Устройство для контроля положения предмета из магнитопроводящего материала

 

Изобретение относится к устройствам регистрации положения, а именно положения объектов из магнитопроводящего материала, и может быть использовано в системах управления автоматизированными линиями, станках с числовым программным управлением, а также в промышленных роботах. Сущность изобретения: устройство содержит источник магнитного поля, блок усиления и формирования выходного сигнала, источник питания и чувствительный элемент, выполненный в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов, расположенных на диэлектрической подложке и соединенных по мостовой схеме; устройство снабжено магнитопроводом, выполненным в виде изогнутой пластины с углом между ее гранями 25-45^o; на одной грани расположен чувствительный элемент, на другой - источник магнитного поля; центр чувствительного элемента расположен на расстоянии 1 - 1,5 мм от линии, проведенной перпендикулярно грани магнитопровода; устройство снабжено единым магнитным экраном; форма экрана цилиндрическая, прямоугольная; тонкопленочные резисторы выполнены из пермаллоя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам регистрации положения, а именно положения предметов, выполненных из магнитопроводящих материалов, и может быть использовано в системах управления автоматизированными линиями, станках с числовым программным управлением, а также в промышленных роботах.

Известно использование датчиков магнитного поля, выполненных на основе элементов Холла, для определения положения предмета из магнитопроводящего материала [1] Датчик содержит не менее одного элемента Холла и блок обработки информационного сигнала элементов Холла. Однако подобные датчики очень чувствительны к изменениям температуры и могут работать только в достаточно сильных магнитных полях.

Известен также датчик, содержащий магниторезистивные элементы, подключенные с одной стороны к источнику питания, а с другой к внешнему усилителю сигнала магниторезистивных элементов [2] Недостатком подобной конструкции следует признать ее низкую помехоустойчивость.

По мнению заявителя, ближайшим аналогом (прототипом) для настоящего изобретения следует признать устройство для контроля положения, содержащее конструктивные элементы: чувствительный элемент, выполненный в виде четырех магниторезисторов, расположенных на диэлектрической подложке и включенных по мостовой схеме, источник магнитного поля и блок управления и регистрации, содержащий источник питания и электронную схему регистрации информационного сигнала с мостовой схемы магниторезисторов, причем первая диагональ моста подключена к источнику питания, а вторая к электронной схеме [3] Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость и связанная с этим ограниченность применения.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение помехоустойчивости устройства, а также увеличение дальности обнаружения предмета и расширение возможности применения.

Решение данной задачи с получением необходимого технического эффекта осуществляется тем, что известное устройство для контроля положения предмета из магнитопроводящего материала, содержащее источник магнитного поля, блок усиления и формирования выходного импульса, источник питания и чувствительный элемент, выполненный в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов, расположенных на диэлектрической подложке и соединенных по мостовой схеме, одна из диагоналей которой присоединена к источнику питания, а другая к блоку усиления и формирования выходного сигнала, в отличие от устройства по прототипу снабжено магнитопроводом, расположенным между полюсом источника магнитного поля и чувствительным элементом и выполненным из материала с высокой магнитной проницаемостью в виде изогнутой пластины с углом между ее гранями 25-45^o, причем чувствительный элемент расположен на одной грани магнитопровода, а источник магнитного поля на другой его грани, при этом центр чувствительного элемента расположен вблизи вершины угла, образованного гранями магнитопровода; а также тем, что центр чувствительного элемента расположен на расстоянии ±1,5 мм от линии, проведенной перпендикулярно грани магнитопровода из вершины угла, образованного гранями; а также тем, что оно снабжено единым магнитным экраном из материала с высокой магнитной проницаемостью, а чувствительный элемент, источник магнитного поля и магнитпровод закреплены в упомянутом экране; а также тем, что упомянутый экран имеет цилиндрическую форму; а также тем, что упомянутый экран имеет прямоугольную форму; а также тем, что магниторезисторы выполнены из пермаллоя.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 зависимость относительного изменения сигнала с чувствительного элемента от угла между гранями магнитопровода.

Устройство содержит чувствительный элемент в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов 1 4, расположенных на диэлектрической подложке 5, имеющих форму полоски или "меандра" и соединенных в мостовую схему. На одну диагональ этой мостовой схемы подается напряжение питания, а с другой снимается выходное напряжение. Диэлектрическая подложка расположена на одной из граней магнитпровода 7, выполненного в виде изогнутой пластины, угол между гранями которой составляет 25-45^o. На другой грани магнитпровода установлен источник магнитного поля 6, в качестве которого может быть использован постоянный магнит или электромагнит. Диэлектрическая подложка с тонокпленочными магниторезисторами размещена вблизи вершины угла, образованного гранями. Оптимальным является такое местоположение чувствительного элемента, при котором его центр находится на расстоянии ±1,5 мм от линии, проведенной перпендикулярно грани, на которой расположен элемент, из вершины угла между гранями. Это определяется тем, что при смещении чувствительного элемента на большее расстояние резко возрастает величина начального разбаланса моста, что приводит к потере чувствительности. Диэлектрическая подложка 5 с чувствительным элементом 1 4, магнитопровод 7 и источник магнитного поля 6 закреплены в магнитном экране 8. Выходная диагональ моста соединена с входом блока усиления и формирования выходного сигнала 9.

