Сенсор на плоской катушке



Сенсор на плоской катушке
Сенсор на плоской катушке
Сенсор на плоской катушке

 


Владельцы патента RU 2594072:

Гаврилов Николай Андреевич (RU)

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение, вибрации и т.д. Чувствительный элемент датчика для определения характеристик движения состоит из сигнальной плоской катушки индуктивности или ее части, размещенной в магнитном поле жестко связанного с ней постоянного магнита. Указанный чувствительный элемент может быть использован в качестве элемента печатной платы, одинарной или многослойной. При этом многослойную печатную плату выполняют таким образом, что либо как минимум один из ее слоев, не содержащий чувствительный элемент, включает как минимум один фрагмент как минимум одного витка катушки электромагнита; либо слой с катушкой заключен в толще печатной платы, как минимум часть слоев которой выполняет функцию соленоида. Техническим результатом изобретения является усиление полезного сигнала сенсора, основанного на электроинерционных явлениях. 4 н. и 35 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Принятые сокращения

ПК - сигнальная плоская катушка индуктивности, предпочтительно гладкая, похожая, например, на спираль Архимеда или Ферма или иную с нарастающим либо убывающим шагом и проч.;

СПК - сенсор на ПК;

ЭМЭ - электромагнитные эффекты (в соответствии с классической электродинамикой являются отражением силы Лоренца F, действующей со стороны электромагнитного поля на точечный заряд q-F=q·(Ε+[v×В]), где Ε - напряженность электрического поля, v - скорость заряда, В - индукция магнитного поля) - в представленных материалах под силой Лоренца следует понимать силу, равную произведению заряда на векторное произведение его скорости и магнитной индукции - FЛ=q·[v×B], тогда как под силой кулоновского взаимодействия - опущенное из приведенной выше формулы слагаемое.

В представленном материале используются следующие понятия:

- диаметр витка ПК - в каждой точке ПК последняя имеет свой диаметр витка, который можно определить как удвоенное расстояние от данной точки ПК до ее оси (таким образом, конкретный диаметр витка ПК не присущ всему витку, а привязан к его конкретной точке);

- ПК, намотанная по часовой стрелке - ПК, при взгляде на которую со стороны ее материальных витков (не со стороны подложки) движение от ее внутреннего (начального) витка к внешнему (конечному) - от витка с меньшим диаметром к витку с большим - происходит по часовой стрелке (соответствующим образом может быть дано определение ПК, намотанной против часовой стрелки);

- сенсор (чувствительный элемент датчика) - состоящее из преимущественно минимально необходимого числа звеньев преобразования измеряемой величины (см. упомянутые ниже характеристики) самостоятельное конструктивно автономное контактное (входящее в контакт с исследуемым объектом) средство, которое преобразует измеряемую величину в являющийся функцией от нее электрический сигнал, который может быть выделен из помех, усилен, измерен, передан, преобразован, зарегистрирован, сохранен;

- сигналы - аналоговые или дискретные (в случае с периодическим отключением постоянного магнита и/или с периодической сменой его полярности) параметры физических процессов, происходящих в ПК, а также в узлах и/или элементах электрических цепей, которые изменяются в соответствии с изменением упомянутых ниже характеристик.

Изобретение имеет отношение к измерительной технике и может быть использовано при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение и вибрации, в частности угловые скорость и ускорение и/или параметры вращательных вибраций - частота, амплитуда, параметры крутильных колебаний и др., что связано с поворотом или вращением.

Известен акселерометр (Кадушкин В.И., заявка на получение патента РФ №93025254, опубликовано 20.10.1996, приоритет 27.04.1993), в котором используются инерционные свойства свободных электронов и ЭМЭ.

Принцип работы таких акселерометров сводится к следующему.

Тело со свободными носителями заряда жестко связывают с исследуемым объектом (ускорение поступательного движения которого подлежит определению), а также с постоянным магнитом, напряженность магнитного поля которого существенно превосходит напряженность магнитного поля Земли.

В результате упомянутые объект, тело и магнит имеют общую судьбу с точки зрения движения.

При этом тело располагают в месте формирования магнитом относительно однородного магнитного поля (так, например, его могут располагать внутри соленоида или при относительно малых размерах тела - у оси ферромагнитного сердечника соленоида), таким образом, чтобы вектор магнитной индукции B ¯ такого поля был перпендикулярен предполагаемому ускорению объекта a ¯ (а следовательно, и противоположно направленной скорости инерционного движения свободных электронов относительно объекта).

При ускоренном движении объекта, благодаря тому, что свободные электроны e ¯ тела обладают массой, будет иметь место их ускоренное движение со средней скоростью v ¯ ц (следует обратить внимание, что здесь важно исключительно направление скорости, а не ее величина) относительно тела, а значит, и относительно магнитного поля жестко связанного с телом магнита (весь процесс рассматривается в системе отчета, движущейся с ускорением a ¯ относительно некой инерциальной системы отчета).

