Электромагнитный преобразователь пространственных перемещений

 

Изобретение относится к средствам электромагнитного контроля пространственных перемещений объектов в труднодоступных зонах и позволяет повысить точность измерений электромагнитного преобразователя пространственных перемещений, который содержит корпус 1, закрепляемый на одном объекте, и трехгранный опорный уголок 10, закрепляемый на другом объекте контроля. В корпусе из электропроводящего немагнитного материала на его трех соседних взаимно ортогональных гранях выполнены сквозные пазы, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента 2. Каждый из них выполнен в виде измерительной катушки 4 индуктивности, намотанной на плоском магнитопроводе 3, и двух идентичных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек 5 и 6, расположенных с двух сторон от магнитопровода. Соседние слои восьмеркообразных катушек включены последовательно-согласно, направления спиралей соседних слоев - противоположны, а слои выполнены таким образом, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого. Свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ. Преобразователь может работать в двух режимах: измерения взаимного перемещения объектов контроля и тестирования его чувствительных элементов. В каждом из режимов одна восьмеркообразная катушка замкнута, другая - разомкнута. Сигнал тестового режима зависит от свойств элементов 2, а сигнал рабочего режима - не только от свойств элементов 2, но и от расстояния между объектами контроля. Разностный сигнал от обоих режимов инвариантен к свойствам элементов 2. Достигаемый результат: высокая точность и помехозащищенность, широкий диапазон контролируемых перемещений, уменьшение массы и габаритов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к средствам электромагнитного контроля неэлектрических величин по сигналам, полученным от взаимодействия объектов контроля сложной формы с электромагнитными полями, напримеp, для контроля в труднодоступных зонах перемещений по трем ортогональным осям координат изделий, работающих в скоростных газовых потоках с перепадами температуры.

Известен накладной компланарный (плоскость витков параллельная плоскости объекта контроля) электромагнитный преобразователь с дополнительными тестирующими катушками, выводы которых могут замыкаться накоротко в процессе контроля и с помощью которых при обработке сигналов устраняются погрешности измерений из-за нестабильности самих преобразователей [1] Известен электромагнитный ортогональный (в нем плоскость витков ортогональна плоскости объекта контроля) преобразователь, содержащий измерительную катушку индуктивности и восьмеркообразную экранирующую катушку, замыкаемую накоротко через ключ, управляемый от блока обработки. Использование тестирования, проводимого при экранировании преобразователя от самого объекта, позволяет отстроиться от влияния изменений температуры на преобразователь и тем самым повысить точность контроля [2] Однако перечисленные преобразователи позволяют контролировать только однокоординатные перемещения, простое же соединение трех таких преобразователей для контроля пространственных перемещений приводит к возникновению мешающих факторов от взаимного влияния электромагнитных полей и к значительным (в 3 раза) увеличениям массы и габаритов, что затрудняет доступ к зонам контроля изделий сложной формы, а также искажает динамику контролируемых перемещений объекта.

Известен электромагнитный преобразователь пространственных перемещений, содержащий опорный уголок из электропроводящего немагнитного материала, корпус преобразователя кубической формы из того же материала, что и опорный уголок, с пазами на трех соседних взаимно ортогональных гранях, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента [3] Недостатками данного преобразователя являются снижение точности контроля при длительных испытаниях изделия из-за температурной и временной нестабильности и, как следствие, необходимость извлечения преобразователя из зоны контроля и удаление от объекта для тестирования, а также небольшая длина магнитопровода (ограничена размером ребра куба) при заданных габаритах и массе преобразователя, что сужает диапазон контролируемых перемещений и, в конечном счете, снижает точность, так как вынуждает использовать преобразователь и на пологом участке характеристики чувствительности, что загрубляет чувствительность и снижает точность.

Задачей изобретения является повышение точности при длительном встроенном контроле в труднодоступных местах.

Это достигается за счет введения тестирования, увеличения помехозащищенности, расширения диапазона контролируемых перемещений и снижения массы и габаритов (уменьшение массы и габаритов приводит к увеличению достоверности динамических характеристик исследуемого объекта).

