close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14920

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.10.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14920
(13) C1
(19)
G 01P 15/00
G 01P 15/02
ДАТЧИК УДАРНЫХ УСКОРЕНИЙ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА
(21) Номер заявки: a 20091013
(22) 2009.07.07
(43) 2011.02.28
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное
объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексеевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) JP 9101323 A, 1997.
RU 2248577 C1, 2005.
RU 2257590 C1, 2005.
RU 2305847 C1, 2007.
SU 1429039 A1, 1988.
US 4984463 A, 1991.
JP 4344467 A, 1992.
BY 14920 C1 2011.10.30
(57)
1. Датчик ударных ускорений на эффекте Холла, содержащий немагнитную цилиндрическую ячейку с крышкой, элемент Холла, размещенный в центре под крышкой, инерционную массу в ячейке, постоянный магнит цилиндрической формы, расположенный под
дном цилиндрической ячейки на ее оси и намагниченный аксиально, отличающийся тем,
Фиг. 1
BY 14920 C1 2011.10.30
что ячейка выполнена прозрачной, в качестве инерционной массы используется магнитная
жидкость с сильной зависимостью ее вязкости от воздействия приложенного внешнего
магнитного поля, постоянный магнит выполнен с возможностью перемещения относительно ячейки с магнитной жидкостью в вертикальном направлении и зафиксирован на
заданном расстоянии от границы раздела "дно немагнитной ячейки - поверхность магнитной жидкости" таким образом, что магнитная жидкость принимает форму усеченного конуса,
причем площадь меньшего основания конуса приблизительно равна площади пластины
элемента Холла.
2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитной жидкости используется коллоидная взвесь твердых наночастиц Fe3O4 или наночастиц кобальта диаметром от
5 до 6 нм в олеиновой кислоте с объемной долей твердой фазы в интервале значений от
0,2 до 0,3.
Датчик ударных ускорений на эффекте Холла относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть преимущественно использован для определения
ускорений при ударном воздействии, в том числе для определения порогового значения
ускорения, при котором инициируются пассивные автомобильные системы защиты водителя и пассажиров, например подушки безопасности.
Известен датчик ускорений на эффекте Холла (акселерометр), построенный на механическом принципе, с твердотельной инерционной массой [1], который фиксирует ускорения в горизонтальной плоскости независимо от направления.
Он состоит из цилиндрического корпуса, внутренняя стенка (дно) которого имеет форму
полусферы, в котором свободно лежит твердотельная инерционная масса в виде полушара, но значительно меньшего радиуса, чем радиус полусферы внутренней стенки корпуса.
На горизонтальной плоскости полушара укреплен постоянный магнит цилиндрической
формы. Над магнитом под крышкой корпуса датчика укреплен неподвижно элемент Холла. При возникновении ускорений в горизонтальной плоскости в любом из направлений
полушар с постоянным магнитом отклоняется от положения устойчивого равновесия. При
этом магнит не только удаляется от элемента Холла, но и поворачивается. Изменения индукции магнитного поля фиксируются элементом Холла, по которым судят о величине
ускорения. После окончания воздействий инерционная масса стремится занять положение
устойчивого равновесия в нижней точке полусферы, которая характеризуется минимумом
потенциальной энергии.
Он имеет низкие эксплуатационные характеристики и достаточно объемен. Этот датчик имеет низкую воспроизводимость измерений за счет гистерезиса возвращения инерционной массы в исходное состояние, плохую устойчивость к ударным воздействиям и
низкую долговечность при больших величинах ударных ускорений, вплоть до деградации
или разбивания магнита.
Известен также датчик ускорений на эффекте Холла [2], построенный на механическом принципе, с твердотельной инерционной массой в форме полушара с цилиндрическим
постоянным магнитом, закрепленным на плоском основании полушара, и вторым постоянным магнитом, находящимся в немагнитном корпусе под полушаром [2] (прототип). В
этом акселерометре дно цилиндрического корпуса является плоским, а под крышкой корпуса размещен элемент Холла, аналогично как и в предыдущем датчике. При возникновении ускорений в горизонтальной плоскости в любом из направлений полушар с
постоянным магнитом отклоняется от положения устойчивого равновесия. При этом магнит не только удаляется от элемента Холла, но и поворачивается. Изменения индукции
магнитного поля фиксируются элементом Холла, по которым судят о величине ускорения.
После окончания воздействий инерционная масса стремится занять положение устойчивого
2
BY 14920 C1 2011.10.30
равновесия вследствие силового притяжения двух магнитов, установленных противоположными полюсами друг к другу. Кроме того, взаимодействие этих двух магнитов обеспечивает демпфирующее действие и быстрое затухание колебательных движений
инерционной массы.