В результате на свободные электроны будет действовать сила Лоренца F Л ¯ , которую разработчики описываемого акселерометра предлагают рассматривать в качестве ЭДС (наверное, по аналогии с МГД-генераторами), хотя автор изобретения считает это не совсем корректным.

По определяемому такой ЭДС напряжению U между участками тела, расположенными на его сечении плоскостью, перпендикулярной вектору магнитной индукции, на максимальном удалении друг от друга в направлении силы Лоренца предлагается судить об упомянутом ускорении.

Ориентация разработчиков описанного акселерометра на силу Лоренца (а не только на инерцию свободных электронов - так, условный вольтметр мог бы быть подключен к наиболее удаленным участкам тела, разнесенным друг от друга вдоль направления его движения), вполне понятна.

Действительно, сила Лоренца равна F Л = q e ¯ v ц B , где q e ¯ - заряд электрона, тогда как сила инерции Fи (примерно - без учета эффективной массы электрона) - F и = m e ¯ a , где m e ¯ - масса электрона, из чего следует, что при разумных (типичных для практических приложений) значениях магнитной индукции и ускорениях сила Лоренца в десятки, а то и в сотни миллиардов раз будет превосходить силу инерции, что, в частности, при отсутствии магнитного экрана, бесспорно, окажется значимым.

Примечание. В данном аспекте важно отметить и то, что (также при разумных значениях магнитной индукции и ускорения) лоренцевское и кулоновское взаимодействия по своей природе относятся к взаимодействиям равной силы. И нельзя не учитывать силу Кулона, связанную с отталкиванием «периодически» (рамки описания изобретения не позволяют рассмотреть статистические аспекты движения свободного электрона в металлическом теле, перемещающемся с ускорением, необходимо лишь отметить, что все сообщество свободных электронов при ускоренном движении тела будет иметь скорость, у которой в среднем будет преобладать составляющая, направленная против ускорения (аналогично - при вращении)) движущегося по инерции свободного электрона накопленным на одном из участков тела избыточным отрицательным зарядом, вызванным неравномерным распределением в теле свободных электронов, связанным с ускоренным движением последнего.

Это позволяет ожидать возникновения существенно большей разности потенциалов между «сигнальными» участками тела (к которым «подключена» измерительная цепь) по сравнению с той, которая может быть получена при ориентации исключительно на инерционные свойства свободных электронов.

Данные рассуждения представляются вполне логичными, однако автор изобретения, проведя серию опытов с различными по форме и размерам телами, так и не смог получить экспериментального подтверждения таким рассуждениям - не смог в соответствии с описанной схемой эксперимента выделить из шума отклик металлического образца, движущегося поступательно ускоренно.

Да, сила Лоренца эффективно разделяет положительные и отрицательные заряды в МГД-генераторах, однако здесь ее действие выявить не удалось.

Возможно, проблема заключается в том, что электрическое сопротивление приемлемых размеров (десятки мм) тела, границы которого при его поступательном движении не препятствуют смещению электронов под действием СЛ (т.е. это должен быть некий монолит - брус, стержень, пруток, шар), ничтожно мало, что вызывает непреодолимые трудности с выделением соответствующего полезного сигнала из помех, в основном связанные с выбором радиоэлектронной элементной базы, имеющей соответствующее входное сопротивление.

Не имеется сведений и относительно развития описанного выше решения - по упомянутой заявке на изобретение патент так и не был выдан, тогда как других заявок на получение патентов разработчики описанного акселерометра в области измерительной техники не подавали, не удалось выявить также и их иные публикации в данной области.

Технический результат от использования представляемого изобретения заключается в обеспечении возможности использования ЭМЭ для усиления полезного сигнала сенсора, основанного на электроинерционных явлениях.

Достигается такой результат благодаря помещению ПК в относительно однородное магнитное поле при определенной взаимной ориентации ПК и поля.

Представленное изобретение, также как и прототип, предполагает ориентацию на использование а) тела, выполненного из материала со свободными носителями заряда, и б) жестко связанного с таким телом магнита, называемого в представленных материалах основным.

При этом оно предполагает использование следующих главных отличительных признаков:

- тело представляет собой ПК или ее часть;

- тело имеет рабочую зону, в которой эффективно с точки зрения функционального назначения устройства проявляются электромагнитные эффекты, связанные с взаимодействием магнитного поля и свободных носителей заряда тела, характер движения которых при движении последнего определяется в том числе наличием у них инерционных свойств;

- ПК относительно основного магнита располагается таким образом, что в каждой точке ее рабочей зоны имеется доминирующая составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля, перпендикулярная плоскости катушки, при том что направление такой составляющей определяется следующим правилом буравчика - при вращении буравчика по направлению намотки катушки W от внутренней ее части к внешней направление поступательного перемещения буравчика указывает направление упомянутой составляющей в случае, если свободные носители заряда тела имеют положительный знак и противоположно направлению упомянутой составляющей, если они имеют отрицательный знак;

- в ином исполнении устройство включает как минимум один дополнительный магнит, расположенный относительно тела и основного магнита таким образом, что обеспечивается существование указанной составляющей вектора магнитной индукции.

