совмещенный датчик момента и смещения тела

Формула изобретения

Совмещенный датчик момента и смещения тела, содержащий мостовую схему, два плеча которой составлены из опорных источников переменного напряжения, два другие - из силовых элементов, например, в виде электромагнитов, усилительно-преобразовательный блок, выход которого подключен к диагонали схемы, отличающийся тем, что в диагональ схемы введен датчик тока, соединенный с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого через регулятор амплитуды и интегрирующее звено подключен к выходу усилительно-преобразовательного блока, первый вход блока соединен с одним из источников опорного напряжения, при этом второй вход блока подключается к источнику сигнала, пропорционального моменту, приложенному к телу, а выход вычитающего устройства является источником сигнала, например, об угловом смещении тела.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано, например, в неконтактных гироскопах и магнитных подшипниках.

Известны неконтактные гироскопы, в которых вращающийся сферический ротор поддерживается системой газового, магнитного или электростатического подвеса [1-3] . Для определения углового положения ротора относительно корпуса гироскопа используются датчики угла, например, в виде четырехполюсных электромагнитов, обмотки которых включаются в мостовую схему, питаемую переменным напряжением. Выходное напряжение, снимаемое, например, с диагонали схемы, пропорционально углу рассогласования оси вращения ротора с осью симметрии корпуса. Для приложения к свободному ротору корректирующих моментов применяют четырехполюсные датчики момента (аналогичные датчикам угла) либо тормозного типа (основанные на действии вихревых токов [1]), либо реактивного типа (когда к ротору прилагается тяговая сила электромагнита [2, 3], расположенного напротив полюсного выступа или отверстия).

За прототип принят гироскоп [3], в котором с полярными отверстиями в ферромагнитном роторе взаимодействуют два четырехполюсных электромагнита, один из которых может служить датчиком угла, а другой - датчиком момента. Недостатком такой системы является то, что такие датчики угла и момента чувствительны к поступательным смещениям ротора. Это приводит к снижению точности гироскопа. Для исключения, например, погрешности датчика угла от поперечного (относительно оси вращения ротора) смещения используют последовательное соединение обмоток датчиков на обоих полюсах ротора, в результате чего сигналы от поступательных смещений компенсируются. Но чтобы использовать такую систему из двух четырехполюсных электромагнитов в качестве датчика момента приходится применять известные приемы либо разделения функций измерения смещения и создания силы по времени [2, рис. 1.34], либо питания системы от двух источников переменного напряжения, частоты которых существенно различаются друг от друга [2, рис. 1.44], при этом информация о смещении благодаря использованию фильтра снимается в виде сигнала высокой частоты, а управляющий силовой сигнал поступает в систему на низкой частоте. Однако такие решения приводят, во-первых, к существенным усложнениям схем управления гироскопами, а во-вторых, к взаимному влиянию силовых и измерительных полей, особенно в ферромагнитных устройствах, в которых магнитная проницаемость сердечников магнитопроводов зависит от величины токов, управляющих силовым воздействием на ротор.

Целью изобретения является совмещение функций датчика угла и датчика момента, повышение точности измерения и приложения силы при использовании простой схемы и питания от опорных источников одной частоты.

Поставленная цель достигнута благодаря тому, что в диагональ мостовой схемы, образованной силовыми элементами, например, в виде электромагнитов и опорными (прямым и инвертированным) источниками напряжения, содержащую усилительно-преобразовательный блок, введен датчик тока, соединенный с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого через регулятор амплитуды и интегрирующее звено подключен к выходу усилительно-преобразовательного блока, первый вход блока соединен с одним из источников опорного напряжения, при этом второй вход блока подключается к источнику сигнала, пропорционального моменту, приложенному к телу, а выход вычитающего устройства является источником сигнала, например, от углового смещения тела (ротора).

На фиг. 1 представлена схема взаимодействия силовых элементов - электромагнитов с телом - ротором, которое имеет возможность поступательного или углового смещения.

На фиг.2 показана схема включения силовых электромагнитов для реализации измерения смещения тела.