Поставленная задача решена тем, что в электромагнитном преобразователе пространственных перемещений, содержащем опорный уголок из электропроводящего немагнитного материала, корпус преобразователя из того же материала, что и опорный уголок с пазами на трех соседних взаимно ортогональных гранях, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента: корпус преобразователя выполнен в виде полой усеченной правильной треугольной пирамиды, оба основания которой параллельны, а боковые грани взаимно ортогональны, пазы в корпусе выполнены сквозными, а их продольные оси совпадают со средней линией соответствующей боковой грани, имеющей форму трапеции, каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоского магнитопровода, намотанной на нем измерительной катушки индуктивности и двух идентичных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек, расположенных с обеих сторон от плоского магнитопровода, восьмеркообразные катушки в соседних слоях включены последовательно-согласно, а направления закрутки спиралей в них противоположны, слои выполнены таким образом, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого, свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ, толщина чувствительных элементов равна толщине боковых граней корпуса, а их длина и ширина не превышает соответственно длину средней линии и высоту трапеций.

Кроме того, преобразователь может быть снабжен дополнительным корпусом, предназначенным для размещения блока обработки сигналов преобразователя, выполненным в виде правильной треугольной призмы из того же материала, что и основной корпус преобразователя, и с теми же размерами основания, что и размеры большего основания усеченной пирамиды, оба корпуса соединены одинаковыми основаниями так, что боковые ребра одного из корпусов являются продолжениями боковых ребер другого, а в центре объединенных оснований выполнено сквозное отверстие для прокладки соединительных проводников.

Кроме того, опорный уголок может быть выполнен в виде трех идентичных равнобедренных трапеций, объединенных боковыми сторонами и перпендикулярных одна другой, высота каждой трапеции равна сумме расчетного диапазона контролируемых перемещений и высоты боковой грани основного корпуса преобразователя.

Размещение блока первичной обработки сигналов преобразователя в корпусе, объединенном с корпусом самого преобразователя, позволяет исключить погрешность от взаимного влияния компонент перемещений при больших длинах соединительных линий между преобразователем и блоком обработки и тем самым увеличить точность измерений. Наличие же длинных линий при большом выходном напряжении на одной из измерительных катушек приводит к появлению токов в двух других измерительных катушках из-за их последовательного включения с большой по величине распределенной емкостью соединительных линий относительно их экрана, что приводит к снижению точности измерений.

Выполнение корпуса преобразователя в виде усеченной пирамиды уменьшает габариты и массу преобразователя примерно в 4 раза по сравнению с корпусом в форме куба. Предлагаемая ориентация чувствительных элементов (вдоль диагонали, а не стороны квадрата, образующего боковую грань корпуса кубической формы) позволяет увеличить длину чувствительных элементов почти 1,4 раза, что расширяет диапазон контролируемых перемещений. Предлагаемая форма опорного уголка уменьшает его массу и габариты в 2 раза по сравнению с опорным уголком, каждая грань которого квадрат. Усечение вершины опорного уголка также снижает массу и уменьшает взаимное влияние от соседних граней (влияние грани компенсируется противоположным влиянием края), что также увеличивает точность.

На фиг. 1 представлен предлагаемый преобразователь (опорный уголок не показан из-за возможности затемнения чертежа преобразователя уголком); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 (плоскость сечения ортогональна оси DY); на фиг. 3 чувствительный элемент.

Предлагаемый преобразователь содержит корпус 1 из электропроводящего немагнитного материала с пазами на его трех соседних взаимно ортогональных гранях, в которых размещены три идентичных чувствительных элемента 2.

Корпус 1 выполнен в виде полой усеченной правильной треугольной пирамиды, оба основания которой параллельны, а боковые грани взаимно ортогональны, пазы в корпусе выполнены сквозными, а их продольные оси совпадают со средней линией соответствующей боковой грани, имеющей форму трапеции.

Каждый чувствительный элемент 2 выполнен в виде плоского магнитопровода 3, намотанной на нем измерительной катушки 4 индуктивности и двух идентично выполненных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек 5 и 6, расположенных с обеих сторон от плоского магнитопровода 3. Восьмеркообразные катушки в соседних слоях включены последовательно-согласно, а направления закрутки спиралей в них противоположны, слои выполнены таким образом, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого, свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ 7.

Толщина чувствительных элементов 2 равна толщине боковых граней корпуса 1, а длина и ширина не превышают соответственно длину средней линии и высоту трапеций.

Преобразователь снабжен дополнительным корпусом 8, предназначенным для размещения блока обработки сигналов преобразователя, выполненным в виде правильной треугольной призмы из того же материала, что и основной корпус преобразователя 1, и с теми же размерами основания, что и размеры большего основания усеченной пирамиды.

Оба корпуса 1 и 8 соединены одинаковыми основаниями так, что боковые ребра одного из корпусов являются продолжением боковых ребер другого, а в центре объединенных оснований выполнено сквозное отверстие 9 для прокладки соединительных проводников.

Опорный уголок 10 выполнен в виде трех идентичных равнобедренных трапеций, объединенных боковыми сторонами и перпендикулярных одна другой, высота каждой трапеции равна сумме расчетного диапазона контролируемых перемещений и высоты боковой грани основного корпуса преобразователя 1.

Электромагнитный преобразователь пространственных перемещений работает следующим образом.

На одном из двух объектов контроля, взаимное пространственное (т.е. по трем взаимно ортогональным координатам) перемещение которых необходимо измерять, закрепляют корпус преобразователя 1, а на другом трехгранный ортогональный опорный уголок 10. Расположение трех чувствительных элементов 2 на взаимно перпендикулярных гранях делает возможным одновременный контроль взаимного перемещения объектов контроля по трем ортогональным координатам.

Наличие в каждом чувствительном элементе пары короткозамыкаемых восьмеркообразных катушек 5 и 6 позволяет реализовать два режима работы для каждого чувствительного элемента: первый режим измерение взаимного перемещения объектов контроля, второй режим тестирование чувствительного элемента 2. В каждом из режимов одна восьмеркообразная катушка замкнута, другая разомкнута, следовательно, благодаря экранирующим свойствам восьмеркообразных катушек поле измерительной катушки 4 в режиме тестирования оказывается направленным внутрь полости корпуса 1, а в рабочем режиме на опорный уголок 10. При питании измерительных катушек 4 напряжением высокой частоты вихревые токи, наводимые в рабочем режиме в опорном уголке 10 электромагнитными полями преобразователя, располагаются на поверхности уголка 10. Сигнал тестового режима зависит от свойств самого чувствительного элемента 2, а сигнал рабочего режима от свойств чувствительного элемента 2 и от расстояния между объектами контроля. Разностный же сигнал от обоих режимов зависит только от расстояния между объектами контроля, что позволяет повысить точность контроля при длительных испытаниях, так как разностные сигналы с преобразователя оказываются инвариантными к свойствам чувствительных элементов 2, подверженных температурной и временной нестабильности. Следовательно, отпадает необходимость в демонтаже и удалении преобразователя из зоны контроля в процессе работы для проведения тестирования.

Чтобы избежать взаимного влияния электромагнитных полей от разных чувствительных элементов 2 через общую полость корпуса преобразователя 1, переключение полей внутрь полости должно происходить поочередно.

Изобретение может быть использовано для контроля пространственных перемещений изделий авиационной техники, работающих в скоростных газовых потоках с перепадами температуры.

Формула изобретения

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий опорный уголок из электропроводящего немагнитного материала, из такого же материала корпус с пазами на его трех соседних взаимно ортогональных гранях и размещенные в этих пазах три идентичных чувствительных элемента, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде полой усеченной правильной треугольной пирамиды, оба основания которой параллельны, а боковые грани - взаимно ортогональны, пазы в корпусе выполнены сквозными, а их продольные оси совпадают со средней линией соответствующей боковой грани, имеющей форму трапеции, каждый чувствительный элемент выполнен в виде плоского магнитопровода, намотанной на нем измерительной катушки индуктивности и двух идентичных многослойных плоских центрально-симметричных спиральных восьмеркообразных катушек, расположенных с обеих сторон плоского магнитопровода, восьмеркообразные катушки в соседних слоях включены последовательно согласно, а направления закрутки спиралей в них противоположны, слои выполнены так, что над промежутками между витками одного слоя размещены витки другого, свободные концы крайних восьмеркообразных катушек соединены между собой через управляемый ключ, толщина чувствительных элементов равна толщине боковых граней корпуса, а их длина и ширина не превышают соответственно длину средней линии и высоту трапеций.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным корпусом, предназначенным для размещения блока обработки сигналов преобразователя, выполненным в виде правильной треугольной призмы из того же материала, что и основной корпус преобразователя, и с теми же размерами основания, что и размеры большего основания усеченной пирамиды, оба корпуса соединены одинаковыми основаниями так, что боковые ребра одного корпуса являются продолжениями боковых ребер другого, а в центре объединенных оснований выполнено сквозное отверстие для прокладки соединительных проводников.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что опорный уголок выполнен в виде трех идентичных равнобедренных трапеций, объединенных боковыми сторонами и перпендикулярных одна другой, высота каждой трапеции равна сумме расчетного диапазона контролируемых перемещений и высоты боковой грани основного корпуса преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3