Помимо этого изобретение характеризуется рядом частных отличительных признаков:

- рабочая часть тела пребывает в преимущественно геометрически (по направлениям векторов магнитной индукции в разных точках поля) однородном магнитном поле при разности направлений векторов (тогда как их величина несущественна) магнитной индукции, пронизывающих различные точки витков ПК, не превышающей ±30°, для чего соответствующим образом относительно тела расположен либо основной магнит, либо последний при соответствующем расположении относительно него как минимум одного дополнительного магнита;

- основной магнит создает магнитное поле, эквивалентное магнитному полю цилиндрического или прямоугольного магнита, при этом тело находится между полюсами такого магнита;

- основной магнит создает магнитное поле, эквивалентное магнитному полю цилиндрического или прямоугольного магнита, при этом ПК относительно магнита расположена таким образом, что их оси совпадают;

- тело расположено внутри магнита;

- тело находится снаружи от магнита;

- тело охватывает магнит;

- устройство включает основной и дополнительный магниты, при этом такие магниты повернуты друг к другу противоположными полюсами и расположены друг рядом с другом с образованием между ними промежутка или зазора, тогда как тело размещено в последних;

- материал витков ПК является диамагнетиком;

- напряженность магнитного поля основного и/или дополнительного магнитов как минимум в 10 раз превосходит максимальную напряженность магнитного поля Земли на ее поверхности;

- основной и/или дополнительный магниты выполнены в виде электромагнита;

- основной и/или дополнительный магниты выполнены с возможностью смены полюсов;

- основной и/или дополнительный магниты включают сердечник;

- сердечник выполнен замкнутым;

- основной магнит выполнен в виде токопроводящего провода, расположенного в непосредственной близости от витков ПК и повторяющего конфигурацию последних, при том что под действием электрического поля электроны по такому проводу текут от его участка, расположенного вблизи к началу ПК, к его участку, расположенному вблизи конца ПК - от центра соответствующего витка такого провода к его периферии (см. «+»/«-» на фиг. 4);

- ПК выполнена на плоской подложке;

- подложка выполнена из диамагнитного материала;

- подложка выполнена из керамики;

- магнит выполнен на основе редкоземельных материалов.

Второй объект изобретения относится к устройству печатной платы или ее слоя, содержащему на одной своей стороне ПК, предназначенную для использования в качестве чувствительного элемента в первом объекте.

Второй объект характеризуется следующими главными отличительными признаками: он включает либо отверстие по центру ПК, предназначенное для расположения в нем основного магнита, либо как минимум один виток катушки электромагнита, расположенный или на одной стороне платы/слоя с ПК, и/или на другой, при том что в нормальной проекции платы на параллельную ей плоскость катушка электромагнита находится вокруг либо внутри ПК.

Третий объект изобретения относится к устройству многослойной печатной платы, содержащему как минимум на одном из своих слоев ПК, предназначенную для использования в качестве чувствительного элемента в первом объекте.

Главный отличительный признак третьего объекта связан с тем, что как минимум один из других слоев устройства включает как минимум один фрагмент как минимум одного витка катушки электромагнита, тогда как его частные отличительные признаки касаются того, что как минимум один из слоев платы включает конденсатор, на который замкнута ПК, и/или датчик температуры платы, и/или холодильник.

Четвертый объект изобретения также относится к устройству многослойной печатной платы, содержащему как минимум на одном из своих слоев ПК, предназначенную для использования в качестве чувствительного элемента в первом объекте.

Главный отличительный признак четвертого объекта - слой платы с ПК заключен в толще платы, совокупность как минимум части слоев которой выполняет функцию соленоида.

Четвертый объект характеризуется следующими частными отличительными признаками:

- ПК расположена в одном из срединных слоев многослойной печатной платы в окружении слоев, которые включают как минимум по одному фрагменту как минимум одного витка катушки электромагнита каждый;

- как минимум один из слоев платы включает конденсатор, на который замкнута ПК, и/или датчик температуры платы, и/или холодильник.

Все перечисленные объекты характеризуются также следующими общими частными отличительными признаками:

- толщина витка ПК минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей его изготовления;

- витки ПК выполнены из манганина;

- витки ПК выполнены из ферромагнетика толщиной не менее 0,05 мм.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1-5 представлены возможные взаимные расположения:

- ПК, вектора магнитной индукции сравнительно однородного магнитного поля, в котором такая катушка находится, вектора угловой скорости катушки, вектора скорости свободного электрона катушки при его инерционном движении, касательной к витку катушки в месте нахождения такого электрона и силы Лоренца;

- основного магнита и ПК;

- пары магнитов и ПК;

- витка ПК и токопроводящего провода электромагнита, создающего пронизывающее такой виток магнитное поле;

- ПК (тонкая линия) и спирали электромагнита (жирная линия).