Этот датчик также имеет низкие эксплуатационные характеристики. Он имеет низкую
воспроизводимость измерений за счет магнитного гистерезиса возвращения инерционной
массы в исходное состояние, плохую устойчивость к ударным воздействиям и низкую
долговечность при больших величинах ударных ускорений, вплоть до деградации или
разбивания магнита.
Задачей, решаемой в предложенной конструкции датчика ускорений, является повышение эксплуатационных характеристик, а именно: обеспечение высокой устойчивости к
ударным воздействиям и воспроизводимости измерений, а также долговечности при любых уровнях ускорений, возможных при соударениях.
Названный технический результат в основном достигается применением магнитной
жидкости с сильной зависимостью ее вязкости от воздействия приложенного внешнего
магнитного поля в качестве инерционной массы.
Предлагаемый датчик ударных ускорений на эффекте Холла содержит немагнитную
цилиндрическую ячейку с крышкой, элемент Холла, размещенный в центре под крышкой,
инерционную массу в ячейке, постоянный магнит цилиндрической формы, расположенный под дном цилиндрической ячейки на ее оси и намагниченный аксиально, и отличается тем, что ячейка выполнена прозрачной, в качестве инерционной массы используется
магнитная жидкость с сильной зависимостью ее вязкости от воздействия приложенного
внешнего магнитного поля, постоянный магнит выполнен с возможностью перемещения
относительно ячейки с магнитной жидкостью в вертикальном направлении и зафиксирован на заданном расстоянии от границы раздела "дно немагнитной ячейки - поверхность
магнитной жидкости" таким образом, что магнитная жидкость принимает форму усеченного конуса, причем площадь меньшего основания конуса приблизительно равна площади
пластины элемента Холла.
Датчик отличается также тем, что в качестве магнитной жидкости используется коллоидная взвесь твердых наночастиц Fe3O4 или наночастиц кобальта диаметром от 5 до 6 нм в
олеиновой кислоте с объемной долей твердой фазы в интервале значений от 0,2 до 0,3.
Анализ предлагаемого решения и известных показывает, что датчик содержит ряд новых
элементов, позволяющих осуществить повышение его эксплуатационных характеристик.
Ячейка выполнена прозрачной. В качестве инерционной массы используется магнитная жидкость с сильной зависимостью ее вязкости от воздействия приложенного внешнего магнитного поля. Источником внешнего магнитного поля служит постоянный магнит
цилиндрической формы, например, из SmCo5, намагниченный в осевом направлении, изготовленный с возможностью перемещения относительно ячейки с магнитной жидкостью
в вертикальном направлении, причем он зафиксирован на заданном расстоянии от границы
раздела "дно немагнитной ячейки - поверхность магнитной жидкости". Магнит устанавливается на расстоянии, при котором магнитная жидкость принимает форму усеченного
конуса, причем площадь меньшего основания конуса приблизительно равна площади пластины элемента Холла, что является следствием оптимизации конструкции для повышения
чувствительности датчика к уровню ускорения. По уровню техники не выявлено технических решений, обладающих представленной совокупностью существенных признаков,
характеризующих заявляемое изобретение. Cледовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "новизна".
Магнитные жидкости, их свойства и поведение в магнитном поле известны в литературе, например [3]. Заявляемое изобретение может быть осуществлено и применено в ав3
BY 14920 C1 2011.10.30
томобильной промышленности для измерения ускорения, следовательно, предложенный
датчик соответствует критерию "промышленная применимость".
При наличии ускорения по любому направлению в горизонтальной плоскости конус
из магнитной жидкости упруго отклоняется от оси симметрии, и, следовательно, изменяется величина индукции магнитного поля, измеряемая элементом Холла. По величине изменения сигнала элемента Холла можно судить о величине ускорения. При превышении
ускорением порогового значения частицы магнитной жидкости разлетаются из конуса к
боковой стенке ячейки, и наблюдается значительное и резкое изменение выходного сигнала элемента Холла. После прекращения кратковременного силового воздействия частички магнитной жидкости опять собираются в форме конуса.
Поскольку инерционная масса не является твердым телом, ее нельзя повредить при
любых ускорениях, практически возможных при соударениях, чем и достигается "сверхэффект" и обеспечивается значительное повышение указанных эксплуатационных характеристик. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки
которых обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении комплексной
задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения
условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено изображение датчика в разрезе вдоль оси симметрии при
условии отсутствия ускорения в горизонтальной плоскости.
На фиг. 2 - изображение датчика в разрезе вдоль оси симметрии при условии наличия
ускорения
На фиг. 3 приведена осциллограмма, отражающая типичную зависимость выходного
сигнала с датчика Uc от времени при ударном воздействии.
