close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9332

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 9332
(13) C1
(19)
(46) 2007.06.30
(12)
(51)7 G 01L 1/12
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ДАТЧИК СИЛЫ
BY 9332 C1 2007.06.30
(21) Номер заявки: a 20040578
(22) 2004.06.25
(43) 2005.12.30
(71) Заявитель: Закрытое акционерное
общество "Электромеханический
завод" (BY)
(72) Авторы: Чаевский Василий Петрович; Драпезо Александр Петрович;
Ярмолович Вячеслав Алексеевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Электромеханический
завод" (BY)
(56) Новиков В.Ф. и др. Применение трубчатых датчиков для измерения силы //
Дефектоскопия. - 2002. - № 1. - С. 44-48.
BY 5534 C1, 2003.
SU 1582033 A1, 1990.
US 5339699 A, 1994.
DE 10229020 A1, 2004.
(57)
1. Датчик силы, содержащий первый упругий элемент из сплошного металла, в котором выполнено сквозное отверстие, источник постоянного магнитного поля, магниточувствительный элемент Холла, отличающийся тем, что содержит второй упругий элемент,
выполненный расщепленным, например Y-образной формы, из немагнитного материала с
коэффициентом упругой жесткости гораздо меньшим, чем у первого упругого элемента, и
вставленный с усилием в сквозное отверстие первого упругого элемента, при этом на одной ветви второго упругого элемента закреплен источник постоянного магнитного поля с
высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль действия измеряемой силы, а на
второй ветви закреплен магниточувствительный элемент Холла так, что он находится в
непосредственной близости от источника магнитного поля, причем ветви второго упругого элемента выполнены с возможностью микроперемещений под действием приложенной
силы.
Фиг. 1
BY 9332 C1 2007.06.30
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен из закритических материалов, например SmCo5 или NdFeBr, в виде двух миниатюрных противоположно намагниченных частей, расположенных друг от друга на расстоянии, равном
(0,75-1,25)θL,
где θ - магнитная твердость материала магнита,
L - размер магнита вдоль его оси намагничивания,
причем элемент Холла расположен в зазоре между магнитами.
Изобретение относится к средствам измерений и контроля силовых воздействий. Датчик может встраиваться в металлическую конструкцию и использоваться для измерения
больших сил, например веса железнодорожного состава.
Известны магнитоанизотропные преобразователи силы (МАП) [1], функционирующие
на основе магнитоупругого эффекта. В качестве чувствительных элементов МАП силы
обычно применяют кольца из магнитомягких термостабильных марганцево-цинковых
ферритов [1]. Магнитоанизотропные преобразователи силы выполнены по дифференциально-трансформаторной резонансной схеме. Конструкция МАП силы состоит из чувствительного и компенсационного элементов из магнитомягких ферритов с обмотками
возбуждения и измерительными обмотками. Чувствительный и компенсационный элементы жестко прикреплены к металлической панели, расположенной в цилиндрическом корпусе и закрепленной по окружности корпуса. Верх корпуса закрыт подвижным штоком и
крышкой. Шток связан с чувствительным элементом через два стальных шарика и имеет
направляющие отверстия, в которые входят направляющие шпильки, ввернутые в панель.
Шпильки стабилизируют точки касания шариков с чувствительным элементом. Обмотки
возбуждения включены последовательно-согласно, а измерительные включены последовательно-встречно и содержат параллельно им включенный контурный конденсатор. К обмоткам подключены генератор и измерительный прибор по дифференциально-трансформаторной резонансной схеме.
При давлении на шток сила нажатия передается через стальные шарики на чувствительный ферритовый элемент кольцевой формы, в котором возникают механические напряжения. Механические напряжения в кольце приводят к уменьшению его магнитной
проницаемости и появлению разностного сигнала на выходе измерительных обмоток,
пропорционального измеряемой силе. Магнитоупругий эффект изменения магнитной
проницаемости при сжатии или растяжении ферромагнитного образца обусловлен изменением ориентации магнитных доменов по отношению к действующей силе. Статические
характеристики МАП силы обычно близки к линейным зависимостям [1].
Магнитоанизотропные датчики силы имеют ряд недостатков, связанных с низкой точностью измерения больших сил и низкой временной стабильностью. Они практически непригодны для измерения сил в диапазоне 103-106 Н (обычно выпускаются до 1 кН). Низкая
временная стабильность обуславливается проявлением магнитоупругого гистерезиса.