На фиг. 6 представлен вариант составления СПК их отдельных слоев многослойной платы.

На фиг. 7 представлен СПК с ПК, выполненной на односторонней плате.

На фиг. 8 представлен вид сбоку на СПК фиг. 7.

На фиг. 9 представлена ПК, с двух сторон от которой расположены плоские катушки магнитов.

На фиг. 10 представлена ПК фиг. 9, окруженная замкнутым сердечником.

Фиг. 1 приведена для иллюстрации связи отличительных признаков с заявленным техническим результатом.

Фиг. 2, 3 приведены для иллюстрации возможной ориентации ПК и магнитов.

Фиг. 4 приведена для иллюстрации взаимного расположения витка ПК и основного магнита, выполненного на основе токопроводящего провода.

Фиг. 5, 6 приведены для иллюстрации возможных способов изготовления СПК на базе одно- или двухсторонней и многослойной печатных плат.

Фиг. 7, 8 приведены для иллюстрации возможного расположения ПК и катушки магнита прямоугольного сечения.

Фиг. 9 приведена для иллюстрации возможного взаимного расположения ПК и плоских катушек магнитов.

Фиг. 10 приведена для иллюстрации возможного расположения ПК и замкнутого сердечника. На фиг. 10, по мнению автора, изображен лучший с точки зрения электромагнитной совместимости вариант исполнения устройства, соответствующего представленному изобретению.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - конечная внешняя выходная часть ПК (с которой предположительно снимается выходной сигнал ПК);

2 - начальная внутренняя часть ПК (которую предполагается «заземлять»);

3 - виток ПК;

4 - направление перемещения свободных электронов по витку ПК, обусловленного наличием у них инерционных свойств, а также действием силы Лоренца;

5 - подложка, на которой выполнена ПК;

6 - основной магнит (например, электромагнит с сердечником);

7 - выполняющий роль основного магнита токопроводящий провод, по которому течет постоянный ток;

8 - условно обозначенные на фиг. 5 связи металлизированных отверстий слоев, которые соответствуют общей металлизации таких отверстий, в частности глухих пар отверстий;

9 - начальная (исходная - ближняя к оси) внутренняя часть ПК, выполненной на односторонней плате;

10 - токопроводящая дорожка, электрически связывающая последний виток соленоида магнита с соответствующей «ножкой» (на фиг. - нижним выводом) СПК;

11 - место приварки электропровода, соединенного с последним витком соленоида к дорожке 9;

12 - электропровод, соединенный с первым витком соленоида, который будучи приваренным к центральной токопроводящей дорожке, электрически связывает первый виток соленоида с центральной «ножкой» СПК;

13 - электропровод, соединенный с последним витком соленоида;

14 - каркас соленоида;

15 - обеспечивающий крепление подложки со спиралью к сердечнику электромагнита винт, головка которого включает резьбовое отверстие, предназначенное для крепления СПК, например, к плате;

16 - керамический чип-конденсатор, емкостью порядка 1 мкФ, образующий со спиралью колебательный контур;

17 - конечная (дальняя от оси) внешняя часть ПК;

18 - подложка (может представлять собой диэлектрическую часть печатной платы), на которой выполнена ПК;

19 - обмотка соленоида прямоугольного сечения;

20 - обеспечивающий крепление подложки с ПК к сердечнику электромагнита винт, головка которого включает штифт, предназначенный для правильной посадки СПК, например, на плату;

21 - правая «ножка» СПК, с которой снимается сигнал датчика температуры;

22 - датчик температуры ПК;

23 - средняя часть ПК, которая выполнена из материала, включающего свободные носители заряда, например, из меди;

24 - сердечник электромагнита;

25 - электрически связанная с внешней частью спирали верхняя «ножка» СПК, с которой снимается сигнал, несущий информацию об угловой скорости спирали, по которому может быть определен угол ее поворота, а также ее угловое ускорение;

26 - центральная «ножка» СПК, являющаяся общей для его основных функциональных электрических элементов;

27 - нижняя «ножка» СПК, электрически связанная с последним витком соленоида;

28 - верхняя (находящаяся над ПК) плоская катушка постоянного магнита;

29 - нижняя (находящаяся под ПК) плоская катушка постоянного магнита;

30 - резьбовая часть выполняющей роль общего вывода основных функциональных электрических элементов СПК шпильки, предназначенная для стягивания фрагментов сердечника;

31 - верхний (расположенный над многослойной печатной платой СПК) фрагмент сердечника;

32 - нижний (расположенный под многослойной печатной платой СПК) фрагмент сердечника;

33 - один из трех основных выводов СПК, например обеспечивающий питание плоских катушек магнита;

