU2491507C1 (ru) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | Измеритель углового положения изделия |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2491507C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU199568U1 (ru) * | 2020-04-14 | 2020-09-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Севкаврентген-Д" | Датчик углового положения |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1840258A1 (ru) * | 1986-06-27 | 2006-09-10 | Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Инерциальная навигационная система |
RU2302006C1 (ru) * | 2006-01-17 | 2007-06-27 | Борис Михайлович Смирнов | Устройство для определения углового положения подвижного объекта |
RU2319157C1 (ru) * | 2006-08-17 | 2008-03-10 | Борис Михайлович Смирнов | Устройство для определения углового положения подвижного объекта |
RU2414685C1 (ru) * | 2010-02-25 | 2011-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Способ определения угловой ориентации объекта |
US7962285B2 (en) * | 1997-10-22 | 2011-06-14 | Intelligent Technologies International, Inc. | Inertial measurement unit for aircraft |
-
2011
- 2011-12-29 RU RU2011153917/28A patent/RU2491507C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1840258A1 (ru) * | 1986-06-27 | 2006-09-10 | Государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Инерциальная навигационная система |
US7962285B2 (en) * | 1997-10-22 | 2011-06-14 | Intelligent Technologies International, Inc. | Inertial measurement unit for aircraft |
RU2302006C1 (ru) * | 2006-01-17 | 2007-06-27 | Борис Михайлович Смирнов | Устройство для определения углового положения подвижного объекта |
RU2319157C1 (ru) * | 2006-08-17 | 2008-03-10 | Борис Михайлович Смирнов | Устройство для определения углового положения подвижного объекта |
RU2414685C1 (ru) * | 2010-02-25 | 2011-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Способ определения угловой ориентации объекта |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
АНЧУТИН С.А. и др. ИНКЛИНОМЕТР МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДВУХОСЕВОЙ ИМД-9. - Датчики и системы, 2011, №2, с.48-50. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU199568U1 (ru) * | 2020-04-14 | 2020-09-08 | Общество с ограниченной ответственностью "Севкаврентген-Д" | Датчик углового положения |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011153917A (ru) | 2013-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111678538B (zh) | 一种基于速度匹配的动态水平仪误差补偿方法 | |
US10495664B2 (en) | Dynamic self-calibration of an accelerometer system | |
CN106289246B (zh) | 一种基于位置和姿态测量系统的柔性杆臂测量方法 | |
Včelák et al. | AMR navigation systems and methods of their calibration | |
CN101887068B (zh) | 三轴矢量传感器及两轴矢量传感器的标定补偿方法 | |
CN107655493B (zh) | 一种光纤陀螺sins六位置系统级标定方法 | |
US20090013755A1 (en) | Calibration jig and algorithms for accelerometer | |
RU2406973C2 (ru) | Способ калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем | |
US20180120127A1 (en) | Attitude sensor system with automatic accelerometer bias correction | |
CN103323625B (zh) | 一种mems-imu中加速度计动态环境下的误差标定补偿方法 | |
CN106840100A (zh) | 一种数字式倾角传感器及测量方法 | |
CN101893722A (zh) | 一种基于巨磁阻传感器的地磁横滚角测量系统及方法 | |
Wei et al. | A research on calibration of low-precision MEMS inertial sensors | |
CN102589573A (zh) | 微型组合导航系统中的传感器野外标定方法 | |
KR20130030156A (ko) | 주기적 회전 진동을 이용한 6축 진동 센서의 교정 방법 및 장치 | |
Pan et al. | Accurate calibration for drift of fiber optic gyroscope in multi-position north-seeking phase | |
CN113433600A (zh) | 一种重力仪安装误差角标定方法 | |
RU2491507C1 (ru) | Измеритель углового положения изделия | |
Tondji et al. | Semi-empirical estimation and experimental method for determining inertial properties of the Unmanned Aerial System–UAS-S4 of Hydra Technologies | |
CN103868527A (zh) | 一种标定捷联惯性组合加速度计组合的方法 | |
RU129625U1 (ru) | Инерциальный измерительный модуль | |
Milovzorov et al. | Mathematical models of inclination parameter converters based on double-axis accelerometers | |
RU2568956C1 (ru) | Способ калибровки датчика углового ускорения | |
Bezkorovainyi et al. | Thermal calibration and filtration of MEMS inertial sensors | |
CN112902954A (zh) | 塔架晃动传感器和塔架晃动角度测量方法 |