Ультразвуковий датчик горизонту

Реферат: Винахід належить до геодезичних приладів, зокрема до датчиків для інженерно-геодезичних вимірювань на рухомих об'єктах. Ультразвуковий датчик горизонту містить заповнені рідиною герметичні сполучені посудини, обчислювальний блок і блок керування та обробки інформації. Використані три посудини з гідрофобними звуковбирними стінками, які встановлені по дві на двох основах, розташованих перпендикулярно, і сполучені у верхній та нижній частинах таким чином, що одна посудина для двох основ є загальною. На дні кожної посудини встановлені випромінювач та приймач акустичних хвиль. Датчик містить акустичні генератори постійної частоти з довжиною хвилі, більшою величини можливих коливань поверхні рідини в посудинах. Блок керування та обробки інформації з'єднаний з обчислювальним блоком та блоком комутації, який з'єднаний з акустичними генераторами постійної частоти, які електрично з'єднані з випромінювачами та фазовимірювальним пристроєм. Виходи випромінювачів оптично з'єднані з відбивачами, від яких оптичний сигнал надходить до приймачів. Приймачі електрично з'єднані з входами фазовимірювального пристрою, який з'єднаний із входом обчислювального блока. А обчислювальний блок з'єднаний з блоком індикації та блоком запису і збереження інформації. Датчик дозволяє підвищити точність вимірювання кута нахилу площини горизонту. UA 101016 C2 (12) UA 101016 C2 UA 101016 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до геодезичних приладів, зокрема до датчиків для інженерно-геодезичних вимірювань на рухомих об'єктах. Датчики горизонту поділяють на чотири великі групи згідно з фізичними принципами, які використовуються при їх побудові [1]: - маятникові; - механічні - поділяються в свою чергу на інерційні нахилометри і датчики на основі зворотного п'єзоефекту; - електролітичні; - рідинні - поділяються на датчики на основі принципу сполучення сосудів, ампульні індуктивні, ампульні ємнісні, ампульні фотоелектричні, поляризаційні, вібростійкі, реверсивні. Датчики горизонту можуть бути однокоординатними і двокоординатними. Недоліком маятникового датчика є велика зона нечуттєвості, рідинного - велика чуттєвість поверхні рідини до коливань (нестабільність поверхні рідини), електролітичного - невеликий діапазон вимірювання кутів. Також відомий рідинний датчик, описаний у роботі [2]. Це є пристрій, з використанням якого можна суттєво підвищити точність оцінки положення об'єкта, досягнувши погрішності не більше одиниць кутових хвилин. Цей пристрій заснований на властивості рідинного рівня з повітряною бульбашкою індексувати горизонтальне положення основи рівня та властивості гіроскопічного датчика зберігати незмінним положення осі гіроскопа у просторі. Як аналог, прийнятий за прототип, може бути використаний рідинний датчик горизонту на основі принципу сполучення посудин. Задачею винаходу є підвищення точності вимірювання кутів нахилу оптичної осі знімального або вимірювального приладу, встановленого на борту рухомого об'єкта. Поставлена задача вирішується за рахунок створення ультразвукового датчика горизонту, заснованого на фазовому методі вимірювання відстаней та на властивостях сполучених посудин, який відрізняється тим, що у трьох попарно сполучених (у верхній та нижній частинах) посудинах з гідрофобними звуковбирними стінками, змонтованих на одній основі, заповнених рідиною, встановлені акустичні генератори постійної частоти з довжиною хвилі більше величини можливих коливань поверхні рідини в посудинах. Технічним результатом є підвищення точності вимірювання кутів нахилу оптичної осі знімального або вимірювального приладу, встановленого на борту рухомого об'єкта з усуненням необхідності фіксувати горизонтальне положення поверхні рідини. На кресленні представлена схема запропонованого датчика, відповідними цифрами на якій позначено: 1 - блок керування та обробки інформації; 2 - блок комутації; 3 - акустичний генератор постійної частоти; 4 - випромінювач; 5 - відбивач (поверхня рідини); 6 - приймач; 7 - фазовимірювальний пристрій; 8 - обчислювальний блок; 9 - блок індикації; 10 - блок запису і збереження інформації. На кресленні суцільними лініями зі стрілками позначені електричні зв'язки, а штриховими лініями зі стрілками - оптичні зв'язки. Ультразвуковий датчик горизонту складається з наповнених рідиною посудин та електричних блоків. Стінки посудин виготовлені з гідрофобного звуковбирного матеріалу. Посудини не мають отворів і являють собою закриту систему (є герметично цілісними,повністю ізольовані від впливу зовнішнього середовища). На дні кожної з посудин встановлюється випромінювач та приймач акустичних хвиль, електрично з'єднані з відповідними до креслення блоками, які змонтовані за межами посудин у окремому корпусі. Для вимірювання використовуються три посудини, які встановлюється по дві на двох основах, розташованих взаємно перпендикулярно, і сполучені послідовно (тобто одна посудина для двох основ є загальною і сполучаються обидві посудини на основі) - це дає можливість вимірювати проекції кута нахилу носія на взаємно перпендикулярні напрямки (по осях X та Y). Платформа (основа), на якій встановлюються посудини, закріплюється на будь-якому рухомому апараті - літаку, космічному кораблі і т.д., для якого необхідним є точне визначення положення його вертикалі, що можливо здійснити шляхом вимірювання кута нахилу платформи. 