Гоніометричний датчик

Винахід відноситься до галузі контрольно-вимірювальної техніки І може бути використаний для вимірювання двокоординатного взаємного кутового переміщення об'єктів. Відомий гоніометричний датчик [Авт. св. СРСР № 1805284, кл. G 01 В 7/30,1993], який виконаний в вигляді сферичного шарніра, що складається з кульового осердя І сферичної обойми, причому кульове осердя виконане у вигляді порожнистої сфери частково з феромагнітного, а частково - з немагнітного матеріалу, а в сферичній обоймі, еквідистантно до сферичної поверхні, у двох взаємно перпендикулярних площинах, розміщені дві пари котушок індуктивності. При обертанні кульового осердя відносно сферичної обойми змінюється індуктивність котушок, причому одна пара котушок реєструє кутове переміщення кульового осердя в одній площині, а друга пара котушок - в іншій, в результаті чого утворюються два вихідні сигнали. Таким чином реєстрація і обробка саме двох вихідних си гналів зменшує точність вимірювання. В основу винаходу поставлено задачу створення такого гоніометричного давача, в якому нове виконання кульового осердя і сферичної обойми, введення сферичної дротяної спіралі, бігунця дозволили б реалізувати резистивний спосіб вимірювання у сферичній системі координат, що дало би змогу за значенням одного вихідного сигнала отримувати значення двох вхідних сигналів І, за рахунок цього, підвищити точність вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що у гоніометричному датчику, який виконаний у вигляді сферичного шарніра, що складається з кульового осердя І сферичної обойми згідно з винаходом кульове осердя 1 сферична обойма виконані з державками, по внутрішній поверхні сферичної обойми щільно вистелена дротяна спіраль з виводами, які призначені для підключення до джерела живлення, а всередині кульового осердя виконаний канал, в якому розташований підпружинений бігунець, що контактує з дротяною спіраллю і до якого приєднаний контакт, який призначенний для зняття вихідного сигналу. Дротяна спіраль вистелена щільно - виток до витка, для суцільного перекриття поверхні сферичної обойми, що дозволяє отримувати роздільну здатність вихідного сигналу в межах товщини дротини спіралі, а за допомогою бігунця, який контактує зі спіраллю в тій чи іншій її точці, в залежності від взаємного кутового розташування державок, знімається величина електричного опору між цією точкою спіралі і одним з її кінців, тобто реалізується резистивний спосіб вимірювання. Для створення щільного контакту спіралі І бігунця, останній підтискується пружиною. За допомогою державок давач прикріплюється до об'єктів, взаємне кутове переміщення яких необхідно вимірювати. Оскільки кульове осердя з бігунцем своєю державкою прикріплюється до одного об'єкта, а сферична обойма своєю державкою - до іншого, то, при взаємному кутовому переміщенні цих об'єктів, кульове осердя переміщується в сферичній обоймі, а бігунець переміщується відносно дротяної спіралі, контактуючи з нею в тій чи іншій точці. В силу то го, що просторове розташування бігунця, а отже і точки його контакту зі спіраллю, однозначно описується двома кутами в сферичній системі координат, яку уявно можна прив'язати до сферичної обойми, а, в свою чергу, кожна точка дротяної спіралі однозначно визначає величину електричного опору, який знімається між цією точкою і одним з кінців спіралі, тому, за одним значенням вихідного сигналу - величиною електричного опору, отримуємо значення двох вхідних сигналів - кутів взаємного просторового розташування державок, а отже і об'єктів до яких приєднаний давач. Таким чином, конструкція давача реалізує собою резистивний спосіб вимірювання у сферичній системі координат, що дає змогу за значенням одного вихідного сигнала отримувати значення двох вхідних сигналів і, тим самим, підвищити точність вимірювання. На фіг.1 представлена конструкція гоніометричного датчика; на фіг. 2 - схема резистивного способу вимірювання у сферичній системі координат; на фіг. 3 - проекція сферичної спіралі на вертикальну площину; на фіг. 4 - проекція сферичної спіралі на горизонтальну площину. Гоніометричний давач виконаний в вигляді сферичного шарніра, що складається з кульового осердя 1 І сферичної обойми 2, які виконані із струмонепровідного матеріалу, разом з державками 3 і 4 відповідно. В середині кульового осердя 1 і державки З утворений канал, в якому розташований бігунець 5, підтиснений пружиною 6 і фіксатором 7 до сферичної дротяної спіралі 8, яка щільно вистелена по внутрішній поверхні сферичної обойми 2, причому витки спіралі 8 Ізольовані один від одного. До виводів 9 110 спіралі 8 подається напруга живлення Uж, а вихідний сигнал - електричний опір R знімається між виводом 9 і контактом 11, останній з яких під'єднується до бігунця 5. Для отримання статичної характеристики давача спроектуємо сферичну дротяну спіраль 8 на вертикальну і горизонтальну площини (фіг. 3, 4). Нехай бігунець 5 рухається вдовж витків спіралі 8. Тоді в горизонтальній площині відбуватиметься рух державки 3 по куту y, а в вертикальній площині по куту φ. З фі г. 3, 4 видно, що при обертанні по куту ψ, між ним І кутом φ матимемо залежність; d 2R0 - кутовий крок дротяної спіралі 8; де d - діаметр дротини спіралі 8, що вистелена по поверхні обойми 2; Ro - радіус центрів витків спіралі 8. В свою чергу біжучий радіус г визначається як a o = 2arcsin Тоді елемент проекції спіралі 8 dl визначається як Звідси визначимо довжину всієї спіралі 8 Верхня границя кута ψ (кількість повних обертів державки 3) становить З Іншого боку при досягненні вершини спіралі 8, тобто коли кут ψ досягне свого значення гр, кут φ = 90°; тому повна довжина спіралі 8 з формули (4) визначиться таким чином Зауважимо, що біжучий опір R пов'язаний з точкою контакту бігунця 5 зі спіраллю 8 відомою залежністю де р - питомий опір матеріалу дротини спіралі 8, S - площа її поперечного перерізу: З (5) маємо Прирівнюючи (6) І (4), отримуємо звідки Система рівнянь (7) представляє собою двопараметричну статичн у характеристику розробленого давача. Гоніометричний давач працює наступним чином. Взаємне просторове кутове переміщення об'єктів, до яких приєднані державки 3 І 4, приводить до обертання кульового осердя 1 відносно сферичної обойми 2, що, в свою чергу, змінює координату точки контакту бігунця 5 з дротяною спіраллю 8, а це перетворюється в зміну біжучого електричного опору R, який знімається між виводом 9 спіралі 8 і контактом 11, під'єднаним до бігунця 5. За значенням R, використовуючи залежності (7), визначаються значення вхідних сигналів - кутів φ та ψ, що описують взаємне кутове переміщення об'єктів вимірювання.