Датчик ударных ускорений на эффекте Холла содержит немагнитную прозрачную
ячейку 1, в которой находится инерционная масса - магнитная жидкость с сильной зависимостью вязкости от магнитного поля, которая закрыта немагнитной крышкой 3, элемент
Холла 4, размещенный в центре под крышкой 3, корпус датчика 5, имеющий отверстия
для крепления. В корпусе 5 может перемещаться немагнитный цилиндрический шток 6 с
закрепленным в нем постоянным цилиндрическим магнитом 7, намагниченным аксиально. Предпочтительным является выбор магнита из редкоземельных материалов, например
из SmCo5, с высокой остаточной индукцией, а также диметра магнита, который бы превышал внутренний диаметр ячейки с магнитной жидкостью. 8 - средства крепления крыши ячейки и фиксации магнита 7.
Датчик работает следующим образом. Сначала выполняется настройка датчика. При
настройке шток 6 с постоянным магнитом 7 плавно передвигают снизу вверх, наблюдая за
состоянием поверхности магнитной жидкости 2. Вначале поверхность магнитной жидкости преобразуется из плоской в "ершеобразную", состоящую из множества мелких конусов (пиков), выходящих из выпуклой поверхности и торчащих в разные стороны [3,
с. 108]. Своеобразное поведение магнитной жидкости в магнитном поле обусловлено зависимостью давления в магнитной жидкости от величины поля и скачком давления на
границе раздела. Воздействие неоднородного магнитного поля с градиентом индукции B
параллельны вектору силы тяжести g приводит к тому, что толщина слоя магнитной жидкости в области поля увеличивается настолько, чтобы гидростатическое давление уравновесило магнитное давление в этой области. Скачок давления возникает, прежде всего, в
результате разрыва нормальной компоненты напряженности магнитного поля при переходе через границу раздела двух сред с разными значениями намагниченности. Стационарная форма поверхности устанавливается при равновесии магнитных, гравитационных и
капиллярных сил. Таким образом, магнитным полем можно воздействовать на форму и
устойчивость поверхности магнитной жидкости [3, с. 109].
4
BY 14920 C1 2011.10.30
С продвижением магнита 7 ближе к дну ячейки 1, т.е. изменением gradB, форма магнитной жидкости, обладающей высокой вязкостью и являющейся своеобразной инерционной массой, изменяется. Она превращается в единственный конус, который при касании
крышки превращается в усеченный конус; площадью меньшего основания конуса можно
управлять магнитом 7. Положение магнита 7 фиксируется средствами крепления 8, когда
выполняется условие: площадь меньшего основания конуса приблизительно равна площади пластины элемента Холла. Естественно, количество магнитной жидкости должно быть
достаточно, которое подбирается экспериментально исходя из размеров ячейки и магнита.
Поскольку магнитная жидкость выполняет функции упругой инерционной массы, далее датчик калибруется при постоянном ускорении для определения его чувствительности
к ускорению (определяется зависимость изменения ЭДС Холла от величины ускорения a,
т.е. Ux(a)). Если на выход датчика подать напряжение противоположной полярности величиной U0 = Ux при a = 0, то выходной сигнал с датчика Uc = Ux(a) - U0. Он равен нулю
в отсутствие ускорений. Далее функционирование датчика происходит по следующей
схеме.
Элемент Холла, находящийся у вершины конуса, воспринимает магнитное поле как
суперпозицию магнита и магнитной жидкости конусообразной формы. При небольших
ускорениях в любом из направлений в горизонтальной плоскости изменяется сигнал с
датчика Uc, по величине которого можно судить о величине ускорения. На фиг. 3 приведена осциллограмма, отражающая типичную зависимость выходного сигнала с датчика Uc
от времени при ударном воздействии.
При значительных уровнях ударных воздействий, когда величина ускорения превышает пороговое значение, частицы магнитной жидкости разлетаются из конуса к стенке
ячейки и наблюдается значительное и резкое изменение выходного сигнала. После прекращения кратковременного силового воздействия частички магнитной жидкости опять
собираются в форме конуса, а процессорная программа обработки сигнала решает вопрос
об использовании системы аварийной защиты автомобиля (например, подушек безопасности). В результате демпфирования колебаний инерционной массы из-за магнитного взаимодействия постоянного магнита с магнитной жидкостью выходной сигнал с датчика
приближается к нулевому значению, и датчик опять готов к новым измерениям.
Поскольку инерционная масса не является твердым телом, ее нельзя повредить при
любых ускорениях, практически возможных при соударениях, чем и обеспечивается значительное повышение указанных эксплуатационных характеристик, а именно: обеспечивается высокая устойчивость к ударным воздействиям и воспроизводимость измерений, а
также долговечность при любых уровнях ускорений, возможных при соударениях.
Источники информации:
1. Патент JP 7294546, МПК G 01P 15/08, 1995.
2. Патент JP 9101323, МПК G 01P 15/00, G 01P 15/08, G 01P 15/18, 1997 (прототип).
3. Фертман В.Е. Магнитные жидкости: Справ. пособие - Минск: Высшая школа, 1988 С. 45-80, 104-109.
5
BY 14920 C1 2011.10.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
647 Кб
Теги
by14920, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа