Магнитоанизотропный датчик механических усилий

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

A@4 С 01 1 1/12 (21) 4014158/24-10 (22) 21.01.86 (46) 23.06.87, Бюл. N - 23 (71) Ленинградское вйсшее инженерное морское училище им.адм.С.О.Макарова (72) А.Б.Галактионов, H.Å.Æàäoáèí и Б.Н.Цырульников (53) 531.781 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1020756, кл. G 01 В 7/24, 1981.

Автоматические устройства с магнитоупругими преобразователями. М.:

Энергия, 1974, с. 6, рис. 1е.

ÄÄSUÄÄ 1318810 А1 (54) МАГНИТОАНИЗОТРОПНЫЙ ДАТЧИК МЕ- .

ХАНИЧЕСКИХ УСИЛИЙ (57) Изобретение относится к приборостроению, Цель изобретения — повышение точности при динамических напряжениях усилий. При приложении механической нагрузки к сердечнику 1 в нем появляется магнитная анизотропия (МА), величина которой зависит от величины приложенной механической нагрузки, MA приводит к отклоне- . нию касательной к линии вектора магнитной индукции от плоскости преоб1318810 разователя Холла. На измерительных электродах последнего возникают электрические напряжения, которые складываются в сумматоре 13, а затем поступают на вход измерительного прибора 14, Преобразователи установлены в отверстиях сердечника так, что их плоскости образуют углы 45 и 135 к осям сердечника. Такое расположение обеспечивает отсутствие нулевого

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения механических напряжений, сил, веса, давления в различных областях техники, Цель изобретения — повышение точности при динамических измерениях усилий.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика и схема подключения преобразователей Холла, на фиг. 2 — распределение вектора магнитной индукции в сердечнике датчика при приложении к нему механических усилий, на фиг. 3 — зависимость выходного напряжения от величины приложений нагрузки, на фиг. 4 — конструкция четырехсекционной возбуждающей обмотки, Магнитоанизотропный преобразователь содержит ферромагнитный сердечник 1, в котором выполнены щелевидные прорези 2-5, образующие квадрат с центром в отверстии 6. В щелевидных прорезях преобразователи1 Холла

7-10 установлены таким образом, что о их плоскости образуют углы в 45 и

135 с осями Х и Y сердечника. Возбуждающий проводник 11 и преобразователи Холла своими токовыми электродами подключены к соответствующим выходам источника 12 питания. Измерительные электроды преобразователей

Холла подключены к соответствующим входам суммирующего усилителя (сумматора) 13. Выход сумматора соединен с измерительным прибором t4. Возбуждающий узел также может быть выполнен в виде четырехсекционной 06мотки 15. сигнала, т.е. силовые линии магнитного поля в отсутствие нагрузки лежат в плоскости преобразователя, не пересекая ее. Погрешности в отстройке от нулевого сигнала, связанные с неэквипотенциальностью холловских электродов, уменьшают регулировкой смещения суммирующего усилителя 13 °

1 з.п. ф-лы, 4 ил.

В предлагаемом датчике целесообразно использовать ферромагнитные преобразователи Холла, изготавливаемые из электротехнической стали,на5 пример, марки 34 12 или 3320, из такой стали может быть изготовлен и сердечник датчика, Зазоры между преобразователями Холла и сердечник целесообразно заполнить непроводящей ферромагнитной пастой или уплотнениями иэ ферромагнитной резины.

Могут быть также использованы и полупроводниковые преобразователи

Холла, которые отличаются большей чувствительностью. В этом случае отверстия выполняют в виде прорезей, продольный размер которых значительно превосходит поперечный (а » Ъ), го причем размером прорезь а расположена вдоль диагонали квадрата перпендикулярно линиям магнитной индукции (фиг, 2), Преобразователи Холла своими токовыми электродами подключены к отдельным выходам источника питания.

Выходы источника могут быть выполнены, например, как вторичные обмотки силового трансформатора, соединенные с выпрямителями.

В измерительном узле (фиг, 1) холловские электроды преобразователей

7 и 9 подключены к инвертирующему входу суммирующего усилителя 13, а холловские электроды преобразовате З5.лей 8 и .10 — к неинвертирующему входу, так как направления компоненты

Br для пары 7, 9 и пары 8, 10 противоположны, а знак напряжения Холла зависит от направления индукции.

Такое подключение преобразователей

3 13188

Холла к источнику питания и сумматору позволяет избежать взаимного влияния преобразователей, В датчиках, предназначенных для измерения больших механических усилий, сердечник которых имеет сравнительно большие размеры, возбуждающий узел целесообразно выполнить в виде четырехсекционной возбуждающей обмотки (фиг. 4), уложенной в цент- 10 ральном отверстии, или, например, в вырезах внешних поверхностей. Электрические токи в секциях имеют одинаковые направления и создают магнитное поле, линии индукции которого 15 замыкаются по сердечнику, аналогично полю одиночного проводника.

