Датчик параметров движения
Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения линейных ускорений и скоростей перемещений элементов механизмов и машин , конструкций сооружений и платформ градуировочных стендов. Сущность изобретения состоит в том, что датчик включает в себя магнитопровод, постоянный магнит со штоком, подвижную и неподвижную измерительные обмотки, две концентрические короткозамкнутые из неферромагнитного материала цилиндрические .гильзы. Подвижная обмотка установлена внутри гильзы меньшего диаметра и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси датчика совместно с магнитом. Длина подвижной обмотки выбрана равной двум длинам магнита. Магнитопровод выполнен с прорезью по образующей. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 P 15/00
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 (21) 4818137/10 (22) 24.04.90 (46) 15.12.92, Бюл. ¹ 46 (72) П.M,Øåðäàêîâ, А.Н.Михайлов и А.С.РуДЫЙ (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 169903, кл. G 01 P 15/11, 1963, Авторское свидетельство СССР № 366414, кл. 6 01 Р 15/11, 1970. (54) ДАТЧИК ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения линейнйх ускорений и скоростей перемещений элементов механизмов и маИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных ускорений и,скоростей перемещений элементов механизмов и машин, конструкций сооружений и платформ градуировочных стендов, Известно устройства для бесконтактного измерения скоростей и ускорений движущихся электропроводных тел. Устройство содержит трехстержневой магнитопровод, обмотку возбуждения, посаженную на средний стержень и запитываемую переменным током, две измерительные обмотки, посаженные на крайние стержни и включенные навстречу друг другу. Недостатком устройства является необходимость применения специальных генераторов высокой частоты для питания обмотки возбуждения, а также то, что в измерительных обмотках, включенных последовательно друг другу, индуциру.. Ы 1781621 А1 шин, конструкций сооружений и платформ градуировочных стендов, Сущность изобретения состоит в там, что датчик включает в себя магнитопровод, постоянный магнит со штоком, подвижную и неподвижную измерительные обмотки, две концентрические короткозамкнутые из неферромагнитного материала цилиндрические гильзы. Подвижная обмотка установлена внутри гильзы меньшего диаметра и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси датчика совместно с магнитом. Длина подвижной обмотки выбрана равной двум длинам магнита, Магнитопровод выполнен с прорезью по образующей. 1 ил. ется единый сигнал, пропорциональный скорости и ускорению перемещения.
Известен датчик параметров движения, включающий в себя Е-образный магнитопровод, в основании которого установлены два постоянных магнита, обмотку возбуждения, "запитываемую переменным током, и измерительную обмотку, непосредственно скрепляемую с исследуемым объектом. Обмотка возбуждения и измерительная обмотка посажены на средний стержень магнитопровода, Выходной сигнал, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора. включенного последовательно с измерительной обмоткой, пропорционален величине перемещения, а сигнал, снимаемый с емкости (конденсатора). шунтирующей вместе с первичной обмоткой трансформатора измерительную обмотку, пропорционален скорости этого перемещения, т,е. датчик предназначен для измерения скорости и ве1781621 личины перемещения, Наиболее важным параметром, определяющим динамические процессы, является ускорение и скорость перемещения. Этим целям рассматриваемый датчик отвечает не в полной мере. Кро- 5 ме того, вследствие конечных значений магнитодвижущей силы постоянных магнитов, датчик обладает ограниченным диапазоном линейной характеристики.
Известны также датчики параметров 10 движения, которые функционально предназначены для измерения скорости и величины перемещения, и не предназначены для измерения ускорения.
Наиболее близким по технической сущ- 15 ности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению следует считать датчик линейной скорости, содержащий Т-образный магнитопровод, на концах которого установлено два постоянных 20 магнита. Магнитопровод с постоянными магнитами образуют трехстержневую магнитную систему. На средний стержень посаже ны и одвижная и неподвижная измерительные обмотки. Подвижная обмот- 25 ка скрепляется исследуемым объектом. Сигнал, индуцируемый в неподвижной обмотке; пропорционален ускорению, в подви>кной — скорости. Для снятия сигнала, пропорционального ускорению, подвижная обмотка посредством ключа закорачивается накоротко. Недостатком. датчика является ограниченность диапазона линейной характеристики вследствие невозможности создать равномерное магнитное поле в зазоре магнитной системы на больших перемещениях, а так>ке невозможность одновременной регистрации сигналов скорости и ускорения.
Целями изобретения являются увеличение чувствительности и диапазона линейной характеристики по-ускорению и повышение точности измерения скорости.
Увеличение чувствительности и диапазона линейной характеристики по ускореиию достигается тем, что в датчике г(араметрбв движения, содержащем магкитопровод, постоянный магнит со штоком, г1бдви>кную и неподвижную измерительные обмотки, между подвижной и неподвижной измерительными обмотками установлена короткозамкиутая из иеферромагиитного меianna цилиндрическая гильза, подвижная обмотка выпблнена"с воэможностью перемещенйя совместно с магнитом, а ее длина выбрана из соотношения /2Н=1, где L— длина обмотки, Н вЂ” длина магнита.