Оптимальными значениями угла между гранями магнитопровода 7 являются 25-45^o, как это видно из фиг. 2. При меньших значениях угла происходит уменьшение магнитного поля, рассеиваемого в зоне, где находится предмет, положение которого надо контролировать, и, как следствие, снижение чувствительности. При больших значениях угла возрастает величина поля в плоскости чувствительного элемента, а значит и величина начального разбаланса моста, что также приводит к снижению чувствительности.

Устройство работает следующим образом.

Чувствительный элемент устанавливается на магнитопровод, на котором уже установлен постоянный магнит так, что в отсутствие предмета, положение которого контролируется, магнитное поле в плоскости чувствительного элемента, действующее на разные плечи моста, не вызывает разбаланса мостовой схемы чувствительного элемента. При этом на выходе блока усиления и формирования будет низкий (высокий) уровень напряжения. При появлении предмета из магнитопроводящего материала в области угла, образованного гранями магнитопровода, поле, рассеиваемое магнитной системой, искажается, в результате чего на противоположные плечи моста начинает действовать несбалансированное магнитное поле, что приводит к появлению в выходной диагонали моста напряжения разбаланса, которое усиливается схемой, и на ее выходе формируется высокий (низкий) уровень напряжения. Таким образом, уровень напряжения на выходе схемы усиления и формирования сигнала однозначно соответствует наличию или отсутствию контролируемого предмета. Присутствие магнитного экрана вокруг чувствительного элемента и магнитной системы уменьшает отрицательное действие магнитопроводящих материалов, находящихся сбоку от чувствительного элемента.

Авторами были изготовлены конкретные макетные образцы устройства, выполненные следующим образом. На диэлектрическую подложку наносят слой пермаллоя или сплава никель-кобальт толщиной 0,05-0,06 мкм, на котором формируют рисунок магниторезисторов методом фотолитографии, после чего наносят проводниковый слой и также методом фотолитографии формируют контактные площадки. Затем подложка с магниторезисторами монтируется в пластмассовый плоский корпус с жесткими выводами. Такой чувствительный элемент устанавливается на грань магнитопровода, который изготовлен из электротехнической стали толщиной 0,5 мм, на другую грань устанавливается магнит из феррита бария размером 7х7х5 мм. Собранная таким образом магнитная система помещена в экран и все это залито эпоксидным компаундом. Этот узел установлен на печатной плате, где смонтирована схема усиления и формирования выходного сигнала. Она собрана по схеме триггера Шмидта, в качестве активного элемента в которой использован компаратор напряжения К554СА3. Плата с магнитным узлом и присоединительным кабелем установлена в металлический корпус и залита эпоксидным компаундом.

Экспериментальная проверка макетных образцов показала, что они обеспечивают устойчивую регистрацию стальной мишени стандартного размера 18х18х1 мм на расстоянии до 6 мм от рабочего торца устройства. Измерения, проведенные на макетных образцах устройства, показали, что величина выходного сигнала с чувствительного элемента составляет 6 10 мВ для стальной мишени стандартного размера 18х18х1 мм при зазоре между чувствительным элементом и мишенью 6 мм. Такая величина выходного сигнала, а также наличие магнитного экрана значительно повышают помехоустойчивость устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля положения предмета из магнитопроводящего материала, содержащее источник магнитного поля, блок усиления и формирования выходного сигнала, источник питания и чувствительный элемент, выполненный в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов, расположенных на диэлектрической подложке и соединенных по мостовой схеме, одна из диагоналей которой присоединена к источнику питания, а другая к блоку усиления и формирования выходного сигнала, отличающееся тем, что оно снабжено магнитопроводом, расположенным между полюсом источника магнитного поля и чувствительным элементом и выполненным из материала с высокой магнитной проницаемостью в виде изогнутой поастины с углом между ее гранями 25 - 45^o, причем чувствительный элемент расположен на одной грани магнитопровода, а источник магнитного поля на другой его грани, при этом центр чувствительного элемента расположен вблизи вершины угла, образованного гранями магнитопровода.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что центр чувствительного элемента расположен на расстоянии ± 1,5 мм от линии, проведенной перпендикулярно грани магнитопровода из вершины угла, образованного гранями.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено единым магнитным экраном из материала с высокой магнитной проницаемостью, а чувствительный элемент, источник магнитного поля и магнитопровод закреплены в упомянутом экране.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый экран имеет цилиндрическую форму.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый экран имеет прямоугольную форму.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тонкопленочные магниторезисторы выполнены из пермаллоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2