Предлагаемый магнитоанизотропный датчик работает следующим образом.

Датчик устанавливают в измеряемую 20 конструкцию таким образом, чтобы нагрузка, например, через дополнительную силопередающую арматуру была приложена к торцовым плоскостям ферромагнитного сердечника 1. Через возбуждающий проводник 11 и токовые электроды преобразователей Холла 7-10 пропускают электрический ток от источника 12 питания (фиг. 1). Проводник 11 с током создает в ферромагнит- 30 ном сердечнике 1 магнитное поле, линии магнитной индукции В которого представляют собой концентрические окружности с центром в месте расположения проводника, Магнитное поле 35 от подводящих ток проводов, удаленных от сердечника, можно не учитывать. Поэтому выходной сигнал преобразователей Холла, установленных в отверстиях так, что их плоскости со- 40 держат касательные к линиям магнитной индукции В, равен нулю, При приложении механической нагрузки к сердечнику 1 в нем появля- 45 ется магнитная анизотропия, оси которой совпадают с направлением действия главных механических напряжений

С в сердечнике. Величина наведенной механической анизотропии зависит от величины приложенной механической нагрузки. Магнитная анизотропия приводит к трансформации линий магнитной индукции из -окружностей в эллипсы, и, как следствие этого, к откло- 55 нению касательной к линии вектора магнитной индукции от плоскости преобразователя Холла, Это отклонение вызывает появление компоненты векто10 4 ра Br, перпендикулярной плоскости преобразователя. Модуль этой компоненты IBrI тем больше, чем ббльше механические усилия, приложенные к сердечнику датчика. На измерительных электродах преобразователей Холла возникают электрические напряже-, ния, пропорциональные IBrl, которые складываются в сумматоре 13, а затем поступают на вход измерительного прибора 14. Градуировку измерительного прибора выполняют по суммарному сигналу, который пропорционален приложенной механической нагрузке.

Величина компоненты Br может быть определена из выражения

Л з(у-Й ) вхп2м

Вг— где i — сила электрического тока, р„,р„- магнитные проницаемости сердечника преобразователя в прямоугольной системе К0ординат Х, Y ориентированной так, что, например ось Х совпадает с продольной осью сердечника;

r — величина радиуса-вектора, проведенного из начала координат до точки наблюдения, d, — — угол между положительным направлением оси Х и радиусомвектором r.

Уравнение силовых линий вектора магнитной индукции В в сердечникс преобразователя под механической нагрузкой P в прямоугольной системе координат Х, Y является уравнением эллипса:

2 ух + I xy = Су которое в отсутствие нагрузки (Р=О) преобразуется в уравнение окружности с центром в точке расположения проводника с электрическим током.

Как видно из приведенного аналитического выражения и построений, показанных на фиг. 2, преобразование силовых линий вектора В из окружностей в эллипсы приводит к появлению компоненты, перпендикулярной плоскости преобразователя Холла, и выходного сигнала на измерительных электродах, Наибольшее значение комо понента Br имеет при 4=45, Поэтому преобразователи установлены в отверстиях сердечника так, что их плоскос1 . Магнитоаниз отр опный датчик механических усилий, содержащий ферромагнитный сердечник, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с отверстиями, осевые линии которых являются диагоналями квадратного сече5 131 ти образуют углы 45 и 135 к осям сердечника. Кроме того, такое расположение преобразователей Холла обеспечивает отсутствие нулевого сигнала, так как силовые линии магнитного поля в отсутствие нагрузки лежат в плоскости преобразователя, не пересекая ее.

Погрешности в отстройке от нулевого сигнала, связанные с неэквипотенциальностью холловских электродов, отклонением реальной картины распределения индукции от идеальной, приведенной на фиг. 2, при питании постоянным током, уменьшают до допустимых значений, например, с помощью регулировки смещения суммирующего усилителя 13. формулаизобретения

8810 6 .ния сердечника, возбуждающий и измерительный узлы, источник питания и регистрирующий прибор, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения точности при динамических измерениях усилий, измерительный узел содержит преобразователи Холла и сумматор, а в центре сердечника выполнено отверстие, в котором распо-!

О ложен возбуждающий узел в виде проводников, причем отверстия в вершинах квадратного сечения сердечника выполнены в виде прорезей, продольная сторона которых расположена вдоль

15 диагонали квадрата, в прорезях под углами 45 и 135 к осям сердечника установлены преобразователи Холла, измерительные электроды которых подключены к соответствующим входам сум20 матора.

2. Кагнитоанизотропный датчик по п. 1, отличающийся тем, что возбуждающий узел выполнен в виде четырехсекционной обмотки, расположенной в центральном отверстии и на взаимно перпендикулярных гранях сердечника.

1318810 СМОКС

0,2

0,2 О.Ч 06 08 li6 !Кнаусс.

Фиг.3

1$

Составитель В.Родин

Редактор H.Åãoðoâà Техред В.Кадар Корректор А.Ильин

Заказ 2498/32 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,