Повышение точнОсти измерения скорости "ддСтйгается тем, что в датчик введека ме>кду неподвижной обмоткой и магнито30
50 проводом вторая короткозамкнутая из неферромагнитного металла цилиндрическая гильза, а магнитопровод выполнен с прорезью вдоль образующей.
Отличительными признаками являются:
В датчик введены две короткозамкнутые из неферромагнитного металла цилиндрические гильзы, одна из которых установлена между подвижной и неподвижной обмотками, другая — между неподвижной обмоткой и магнитопроводом, внутри гильзы меньшего диаметра установлена измерительная обмотка с возможностью перемещения совместно с магнитом, а ее длина выбрана из соотношения
1 /2Н— = 1, где — длина обмотки, Н вЂ” длина магнита, Магиитопровод выполнен с прорезью вдоль образующей.
Авторами предлагаемого изобретения не обнаружено решений со сходными признаками, следовательно. рассматриваемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Сущность предлагаемого устройства основана на индукционном способе преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Для получения сигнала, пропорционального ускорению, в датчике использована короткозамкнутая из неферромагнитного металла ципиндрическал гильза, внутри которой помещена измерительная обмотка с воэможностью перемещения совместно с магнитом, При перемещении постоянного магнита с обмоткой вдоль оси датчика в теле гильзы индуцируются значительные по величине кольцевые токи, так как электрическое сопротивление гильзы практически равно нулю. Эти токи, пропорциональные скорости перемещения магнита, создают магнитное поле, изменение которого индуцирует ЭДС в витках измерительной обмотки, Эта ЭДС. пропорциональна скорости изменения наведенного магнитного поля, Поскольку скорость изменения наведенного магнитного поля равна скорости изменения индуцируемых в теле гильзы кольцевых токов или скорости перемещения магнита, то сигнал в измерительной обмотке пропорционален измеряемому ускорению, Кольцевые токи наводятся только в той части тела гильзы, которая пронизывается магнитным полем постоянного магнита. Поэтому применение цилиндрической гильзы обуславливает равные условия для наведения ЭДС, в каком бы месте не находился магнит на оси гильзы, что обеспечивает линейность характеристики датчика по пере1781621
40
50 мещению (па измеряемому ускорению перемещения исследуемого обьекта).
"ксперимеитальные исследования, проведенные авторами по определению пространственного распределения магнитной индукции магнита вдоль оси и радиуса датчлка показали, что магнитная индукция на уровйе расположения гильзы приближается к нулевому значению на расстоянии от полюса магнита, равного половине длины магнита, Поэтому для более эффективного преобразования измеряемого ускоренля s величину сигнала, т.е. для увеличения чувствительности, длина намотки измерительной обмотки выбрана равной двум длинам магните, Одновременно при перемещении ллвгнита наводится ЭДС в неподвижной обмотке, пропорциональная скорости перемещения, Однако вследствие использования в индукционных преобразователях магнитопровода в теле последнего индуциру30тся кольцевые токи, которые,в своя очередь, наводят
ЭДС в измерительной обмотке, пропорциональные ускорению, т.е. сигнал скорости иска>кается сигналом ускорения или понижается точность измерения.
Таким же образом на точность измерения скорости влияет металлическая гильза, установленная в датчике между подвижной и неподвижной обмотками.
Для повышения точности измерения скорости в датчике магнитопровод выполнен разрезным по образующей и между магнитапровадом и неподвижной обмоткой введена вторая коратказамкнутая из неферромагнитного металла цилиндрическая гильза, Прорезь в магнитапроваде исклгачает циркуляцию в его теле кольцевых токов, тем самым искл3ачается наведение в измерительной обмотке сигнала, пропорционального ускорени о. Кольцевые же токи„ наводимые в гильзе, установленной между магнитаправодам и непадг3ижнай измерительной обмоткой, кампенс1лру от влияние
ДРУГОЙ ГИЛЬЗЫ HB ИСКЭ>К8НИ8 СИГНВЛЭ CKGPGсти, тем сэмым павышэется точность измерен и я.
