Преобразователь углового положения объекта

09 П 1) СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГПФ(72) И.О.Воронежский, и М.Я.Даниленко (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Морского гидроФизического института АН УССР(56) 1. Авторское свидетельство СССР 9 541524, кл, 6 01 С 9/02, 19762. Волоков И.И., Мелик-Шахиаза" ров В.П. Ориентирующее устройство на элейентах Холла.-ффПриборы и систеьы управленияф, 1972, У 7.3, Авторское свидетельство СССР 9 294071, кл, б 01 С 17/02, 1971 (прототип) .(54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА, содержаЩий соеДИ- ненный с объектом карданный подвес, закрепленный в нем постоянный магнит, два элемента Холла, измерительный блок и блок питания, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью независимого измерения углов накло" на объекта в каждой из двух взаимно перпендикулярных плоскостях и расширения диапазона измерения, в него дополнительно введен второй постоянный магнит, элементы Холла размещены раздельно на двух взаимно перпендикулярных геометрических осях кар. данного подвеса, причем рабочие плоскости элементов Холла совпадают с соответствуищюе геометрическими осямя карданного подвеса, каждый элемент Холла находится между разноименньвв полюсами одного из магнитов, векторы магнитной индукции перпендикулярны геометрическим осям, на которых размещены соответствую"щие элементы Холла, а постоянные магниты либо элементы Холла закреплены на карданном подвесе с возможностью вращения относительно друг друга, сигнальные электроды каждого элемента Холла подключены к иден- Я ,тнчным каналам измерительного блока;Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углов наклона объектов относительно плоскости горизонта, в частности, при океанографических измерениях. 5Известно устройство для измерения угла наклона объекта, содержащее карданный подвес, маятник, источники опорного магнитного поля, укрепленные на наружной рамке кардан- О ного подвеса, и феррозонд, установленный на внутренней рамке под углом 45 к ееоси вращения и перпен" дикулярно к ее вертикальной оси 1).Применение в этом устройстве фер розонда в качестве чувствительного элемента и наличие источников опорного магнитного поля ведет к большомуэнергопотреблению, усложняет конст.РУкЦию и Реулироку усройтврОИзвестно также устройство, в котором для определения ориентации объекта относительно известного направления вектора магнитной индукции в качестве чувствительных элементов при менены две пары скрепленных взаимно . перпендикулярно элементов Холла. Вэтом устройстве два элемента Холла,укрепленные в карданном подвесе, находятся внутри воздушного зазора магнитной системы, жестко связаннойс объектом, и служат для определения зенитного угла, Два других элемента Холла служат для определения угла азимута,С этой целью они снабжены концентраторами, перпендикулярными З 5 йх плоскости, и укреплены на конце длинного немагнитного стержня вместе с грузом, образуя маятник 2.Применение в этом устройстве такого маятника ограничивает диапазон 40 измерений углов отклонения объектаот вертикали. Кроме того, это устРойство позволяет определить только угол азимута и зенитный угол, в то время как в ряде случаев, например 45 в авиации и океанографии, требуется знать углы наклона объекта относительно плоскости горизонта в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик ориентации, содержащий карданный подвес, укрепленный на немпостоянный магнит, два ортогональных жестко связанных между собой элемента Холла, помещенных в воздушном 55 зазоре постоянного магнита, блок питания и фазосдвигающие цепочки, к которым подключены элементы Холла, В этом датчике постоянный магнит с .помощью карданного подвеса сохраня ет неизменным свое положение в пространстве. Выходной сигнал элементов ХОлла, помещенных в магнитное поле, является функцией проекции вектора магнитной индукции этого поля на 65 рабочую плоскость элемента Холла.Поэтому, .