34 - резьбовая часть шпильки, предназначенная для крепления СПК;

35 - гайка;

36 - многослойная печатная плата, включающая пару плоских катушек магнита, одну или две ПК (если две, то с разным направлением «намотки»), соответственно один или два конденсатора, составляющих с ПК колебательный контур, а также термоэлемент;

37 - нижний фрагмент сердечника;

38 - цилиндрическая часть шпильки, предназначенная для позиционирования СПК;

39 - еще один основной вывод СПК, например предназначенный для съема полезного сигнала ПК;

B ¯ - магнитная индукция поля, в котором расположена рабочая зона ПК;

N - северный полюс магнита;

F Л ¯ - сила Лоренца;

I - сила постоянного тока;

оо - ось спирали;

R ¯ - радиус вектор;

S - южный полюс магнита;

S1, S2, S3, …, S34 - первый, второй, третий, тридцать четвертый слой многослойной печатной платы, функционально представляющей собой соленоид, внутри которого установлена ПК;

t°С - термоэлемент (например, терморезистор);

v ¯ - скорость свободного электрона, обусловленная наличием у него инерционных свойств;

W - направление «намотки» плоской катушки;

α - угол между вектором силы Лоренца и касательной к витку ПК в месте расположения свободного электрона, движущегося вследствие наличия у него инерционных свойств с дополнительной к тепловой скоростью v ¯ (важно то, что α<90°);

β - угол между упомянутыми касательной и скоростью;

ω ¯ - вектор угловой скорости спирали;

«+» - место подключения положительного полюса питания;

«-» - место подключения отрицательного полюса питания.

Соответствующее представленному изобретению устройство может быть выполнено следующим образом.

Оно должно включать имеющее выраженное реактивное сопротивление монолитное или составное тело 3 (фиг. 2), выполненное из материала или из различных материалов со свободными носителями заряда (предпочтительно металлическое), и жестко связанный с таким телом основной магнит 6, как минимум периодически на короткие промежутки времени выполняющий роль постоянного магнита.

При этом тело должно представлять собой единую или составную ПК или ее часть (фиг. 1, 2, 4, 5, 6) (так, часть плоской катушки может выполнять функцию ПК, тогда как другая ее часть - функцию электромагнита - фиг. 5).

При этом тело должно иметь рабочую зону - ту, где одновременно проявляются и электроинерционные явления и ЭМЭ, усиливающие первые с точки зрения повышения отношения сигнал/шум на выходе СПК - в которой эффективно с точки зрения функционального назначения устройства (определения параметров движения) проявляются электромагнитные эффекты, связанные с взаимодействием магнитного поля и свободных носителей заряда тела, характер движения которых при движении последнего определяется в том числе наличием у них инерционных свойств.

Это достигается тем, что ПК относительно основного магнита располагают таким образом, что имеется доминирующая составляющая пронизывающего витки ПК, в ее рабочей зоне вектора магнитной индукции B ¯ магнитного поля такого магнита перпендикулярная плоскости ПК, при том, что направление такой составляющей определяется следующим правилом буравчика - при вращении буравчика по направлению намотки катушки от внутренней ее части 2 к внешней 1 (фиг. 1) направление поступательного перемещения буравчика указывает направление упомянутой составляющей в случае, если свободные носители заряда тела имеют положительный знак и направление, противоположное направлению упомянутой составляющей, если они имеют отрицательный знак.

В ином исполнении устройство включает как минимум один дополнительный магнит (фиг. 3), расположенный относительно тела и основного магнита таким образом, что обеспечивается существование такой составляющей вектора магнитной индукции.

Рабочая часть тела может пребывать в преимущественно геометрически однородном магнитном поле (когда силовые линии магнитного поля имеют близкую направленность, например, когда они практически параллельны) при разности направлений векторов магнитной индукции, пронизывающих различные точки витков ПК, не превышающей ±30°, для чего соответствующим образом относительно тела расположен либо основной магнит (фиг. 2), либо последний при соответствующем расположении относительно него как минимум одного дополнительного магнита (фиг. 3 - верхний магнит на фиг. основной).

ПК может располагаться и со стороны одного из полюсов основного магнита (фиг. 7, 8).

Основной магнит может создавать магнитное поле, эквивалентное магнитному полю цилиндрического или прямоугольного магнита, при этом тело может находиться между полюсами такого магнита (фиг. 2).

Это удачная архитектура СПК, поскольку при ее реализации можно выбрать магнит меньших размеров по сравнению с ПК.

Причем основной магнит может создавать магнитное поле, эквивалентное магнитному полю цилиндрического или прямоугольного магнита, при этом ПК относительно магнита может быть расположена таким образом, что их оси будут совпадать (с точностью изготовления деталей и их сборки) - фиг. 2.

Тело может быть расположено внутри магнита (фиг. 6, 9, 10).