На -.ерre» Датчик состоит из штока 1, жестка скрепленного с магнитным сердечником 2, На поверхности которо-о установлена двухсекционная катушка 3 с измерительной обматкой 4. Обмотка 4 выполнена равномерной па длине катуLLки с противоположным нэпрэвлением немОтки витков в кэ>кдОЙ из секциЙ квтушки, Длинэ абмОтки 4 выбрана p :ElHOé двум длинам магнита. Кат башке C обмоткой и мвгнитам, помещ ены вс ВН TP8HHIOK> ПОЛОСТЬ КОРОТКОЗЭМКНУТОЙ ИЗ неферромагнитного металла цилиндрической гильзы 5. На гильзу 5 посажена катушка б с измерительной обмоткой 7, выполненной с равномерно меня3ащимся по длине катушки шагом намотки витков. Все вышеперечисленные конструктивные элементы датчика помещены во внутреннюю полость второЙ короткозамкнутой из неферромагнитнаго металла цилиндрической гильзы 8, помещенной в корпус — магнитопровод 9 с двумя крышками 10 и 11. Уагнитапровод имеет сквозную прорезь вдоль образующей (не показано), Преобразователь работает следующим Образам, При перемещении штока 1, скрепленного с исследуемым обьектом, магнитнь3Й сердечник 2 совместно с катушкой 3 и измерительной обмоткой 4 перемещается вдоль оси датчика. При перемещении магнита в гильзе 5, выполненной из неферромагнитного металла, индуцируются значительные по величине кольцевые токи, пропорциональные скорости перемещения магнита, Эти токи создают магнитное поле, изменение которого" индуцирует в витках обмотки 4 ЭДС, пропорциональнь1е скорости изменения наведенногс поля или ускорению г.еремещения исследуемого обьекта, Так как обмотка 4 выполнена двухсекционной с противоположным направлением. намотки витков вкаждой секции,,то ЭДС ." под разноименными полюсами магнит суммируются.:, Выбор длины обмотки, равный двум длинам магнита, обеспечивает увеличение чувствительности (сигнала) датчике, ибо более эфф8ктивно используется пространственное распределение магнитНОГО паля квждо1 а палюсв мэгнитв. Одновременно при перемещении магнита в витках неподвижной измерительной обмотки наводится ЭДС, прапарцианальНаЯ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО абьекта. При этом, вследствие того, что магнитаправад выполнен 0 прорезью BpGllb Gáразующей, исключается наведение в нем кольцевых токов и их влияние на выходной сигнал. Б в еде н ле между магнита проводам и н8падюижнаЙ обмоткой коратказэмкнутай М3 Неф8РРОМЭГНИТНОГО Метзллв ГИЛЬЗЫ КОМпенсирует наведение искажаюгцега сигнала от гильзы, установленной между подвижной и неподвижной обмотками, тзк как магнитные псля ат «ольцевых токов этих гильз в измерительной обмотке (непадви>кнай) направлены нэвстречу друг другу. Прлменение каратказемкнутай из Н8феррамэгнитно О метзллв Гильзы, устднавленной между подвижной и неподвижной измерительными обмотками, Обеспечивает увеличение диапазона линейной характеристики датчика по ускорению, Выполнение подвих<ной обмотки длинОй, равной двум длинам постоянноГО магнита, обеспечиьает увеличение чувствительности датчика по ускорению, Применение короткозамкнутой из неферромагнитного металла гильзы, установленной между маГнитопроводом и неподвижной обмоткой, и выполнение магнитопровода с прорезью вдоль образующей повышает точность измерения скорости. По предлаrà8ìoìó изобретению изготовлены датчики с Основными параметрами: Величина свободного хода маГнита, мм . 35О Чувствительность по УскОР8ни1О, мв/Я 5 Чувствительность по скорости, мв/см/с 8 Датчики испытаны в лабораторных ус. ловиях. Результаты испытаний показали, что цели предлагаемого технического реш ния достигнуты. Отклонений От лине»й»ности чувствительнос» и по ускорению на всем диапазоне перемещений нет. Чувствитальность датчика по ускорению позволяет осуществлять регистрацию на современных ОсциллОГрафах ускорения От дол8й единиц земного ускорения, Погрешности, обусловленные искажением сигнала скорости сиг-. налом ускорения, отсутствуют. 5 Формула изобретения Датчик парам8тров движения, состоя" щий из магнитопровода» цилиндрическОГО постоянного магнита, подвижной и неподвижнойобмоток,отличающийся тем, 10 что, с, целью расширения диапазона линейной характеристики и увеличения чувствительности по ускорению и повышения ТОЧНОСТИ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКороСТИ, В НЕГО введены шток и две концентрические корот l5 козамкнутые из неферромагнитного металла цилиндрические Гильзы, Одна из которых установлена между подвижной и неподвижной обмоткамй, а другая между неподвижной Обмоткой и магнитопроводом. при атом 20 подвижная измерительная обмотка расположена внутри гильзы меньшего диаметра и закреплена неподвижно и симметрично на внешней цилиндрической поверхности магнита, а ее длина L выбрана из соотношения 25 L/2Н= 3, rye 1.. — длина обмотки, Н вЂ” длина магнита, причем магнитопровод выполнен с прорезью вдоль образующей, а шток соединен ЗО с торцом постоянного магнита. 1781621 Составитель П.Шердаков Редактор В.Трубченко Техред М.Моргентал Корректор В.Петраш Заказ 4272 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