На фиг. 3 представлена временная диаграмма напряжений и токов в предложенном устройстве.

Тело 1 (например, ферромагнитный ротор, фиг.1) имеет выступ, взаимодействующий с электромагнитами 2 и 3, обмотки которых имеют соответственно индуктивности L₁ и L₂, изменяющиеся при поступательном или угловом смещении ротора. Электромагниты 2 и 3 включены (фиг.2) в два плеча мостовой схемы, два других плеча которой составлены из прямого 4 и инвертированного 5 источников переменного (например, импульсного) напряжения. К диагонали мостовой схемы подключен выход усилительно-преобразовательного блока 6, последовательно с которым введен датчик тока 7 (например, в виде резистора). Этот датчик соединен с первым входом вычитающего устройства 8, второй вход которого через регулятор амплитуды 9 и интегрирующее звено 10 подключен к выходу блока 6. Первый вход блока 6 соединен с одним из источников опорного напряжения, а второй вход этого блока подключается к источнику сигнала U_вх= f(M, F), пропорционального моменту (силе), приложенному к телу. При этом выход вычитающего устройства 8 является источником сигнала U_вх=f(, ) об угловом или поступательном смещении тела.

Введем значения реактивных сопротивлений индуктивностей L₁ и L₂ обмоток электромагнитов в комплексном виде:



где х₀ - номинальное значение реактивных сопротивлений,

смещение (например, угловое) тела по отношению к полному рабочему смещению (углу ).

Тогда напряжение U_д (с датчика 7) пропорционально току I в диагонали моста:





U₀ - опорное напряжение,

U - напряжение на выходе блока 6.

Для исключения влияния на показания датчика смещения силового напряжения U необходимо введение с помощью вычитающего устройства 8 компенсирующего сигнала I_к, удовлетворяющего решению уравнения:



из которого следует

I_к=UK, (4)

передаточный коэффициент цепи "выход блока 6 - вход вычитающего устройства 8".

Коэффициент К может быть реализован в общем случае при использовании регулятора амплитуды 9 для установки значения и интегрирующего звена 10 для реализации функции [j] . В частности, регулятор амплитуды может быть выполнен в виде переменного резистора в диагонали моста, сопротивление которого устанавливается равным Интегрирующее звено 10 может быть реализовано в виде RC-цепи в составе операционного усилителя.

Усилительно-преобразовательный блок 6 представляет собой традиционный усилитель с преобразованием сигнала по схеме ""демодулятор - корректирующее звено - модулятор"", необходимой для введения в силовой сигнал составляющей, пропорциональной скорости смещения тела (для демпфирования его колебаний). Вход 1 блока 6, таким образом, служит для подачи опорного напряжения, обеспечивающего работу ключевых схем демодулятора и модулятора. Если тело 1 демпфировано другими средствами (например, помещено в вязкую среду), то необходимость в указанном преобразовании сигнала с помощью входа 1 отпадает.

На фиг.3 показаны временные диаграммы напряжений и токов в предложенном устройстве при использовании опорных источников U₀₁ и U₀₂. Как следует из диаграмм, U₀₂ инвертировано по отношению к U₀₁, напряжение U_д с датчика тока имеет практически прямоугольную форму ввиду индуктивного характера сопротивлений обмоток электромагнитов, напряжение U_и с выхода интегратора также имеет прямоугольную форму.

Отметим, что предложенное устройство, совмещающее функции датчика смещения и момента (силы), может быть реализовано и для силовых элементов в виде обкладок конденсаторов, например, в электростатическом гироскопе.

Источники информации

1. Инерциальная навигация. Анализ и проектированием. /Под ред. К.Ф. О"Доннела. Пер. с англ. М.: Наука, ГРФМЛ, 1969, стр.91-92.

2. Осокин Ю.А. и др. Теория и применение электромагнитных подвесов. М.: Машиностроение, 1980, стр.257-258.

3. Патент РФ 2064163. Гироскоп-акселерометр со сферическим ротором в магниторезонансном подвесе, кл. G 01 С 19/00, 1996 (прототип).