В другом исполнении тело может находиться снаружи от магнита, например оно может охватывать магнит (фиг. 2).

Устройство может включать основной и дополнительный магниты, при этом такие магниты могут быть повернуты друг к другу противоположными полюсами (например, северным N к южному S - фиг. 3) и расположены друг рядом с другом с образованием между ними промежутка или зазора, тогда как тело может быть размещено в последних.

Предпочтительно, чтобы оси магнитов и ПК совпадали.

Материал витков ПК может быть диамагнетиком, хотя в ряде случаев, например при создании соленоидом сравнительно слабого магнитного поля, ПК целесообразно изготавливать из ферромагнетика с шириной витка не менее 0,05 мм (предпочтительно более 0,1 мм).

Напряженность магнитного поля основного и/или дополнительного магнитов как минимум в 10 раз должна превосходить максимальную напряженность магнитного поля Земли на ее поверхности (предпочтительно - более чем в 1000 раз).

Основной и/или дополнительный магниты могут быть выполнены в виде электромагнита.

При этом они могут быть выполнены с возможностью смены полюсов при изменении параметров подаваемого на их обмотки напряжения. Вообще схема включения электромагнитов СПК должна обеспечивать возможность не только смены их полюсов, но и их отключения.

Катушки магнитов могут быть выполнены плоскими 28, 29 (фиг. 9). В этом случае ПК следует располагать в районе центральной части катушек магнита (на удалении от их периферии).

Основной и/или дополнительный магниты могут включать сердечник, в т.ч. замкнутый (фиг. 10), например составленный из двух фрагментов 31, 32.

Замкнутый сердечник может иметь любую конфигурацию, например он может быть торообразным (фиг. 10).

Основной магнит может быть выполнен и просто в виде токопроводящего провода 7 (фиг. 4), расположенного в непосредственной близости от витков ПК (на расстоянии до 0,01 мм и менее, достаточном для электроизоляции такого провода от ПК) и повторяющего конфигурацию последних, по которому течет постоянный ток I. В этом случае однозначно целесообразно выполнять ПК из токопроводящего ферромагнетика.

ПК, что очевидно, может быть выполнена на плоской подложке 5 фиг. 2, 3 или же внутри таковой (сначала формируется ПК, а затем она обрамляется плоской подложкой, например, с использованием порошковых технологий).

Подложка может быть выполнена из диамагнитного материала, а может и из ферромагнитного или ферримагнитного.

Так, подложка может быть выполнена из керамики или из порошкообразного феррита, скрепленного, например, эпоксидной смолой.

Основной магнит может быть выполнен на основе редкоземельных материалов (в случае, если он не является электромагнитом).

СПК может быть выполнено на базе печатной платы, например измерительной схемы (фиг. 5), в т.ч. гибкой, или на базе слоя печатной платы, содержащего на одной своей стороне ПК (тогда как на другой своей стороне такой слой может содержать катушку магнита).

При этом такие плата или слой должны включать либо отверстие по центру ПК (фиг. 2), предназначенное для расположения в нем основного магнита, либо как минимум один виток катушки электромагнита (фиг. 6 S17) или расположенный с сигнальной катушкой на той же стороне платы, и/или на другой, при том что в нормальной проекции платы на параллельную ей плоскость катушка электромагнита находится вокруг (фиг. 6) либо внутри ПК.

Помимо этого устройство может быть выполнено на базе многослойной печатной платы, содержащей как минимум на одном из своих слоев ПК.

При этом как минимум один из других слоев платы должен включать как минимум один фрагмент как минимум одного витка катушки электромагнита (фиг. 6 S4).

В другом варианте исполнения слой платы с ПК может быть заключен в толще платы, совокупность как минимум части слоев которой выполняет функцию соленоида.

Так например, ток по витку соленоида на слое S1, протекая из нижнего правого отверстия в следующее за ним, также справа по общей металлизации перетечет во второе снизу справа отверстие слоя S2 далее по витку соленоида на S2, через общую металлизацию глухой пары отверстий вторых сверху справа на слоях S2 и S3 ток перейдет на виток слоя S3 и т.д.

При этом ПК может быть расположена в одном из срединных слоев, например, S17 - в 17-м при общем числе слоев 34 многослойной печатной платы в окружении слоев (S1-16 и S18-33), которые включают как минимум по одному фрагменту как минимум одного витка катушки электромагнита каждый (фиг. 6).

Как минимум один из слоев или одна из сторон платы, например, S34 может включать конденсатор, на который замкнута ПК и/или датчик температуры платы t°C, и/или холодильник.

Эксперименты показали, что конденсатор предпочтительно располагать как можно ближе к ПК.

В принципе, конденсатор, так же как и ПК, может быть выполнен посредством металлизации и электрического соединения соответствующих слоев многослойной печатной платы в соответствии с известными технологическими приемами.

Толщина витка ПК должна быть минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей его изготовления. В этом случае витки ПК могут быть выполнены из манганина.