Известен датчик силовых воздействий, функционирующий на пьезомагнитном эффекте [2], наиболее близкий к предлагаемому (прототип), конструкция которого способна работать в диапазоне до 106 Н. Упругим чувствительным элементом является полый
цилиндр или элемент, изготовленный из сплошного металла (стали 30X13), в котором выполнено сквозное отверстие. Сталь предварительно специальным устройством намагничивается и таким образом представляет распределенный источник постоянного магнитного
поля. Для контроля за изменением индукции магнитного поля, вызванного силовым воздействием на упругий элемент, используется хотя бы один магниточувствительный элемент Холла. Датчик работает в аналоговом режиме на основе пьезомагнитного эффекта
остаточной намагниченности магнетика (стали 30X13). При этом остаточная индукция
намагниченности уменьшается с ростом силы сжатия по закону, близкому к линейному,
что и фиксируется элементом Холла.
2
BY 9332 C1 2007.06.30
Хотя этот датчик и может использоваться для измерения больших силовых нагрузок, но
он имеет низкую точность измерения. Это обуславливается плохой повторяемостью выходного сигнала от величины приложенной силы, вследствие наличия большого магнитного гистерезиса остаточной индукции. Как признают авторы [2], требуется многократная
тренировка чувствительного элемента для обеспечения минимальной повторяемости результатов измерений.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения больших силовых нагрузок до 106 Н.
Названный технический результат достигается применением второго Y-образного расщепленного упругого чувствительного элемента с гораздо меньшим коэффициентом упругой
жесткости, вставленного в отверстие первого таким образом, что происходит усиление
микроперемещений первого упругого элемента, и за счет использования источника постоянного магнитного поля с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль действия
силы, размещенного на одной из ветвей второго упругого элемента, обеспечивается высокоточное измерение микроперемещения элементом Холла, а значит, и силы.
1. Предлагаемый датчик силы, содержащий первый упругий элемент из сплошного
металла, в котором выполнено сквозное отверстие, источник постоянного магнитного поля,
магниточувствительный элемент Холла, отличающийся тем, что содержит второй упругий
элемент, выполненный расщепленным, например Y-образной формы, из немагнитного материала с коэффициентом упругой жесткости гораздо меньшим, чем у первого упругого
элемента, и вставленный с усилием в сквозное отверстие первого упругого элемента, при
этом на одной ветви второго упругого элемента закреплен источник постоянного магнитного поля с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль действия измеряемой
силы, а на второй ветви закреплен магниточувствительный элемент Холла так, что он находится в непосредственной близости от источника магнитного поля, причем ветви второго упругого элемента выполнены с возможностью микроперемещений под действием
приложенной силы.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен из закритических материалов, например SmCo5 или NdFeBr, в виде двух миниатюрных противоположно намагниченных частей, расположенных друг от друга на расстоянии, равном
(0,75-1,25)θ⋅L,
где θ - магнитная твердость материала магнита,
L - размер магнита вдоль его оси намагничивания,
причем элемент Холла расположен в зазоре между магнитами.
Анализ предлагаемого решения и известных показывает, что датчик содержит ряд новых элементов, позволяющих осуществить повышение точности измерения силы в диапазоне до ∼106 Н. Новым является использование второго расщепленного упругого элемента
с гораздо меньшим коэффициентом упругой жесткости, Y-образной формы, вставленного
в отверстие конструкции; размещение источника магнитного поля и магниточувствительного элемента Холла на двух противоположных ветвях расщепленного упругого элемента;
оптимизация выполнения источника магнитного поля из закритических материалов в виде
противоположно намагниченных идентичных частей для реализации постоянного градиента магнитного поля в зазоре. Хотя использование магнитов, намагниченных противоположно, известно, но оптимизация геометрических размеров и связь с характеристиками
материала являются новыми.
Сопоставительный анализ с ранее известными техническими решениями и прототипом показывает, что предлагаемая совокупность отличительных признаков является существенной.
Измерение силы осуществляется при помощи элемента Холла за счет изменения индукции магнитного поля в области взаимомикроперемещений элемента Холла и источника магнитного поля, а не за счет изменения остаточной намагниченности образца под
3
BY 9332 C1 2007.06.30
действием силы, которое нестабильно и плохо повторяемо. Причем использование второго упругого элемента Y-образной формы позволяет увеличить диапазон относительных
микроперемещений механических частей датчика под действием силы в 5-10 раз, что и
позволяет использовать элемент Холла наиболее целесообразно.
Если по п. 1 для линеаризации зависимости выходного сигнала от величины силы
предпочтительным является процессорная обработка сигнала, то использование источника магнитного поля с постоянным градиентом индукции магнитного поля в соответствии с
п. 2 позволяет получить исключительно линейный выходной сигнал. Здесь существенным
является выявление связей с характеристиками материала и оптимизация размеров магнитов
и зазора между ними для создания области с высоким постоянным градиентом магнитного
поля, обусловленного магнитными источниками, изготовленными из закритических материалов. Именно эти признаки, взятые в совокупности, являются существенными, новыми
и обеспечивают решение поставленной задачи по увеличению точности измерений.