подключив выходные электроды элементов Холла к фазосдвигающимцепочкам, в этом датчике ориентацииполучают зенитный угол положениякорпуса объекта 3,Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяетопределять углы наклона объекта относительно плоскости горизонта вовзаимно перпендикулярных плоскостях(называемые в судовождении угламикрена и диФферента) . Наличие в конструкции датчика ориентации держателя для установки элементов Холла взазоре между полюсами магнита ограничивает угол отклонения магнита водной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих черезвертикаль, Например, при примененииэлементов Холла типа ПХЭ 606817 А счувствительностью порядка 100 мкВ/мТли необходимости получения разрешающей способности порядка 1,5 О расстояние между полюсами магнита должнобыть не более 10 мм, что дает уголотклонения объекта не более+35 овплоскости, проходящей через держатель элементов Холла, Увеличение измеряемого угла отклонения объектав этой плоскости требует увеличениярасстояния между полюсами магнита,что ведет к ослаблению выходного сигнала, а также к нарушению однородности магнитного поля в зоне расположения элементов Холла, Л это, в своюочередь, уменьшает разрешающую способность датчика и увеличивает погрешность преобразования.Цель изобретения - независимоедруг от друга измерение углов накло.на объекта относительно горизонта вдвух взаимно перпендикулярных плоскостях и расширение диапазона измерения этих углов,Поставленная цель достигается тем,что в преобразователь углового положения объекта, содержащем соединенный с объектом карданный подвес,закрепленный в нем постоянный магнит, два элемента Холла, измерительный блок и блок питания, введен второй постоянный магнит, лементы Холла размещены раздельно на двух взаимно перпендикулярных геометрических осях,карданного подвеса, причемрабочие плоскости элементов Холласовпадают с соответствующими геометрическими осями карданного подвеса,каждый элемент Холла находится междуразноименными полюсами одного из магнитов, векторы магнитной индукцииперпендикулярны геометрическим осям,на которых размещены соответствующиеэлементы Холла, а постоянные магнитылибо элементы Холла закреплены накарданном подвесе с возможностью вращения относительно друг друга, сигнальные электроды каждого элемента Холла подключены к идентичным каналам измерительного блока.Раздельное размещение элементов Холла и введение дополнительного магнита позволяет разделить узел преобразования угла поворота объектав электрический сигнал на два независимых узла преобразования. Размещение этих узлов преобразования на двух различных взаимно перпендику- . 10 лярных осях карданного подвеса и подключение выходных электродов элемента Холла к двум независимым и идентичным каналам измерительной схемы позволяет независимо друг от 5 друга измерять два взаимно перпендикулярных угла наклона объекта по отношению к плоскости горизонта. Кроме того, закрепление одной иэ составных частей узла преобразования (элементов Холла или магнита) на осях карданного подвеса, которые имеют степень свободы вращения на 360, позволяет измерять угловое положение в пределах не менее +90, что и обусловливает расширение диапазона измерений. На Фиг. 1 изображен преобразователь углового положения, общий вид; на фиг. 2 - схема подключения его элементов Холла к измерительной схеме; на фиг. 3 - вариант закрепления составных частей узла преобразования.Преобразователь углового положения содержит (см. Фиг. 1) корпус 1, карданный подвес с внутренней рамкой 2, наружной рамкой 3 и осями 4, 5, элементы Холла 6, 7, две пары постоянных магнитов 8,9 и 10, 11, блок 40 питания 12 и каналы измерения углов наклона объекта 13 и 14.В корпусе 1 на осях 4, 5 размещены внутренняя рамка 2 и наружная рамка 3 карданного подвеса, выполненные 45 в виде концентрических колец. На оси 4 жестко закреплен элемент Холла 6 так, что рабочая плоскость элемента Холла 6 совпадает с осевой .инией оси 4. Аналогично на оси 5 закреплен элемент Холла 7. На внутренней рамке 2 симметрично оси 4 размещены постоянные магниты 8 и 9 так, что их разноименные полюса обращены друг к другу и элемент Холла 6 находится в центре симметрии этих магнитов. Элемент Холла 6 и магниты 8, 9 образуют узел преобразования угла отклонения внутренней рамки 2 от плоскости горизонта. Магниты 8 и 9 представляют собой два аналогичных ци О линдра, намагниченных вдоль его образующей. Функционально магниты 8 и 9 образуют единый магнит. В зазоре между магнитами 8 и 9 легче сФормировать однородное магнитное поле. 65 Оптимальное расстояние между магнитами 8 и 9 с точки зрения формирования однородного поля, т.е. минимальной погрешности преобразования и максимальной чувствительности, равно высоте цилиндра магнита. Плоскости торцов цилиндров магнитов 8 и 9 в исходном положении должны быть перпендикулярны рабочей плоскости элемента Холла 6, Аналогично на наружной рамке 3 размещены магниты 10 и 11Поворот корпуса 1 относительно внешней рамки 3 и поворот внешней рамки 3 относительно внутренней рамки 2 обеспечивается с помощью двух пар подшипников 15, жестко закрепленных на осях 4 и 5 карданного подвеса. Центр тяжести карданного подвеса (точка Б) расположен ниже точки пересечения осей карданного подвеса (точка В), что обеспечивает постоянное горизонтальное положение плоскости внутренней рамки 2 при любых поворотах объекта 16, на котором установлен преобразователь углового положения. Кроме описанного варианта конструкции преобразователя, могут быть выполнены и другие, отличающиеся друг от друга местом крепления элементов Холла и постоянных магнитов. Основным условИем йри этом должно быть то, чтобы при отклонении объекта 16 от плоскости горизонта между рабочими плоскостями элементов Холла и, вектором магнитной индукции магнитов образовывался угол равный этому отклонению. Например, (см. Фиг. 3) магниты 10 и 11 могут быть закреплены на корпусе 1, а элемент Холла 7 на оси 5 наружной рамки 3, Можно также закрепить на одной оси кардан- ного подвеса элемент Холла, а на другой оси - магниты этого узла преобразования, или на одной рамке закрепить магниты второго узла преобразования, а на другой рамке - элемент Холла.К блоку питания постоянным током 12 элементы Холла 4 и 5 подключены последовательно (см.фи, 2), что позволяет применить один блок питания и, при необходимости, схему автоматического регулирования для термостабилизации результатов измерений. Сигнальные электроды элемента Холла 4 подключены к каналу измерения керна 13, а сигнальные электроды элемента Холла 5 - к каналу измерения дифферента 14 измерительной схемы преобразователя. Каналы 13 и 14 идентичны и содержат органы регулировки усиления для компенсации разброса параметров применяемых элементов Холла и магнитов .Преобразователь углового положения работает следующим образом.1067358 15 10 В исходном положении, т.е. когда абъект 16 находится в горизонтальйом положении, рабочая плоскость элемента Холла б. параллельна вектору магнитйой индукции магнитов 8, 9, и на сигнальных электродах элемента Холла б присутствует только остаточное напряжение, которое легко скомпенсировать в сХеме измерителя. При произвольном наклоне объекта 16 плоскость й внутренней рамки 2 остается горизонтальной. При этом внешняя рамка Э с внутренней рамкой 2 образуют угол керна, а корпус 1 поворачивается относительновнешней рамки 3 на угол дифферента. Таким образом, между рабочей плоскостью элемента Холла б и вектором магнитной индукции магнитов 8,. 9 образуется угол равный углу. крена, и на сигнальных электродах элемента Холла б формируется напряжение прямо пропорциональное синусу этого угла. При этом знак напряжения соответствует направлению отклонения объектаот,плоскости горизонта. Аналогично работает элемент Холла 57 с магнитами 10, 11 в угле преобразования угла дифферента.В сравнении с устройством-прототипом изобретение имеет возможностьизмерять два угла наклона объекта 1 О относительно плоскости горйзонтавместо одного угла (зенитного), причем диапазон измерения расширен с.335 фдо Т 90 опри сохранении того жерасстояния между полюсами магнитов, 15, что и в прототипе, Конструкция изобретения позволяет сблизить полюсамагнитов до Э ма, что повьааает амплитудувыходного сигнала примернов три раза (по сравнению с прототи пом) и позволяет получить разре-.шающую способность преобразованияпорядка 0,5.1067358 фи 8.2 АЗ Составитель В.Васильевч Техред Л. Мартяшова ЕорректорО.Билак ктор А,Дол атентфф, г.Ужгород, ул.Проектная филиал ППу аз 11195/45 Тираж 593 ВНИИПИ Гоеударственно по делам изобретени 113035, Москва, Ж, Подписноа СССРийнаб., д. 4 кЬиитеи открытауюска