Целесообразно выполнять ПК комбинированной, составленной по толщине витка из как минимум пары различных материалов с различной работой выхода электронов, но описание этого выходит за рамки представленного изобретения.

Принцип работы СПК следующий.

В представленных материалах для простоты изложения рассматривается вращение ПК вокруг оси оо (фиг. 1), хотя обозначенный технический результат можно ожидать и при других движениях ПК с магнитом или магнитами, в т.ч. при прямолинейном ускоренном.

Ниже предполагается, что свободными носителями заряда в ПК являются электроны, но это не обязательно.

Итак, при вращении ПК вокруг оси оо с угловой скоростью ω ¯ свободные электроны за счет наличия у них инерционных свойств приобретут некоторую скорость и с учетом ЭМЭ будут дрейфовать по направлению стрелки 4 (фиг. 1) от внутренней части ПК 2 к ее внешней части 1.

Поскольку вращение происходит в магнитном поле жестко связанного с ПК магнита, вектор индукции которого в каждой точке ПК имеет перпендикулярную плоскости последней составляющую, направление которой соответствует упомянутому правилу буравчика, то при инерционном движении свободного электрона, находящегося в кристаллической решетке вращающегося тела в направлении v ¯ (перпендикулярном радиус-вектору соответствующей точки R ¯ фиг. 1), на него в плоскости ПК будет действовать сила F Л ¯ перпендикулярная v ¯ .

Но касательная τ к витку ПК в месте нахождения обсуждаемого электрона в соответствии с направлением намотки W ПК направлена под углом β к v ¯ причем в сторону от спирали. В результате между вектором F Л ¯ и касательной τ будет иметь место острый угол α, предопределяющий наличие составляющей F Л ¯ , действующей вдоль касательной τ в направлении развития ПК - к ее выходной части.

Связь отличительных признаков представленного изобретения с заявленным техническим результатом заключается в следующем.

Из фиг. 1 видно, что F Л ¯ направлена под острым углом к той части ПК, в направлении которой за счет своих инерционных свойств и движется свободный электрон.

Примечание. При рассмотрении фиг. 4 следует иметь в виду, что свободный электрон не подобен иону жидкости и не течет по трубке вдоль нее. Он движется хаотически (см. сноску1 на стр. 4), а уже на это хаотическое движение накладывается инерционное.

Это позволяет рассчитывать на возможность использования ЭМЭ для усиления полезного сигнала ПК.

Проведенные автором изобретения пилотные эксперименты подтвердили данный расчет.

При этом СПК открывают новые физические принципы измерений и позволяют применить новый подход к построению комплексных датчиков, в которых используются сенсоры, основанные на различных физических принципах.

В заключение следует отметить, что использование сравнительно сильного магнита позволяет эффективно маскировать сторонние магнитные поля (например, магнитное поле Земли) без использования магнитного экрана, когда такой не требуется с точки зрения электромагнитной совместимости, о которой было сказано выше.

1. Устройство чувствительного элемента датчика для определения характеристик движения исследуемого объекта, включающее тело, выполненное из материала со свободными носителями заряда, и жестко связанный с таким телом основной постоянный магнит, отличающееся тем, что тело представляет собой сигнальную плоскую катушку индуктивности или ее часть и имеет рабочую зону, в которой эффективно с точки зрения функционального назначения устройства проявляются электромагнитные эффекты, связанные с взаимодействием магнитного поля и свободных носителей заряда тела, характер движения которых при движении последнего определяется в том числе наличием у них инерционных свойств, причем либо катушка относительно основного магнита располагается таким образом, что в каждой точке ее рабочей зоны имеется доминирующая составляющая вектора магнитной индукции магнитного поля, перпендикулярная плоскости катушки, при том что направление такой составляющей определяется следующим правилом буравчика - при вращении буравчика по направлению намотки катушки от внутренней ее части к внешней направление поступательного перемещения буравчика указывает направление упомянутой составляющей в случае, если свободные носители заряда тела имеют положительный знак, и противоположно направлению упомянутой составляющей, если они имеют отрицательный знак, либо устройство включает как минимум один дополнительный магнит, расположенный относительно тела и основного магнита таким образом, что обеспечивается существование указанной составляющей вектора магнитной индукции.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочая часть тела пребывает в преимущественно геометрически однородном магнитном поле при разности направлений векторов магнитной индукции, пронизывающих различные точки витков катушки, не превышающей ±30°, для чего соответствующим образом относительно тела расположен либо основной магнит, либо последний при соответствующем расположении относительно него как минимум одного дополнительного магнита.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что основной магнит создает магнитное поле, эквивалентное магнитному полю цилиндрического или прямоугольного магнита, при этом тело находится между полюсами такого магнита.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основной магнит создает магнитное поле, эквивалентное магнитному полю цилиндрического или прямоугольного магнита, при этом плоская катушка относительно магнита расположена таким образом, что их оси совпадают.