На фиг. 1 изображена конструкция датчика силы; на фиг. 2 - зависимость индукции
магнитного поля (ее нормальной составляющей Вn к пластине Холла) от перемещения
элемента Холла в зазоре: расчет для магнитов, изготовленных из закритических материалов SmCo20MGOe в форме таблеток с радиусом R = 2,5 мм, длиной L = 3,0 мм и намагниченных соосно-противоположно при различных значениях выбора зазора между ними:
I - d = l,0 мм, II - d = 2,25 мм, III - d = 3,0 мм, IV - d = 3,75 мм, V - d = 6,0 мм соответственно (d для линий II, III, IV выбрано в соответствии с диапазоном, указанным в п. 2 формулы
предлагаемого изобретения, а I и V - вне этого диапазона); на фиг. 3 - экспериментальная
зависимость сигнала с элемента Холла датчика силы от величины приложенной статической силы F (в качестве воспринимающего силу упругого элемента использовался железнодорожный рельс с просверленным в его тонкой части сквозным отверстием).
Датчик содержит воспринимающий силу упругий металлический элемент 1 со сквозным отверстием 2, магниточувствительный элемент Холла 3, который размещен в непосредственной близости от источника постоянного магнитного поля 4, геометрическая форма
которого и размеры могут иметь различные модификации, например параллелепипед или
два идентичных магнита длиной L и, зазором d между ними, второй упругий расщепленный элемент 5 с гораздо меньшим коэффициентом упругой жесткости, выполненный из
немагнитного материала, например Y-образной формы (внешняя линия поверхности
должна содержать небольшой наклон под углом 3-10 градусов), вставлен в отверстие 2 с
усилием, которое регулируется гайкой 6, корпус датчика 7 из магнитомягкого материала
дополнительно выполняет роль ферромагнитного экрана, через резиновые герметизирующие прокладки 8 прижат к упругому элементу 1. На одной ветви расщепленного Yобразного упругого элемента в его торце жестко закреплен источник постоянного магнитного поля 3 с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль действия измеряемой
силы, а на второй ветви в торце - магниточувствительный элемент Холла 3.
Датчик работает следующим образом. При воздействии сжимающей силы F на упругий чувствительный элемент 1, вследствие микродеформации сквозного отверстия 2, действие силы передается упругому расщепленному элементу 5, ветви которого сближаются.
Поскольку длина ветви элемента 5 значительно больше размера упругого элемента 1 в его
тонком сечении, то по правилу рычага происходит усиление величины микроперемещений упругого элемента 1, и торцы ветвей, где расположены источник магнитного поля и
элемент Холла, перемещаются относительно друг друга в n раз больше. На практике, при
целесообразном выборе геометрических размеров, величина n может находиться в диапазоне 5-10, что позволяет эти микроперемещения фиксировать сигналом с элемента Холла.
То есть перемещение элемента Холла 3 вблизи источника магнитного поля 4 с высоким
градиентом индукции магнитного поля позволяет получить зависимость выходного сигнала от величины приложенной силы. Эта зависимость является однозначной и в общем
случае нелинейной, что, как правило, требует микропроцессорной обработки сигнала.
4
BY 9332 C1 2007.06.30
Для получения линейной зависимости выходного сигнала от величины приложенной
силы необходимо реализовать область линейного изменения индукции магнитного поля
от величины перемещения магниточувствительного элемента, т.е. область с постоянным
градиентом индукции магнитного поля. Для этого нужно выбрать оптимальные параметры
источника магнитного поля (геометрическую форму, рабочую область, материал магнита).
Рассмотрим оптимальную форму источника постоянного магнитного поля, выполненного из редкоземельных материалов. Как известно [3], при оптимальной форме магнита
рабочая точка на характеристике размагничивания в координатах В-Н (индукция магнитного поля - напряженность магнитного поля) совпадает с точкой (Bd, Hd) максимума
удельной энергии. Так как внешняя проводимость λ = const, то характеристика внешней
проводимости имеет вид прямой, угол α наклона которой определяется условием
tg α = Bd/Hd. Для закритических материалов Bd = Вr/2 и Hd = НсВ/2, где Вr, НсВ - соответственно остаточная индукция и коэрцитивная сила по индукции магнита [3]. Следовательно,
tg α = Вr/НсВ = µ0/θ, где θ = µ0НсВ/Вr - магнитная твердость материала. Крутизна наклона
характеристики приведенной проводимости tg α = λ0 L/Sм, где L - длина магнита вдоль
его оси намагничивания, a Sм - площадь нейтрального сечения. Если магнит не имеет полюсных наконечников и находится в непосредственной близости к рабочему зазору, то
рассеянием с боковой поверхности можно пренебречь и считать λ0 = µ0 Sм/d, где d - длина
воздушного зазора. Используя приведенные формулы, получаем Вr/НсВ = µ0 L/d. И для закритических материалов d = L⋅θ. Следовательно, оптимальная длина магнита соизмерима
с длиной воздушного зазора (т.к. θ ≈ 1 [3]). Последняя формула d = L⋅θ позволяет выбрать
рабочий интервал перемещений элемента Холла в относительной близости от источника
магнитного поля, выполненного из закритических материалов.