1 UA 101016 C2 5 10 15 Відстань між посудинами на основах є відомою і повинна бути виміряна з високою точністю (при цьому, відстані між сполученими посудинами по осі X і по осі Y можуть бути як однаковими, так і різними). Датчик працює наступним чином. Блок керування та обробки інформації через блок комутації включає генератори. Кожен з генераторів виробляє електричний сигнал опорної частоти (при цьому всі генератори продукують однакову частоту, яка до того ж є постійною) і передає його в випромінювач, який формує електричний сигнал від генератора в звукову хвилю. Акустична хвиля проходить від випромінювача до поверхні рідини (всередині посудини), де на границі рідина-повітря частина хвилі заломлюється, а частина відбивається в напрямку на приймач. Відбита хвиля приймається приймачем і детектується в електричний сигнал, який передається з приймача на фазовимірювальний пристрій, куди також надходить електричний сигнал опорної частоти з генератора. Величина можливих коливань поверхні рідини є меншою, ніж довжина хвилі коливань генератора, тоді ціле число півхвиль, що вкладаються у висоту рідини, для посудин буде однаковим. Використовуючи цю властивість, фазометр вирішує задачу багатозначності наступним чином (для будь-якої з пар посудин - по осі X або Y). Відстань, яку проходить звукова хвиля, є подвійною величиною висоти рідини в посудинах, її можна визначити наступним чином [4]:   S1  N  1   2   S  N      2  2 2 , (1)  20 25 де S1, S2 - висота рідини в двох сполучених посудинах; N - кількість цілих періодів, що міститься в різниці фаз прямих і відбитих коливань, вона є однаковою для всіх посудин; δ1, δ2 - фазові доміри для двох сполучених посудин; λ - довжина акустичної хвилі коливань, які виробляє генератор. Оскільки N є однаковим, то величину перевищення для двох сполучених посудин можна отримати з наступного виразу. h=S1-S2, (2) де h - величина перевищення між двома сполученими посудинами, викликана нахилом основи посудин. Тоді: v  arctg 30 h D , (3) де v - кут нахилу основи, на якій змонтовані сполучні посудини; D - відстань між сполученими посудинами. Підставимо (1) і (2) в (3) і після деяких спрощень остаточно отримаємо: v  arctg 35 40 45 50 1   2  2D . (4) Отримане з формули (4) значення кута нахилу основи v характеризує відхилення вертикалі апарата від свого прямовисного положення і використовується для введення поправки за не вертикальність літального апарата. Величина v визначається для двох основ, на яких закріплені посудини, таким чином отримуються значення проекції кута нахилу основи на осі X та Y - vx і vy. Визначені фазометром значення δ1 і δ2 передаються в обчислювальний блок, куди також надходить значення D з блока керування та обробки інформації, в який ця величина може бути введена за допомогою ручного набору чи безпосередньо від відповідних приладів. З обчислювального блока в блок індикації передають результати розрахунків, інформація про ці результати також передається в блок запису і збереження інформації. Таким чином, запропонований ультразвуковий датчик горизонту дозволяє підвищити точність вимірювання кута нахилу площини горизонту за рахунок поєднання точності фазового методу вимірювання відстаней (з виключенням необхідності вирішувати багатозначність) та усуненням недоліків традиційних рідинних датчиків, які пов'язані з необхідністю фіксувати горизонтальне положення поверхні рідини, яка є чутливою до зовнішніх коливань (у даному пристрої така необхідність відсутня). Література: 1. Боровий В.О. Автоматизація геодезичних вимірювань [навчально-наукове видання] / Боровий В.О., Борисюк Л.В., Бурачек В.Г. - Чернігів: КП "Видавництво "Чернігівські обереги", 2004. - 368 с. 2 UA 101016 C2 5 10 15 20 25 2. Деклараційний патент 10397 Україна, МКИ 7 G02В 13/10. Пристрій визначення вертикалі на рухливому об'єкті / Бурачек В.Г, Крельштейн П.Д., Надточій О.В., Шульц Р.В., Якунін О.В.; заявник і патентовласник Чернігівський державний інститут економіки і управління. - Заявл. 21.04.2005; опубл. 15.11.2005, Бюл. № 11. 3. Справочник геодезиста. В 2-х книгах. Кн. 2 / Справочник геодезиста [под. ред. В.Д. Большакова, Г.П. Левчука]. - [3-е изд., перераб. и доп.]. - М.: Недра, 1985. - 440 с. 4. Костецька Я.М. Геодезичні прилади. Ч.П. Електронні геодезичні прилади: [підручник для студентів геодезичних спеціальностей вузів] / Костецька Я.М. - Львів: ІЗМН, 2000. - 324 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Ультразвуковий датчик горизонту, що містить заповнені рідиною герметичні сполучені посудини, обчислювальний блок і блок керування та обробки інформації, який відрізняється тим, що використані три посудини з гідрофобними звуковбирними стінками, які встановлені по дві на двох основах, розташованих перпендикулярно, і сполучені у верхній та нижній частинах таким чином, що одна посудина для двох основ є загальною, на дні кожної посудини встановлені випромінювач та приймач акустичних хвиль, в датчик введені також акустичні генератори постійної частоти з довжиною хвилі, більшою величини можливих коливань поверхні рідини в посудинах, при цьому виходи блока керування та обробки інформації електрично з'єднані з входами блока комутації та обчислювального блока, вихід блока комутації електрично з'єднаний із входами акустичних генераторів постійної частоти, виходи яких електрично з'єднані з входами випромінювачів та фазовимірювального пристрою, виходи випромінювачів оптично з'єднані з відбивачами, від яких оптичний сигнал надходить до приймачів, виходи приймачів електрично з'єднані з входами фазовимірювального пристрою, вихід якого електрично з'єднаний із входом обчислювального блока, а виходи обчислювального блока електрично з'єднані з входами блока індикації та блока запису і збереження інформації. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3