5. Устройство по любому из пп. 3 или 4, отличающееся тем, что тело расположено внутри магнита.

6. Устройство по любому из пп. 3 или 4, отличающееся тем, что тело находится снаружи от магнита.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что тело охватывает магнит.

8. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно включает основной и дополнительный магниты, при этом такие магниты повернуты друг к другу противоположными полюсами и расположены друг рядом с другом с образованием между ними промежутка, в котором и расположено тело.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что материал витков катушки является диамагнетиком.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что напряженность магнитного поля основного и/или дополнительного магнитов как минимум в 10 раз превосходит максимальную напряженность магнитного поля Земли на ее поверхности.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основной и/или дополнительный магниты выполнены в виде электромагнита.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что основной и/или дополнительный магниты выполнены с возможностью смены полюсов.

13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что основной и/или дополнительный магниты включают сердечник.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что сердечник выполнен замкнутым.

15. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что основной магнит выполнен в виде токопроводящего провода, расположенного в непосредственной близости от витков катушки и повторяющего конфигурацию последних.

16. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена на плоской подложке.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что подложка выполнена из диамагнитного материала.

18. Устройство по п. 17, отличающееся тем, что подложка выполнена из керамики.

19. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что магнит выполнен на основе редкоземельных материалов.

20. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина витка плоской катушки минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей его изготовления.

21. Устройство по п. 20, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из манганина.

22. Устройство печатной платы или ее слоя, содержащее на одной своей стороне сигнальную плоскую катушку индуктивности, предназначенную для использования в качестве чувствительного элемента по п. 1, включает либо отверстие по центру сигнальной катушки, предназначенное для расположения в нем основного магнита, либо как минимум один виток катушки электромагнита или расположенный с сигнальной катушкой на той же стороне платы/слоя и/или на другой/другом, при том что в нормальной проекции платы/слоя на параллельную ей плоскость катушка электромагнита находится вокруг либо внутри сигнальной катушки.

23. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что толщина витка плоской катушки минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей его изготовления.

24. Устройство по п. 23, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из манганина.

25. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из ферромагнетика.

26. Устройство по п. 25, отличающееся тем, что толщина витка катушки не менее 50 мкм.

27. Устройство многослойной печатной платы, содержащее как минимум на одном из своих слоев сигнальную плоскую катушку индуктивности, предназначенную для использования в качестве чувствительного элемента по п. 1, при том что как минимум один из других его слоев включает как минимум один фрагмент как минимум одного витка катушки электромагнита.

28. Устройство по п. 27, отличающееся тем, что как минимум один из слоев платы включает конденсатор, на который замкнута сигнальная катушка, и/или датчик температуры платы, и/или холодильник.

29. Устройство по п. 27, отличающееся тем, что толщина витка плоской катушки минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей его изготовления.

30. Устройство по п. 27, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из манганина.

31. Устройство по п. 30, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из ферромагнетика.

32. Устройство по п. 31, отличающееся тем, что толщина витка катушки не менее 50 мкм.

33. Устройство многослойной печатной платы, содержащее как минимум на одном из своих слоев сигнальную плоскую катушку индуктивности, предназначенную для использования в качестве чувствительного элемента по п. 1, при том что такой слой заключен в толще печатной платы, совокупность как минимум части слоев которой выполняют функцию соленоида.

34. Устройство по п. 33, отличающееся тем, что плоская катушка расположена в одном из срединных слоев многослойной печатной платы в окружении слоев, которые включают как минимум по одному фрагменту как минимум одного витка катушки электромагнита каждый.

35. Устройство по любому из пп. 33 или 34, отличающееся тем, что как минимум один из слоев платы включает конденсатор, на который замкнута сигнальная катушка, и/или датчик температуры платы, и/или холодильник.

36. Устройство по п. 33, отличающееся тем, что толщина витка плоской катушки минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей его изготовления.

37. Устройство по п. 36, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из манганина.

38. Устройство по п. 33, отличающееся тем, что плоская катушка выполнена из ферромагнетика.

39. Устройство по п. 38, отличающееся тем, что толщина витка катушки не менее 50 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой преобразователь пути и линейной скорости движения объекта в код и может использоваться при контроле положения и скорости при малых (0,1 мкм÷10 мкм) и больших (до 10 см) перемещениях.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для определения ускорения поступательного движения космического аппарата. .

Изобретение относится к области измерительной техники. .

Изобретение относится к области измерения параметров вращения вала и может быть использовано в системах автоматического управления. .

Изобретение относится к области измерения параметров вращения и может быть использовано в системах автоматического управления. .

Изобретение относится к области измерения параметров вращения вала. .

Изобретение относится к информационно-измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерению параметров ударного ускорения объектов, когда электрическая связь с объектом испытаний исключена. .
Наверх