Для источника постоянного магнитного поля, изготовленного из закритических материалов, состоящего из двух идентичных частей длины L, намагниченных взаимно противоположно и раздвинутых на расстояние d, характерен постоянный градиент индукции
магнитного поля внутри зазора, если величина зазора находится в диапазоне (0,75 1,25) L⋅θ, что согласуется с вышеприведенной аналитической формулой. Для доказательства правильности выбора указанного диапазона нельзя получить строгие аналитические
формулы (возможно только численное решение уравнений Максвелла с учетом характеристик магнитов и их конфигурации), поэтому было проведено компьютерное моделирование с использованием программы femme 33 [4] распределения индукции магнитного
поля внутри зазора противоположно намагниченных магнитов, по литературным характеристикам закритических материалов, что представлено на фиг. 2. Анализ результатов
компьютерного моделирования, проведенного для большого числа материалов магнитов
как импортного производства (SmCo 20MGOe, SmCo 24MGOe, SmCo 27MGOe, NdFeB
32MGOe, NdFeB 34MGOe, NdFeB 37 MGOe), так и производства РФ (КС25ДЦ-150,
КС25ДЦ-175, КС25ДЦ-190, КС25ДЦ-210, КС25ДЦ-225, КС25ДЦ-240, КС36А, КС37,
КС37А и др.), показал оптимальность выбора зазора d из диапазона (0,75 - 1,25) θ L⋅для
обеспечения строгой линейности выходной характеристики датчика силы, где L - размер
магнита вдоль его оси намагничивания, а θ - магнитная твердость материала, причем элемент Холла размещен в зазоре между магнитами. Все результаты моделирования не приведены, поскольку они подобны изображенным на фиг. 2. Таким образом, п. 2 настоящей
формулы изобретения является обоснованным.
Пример 1.
Был изготовлен и экспериментально апробирован датчик силы с конструкцией, приведенной на фиг. 1. В качестве воспринимающего силу упругого элемента использовался
железнодорожный рельс с просверленным в его тонкой части сквозным отверстием диаметром 30 мм. Расщепленный упругий элемент Y-образной формы изготавливался из не5
BY 9332 C1 2007.06.30
ржавеющей стали. Источником постоянного магнитного поля с постоянным градиентом
индукции служили два самарий-кобальтовых магнита марки КС-37А (остаточная магнитная индукция 0,82 Тл, коэрцитивная сила по индукции 560 кА/м, максимальная магнитная
энергия 65 кДж/м3) закрепленные на торце одной из ветвей расщепленного упругого элемента. Магниты имели форму таблетки диаметром 5 мм и длиной 3 мм, были намагничены
соосно-противоположно и установлены с зазором d = L = 3 мм. В качестве магниточувствительного элемента использовался миниатюрный преобразователь Холла, выпускаемый УП
"Холтрон" (г. Минск), изготовленный из гетероэпитаксиальной структуры n-InSb-i-GaAs,
с чувствительностью 500 мВ/Тл, габаритами чувствительной области 100×100×3 мкм и
общей толщиной, не превышающей 250 мкм. Экспериментальная зависимость выходного
напряжения элемента Холла от величины приложенной квазистатической внешней силы
представлена на фиг. 3 и является строго линейной, и не имеет гистерезиса. На основании
общих законов теории упругости можно утверждать, что конструкция предложенного
датчика силы будет обеспечивать решение поставленной задачи по высокоточному определению силы до уровня нагрузок, не превышающих начала упруго-пластического течения в массивном упругом элементе 1. Дополнительным преимуществом предложенного
датчика является возможность его встраивания в массивные металлические опоры и несущие конструкции при условии наличия сквозного отверстия. При этом уровень измеряемых сил может быть ограничен только началом пластических деформаций в них.
Источники информации:
1. Дубинин А.Е. Магнитоанизотропные преобразователи силы. Библиотека по автоматике. Вып. 679. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 10-13.
2. Новиков В.Ф., Бахарев М.С., Яценко Т.Я., Сысоев С.М. Применение трубчатых датчиков для измерения силы в аналоговом режиме или режиме памяти // Дефектоскопия. № 1. - 2002. - С. 44-48.
3. Постоянные магниты. Справочник / Под. ред. Ю.М. Пятина. - М.: Энергия, 1980. - 488 с.
4. Сайт в Интернете: http/femm.berlios.de.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
130 Кб
Теги
by9332, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа