Датчик измерения механических деформаций



Датчик измерения механических деформаций
Датчик измерения механических деформаций
Датчик измерения механических деформаций
Датчик измерения механических деформаций

Владельцы патента RU 2653563:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик конструктивно объединяет магниточувствительный элемент и электронное измерительное устройство. Магниточувствительный элемент представляет собой вытянутую планарную растяжимую полимерную пластину, на которой с двух концов закреплен аморфный ферромагнитный микропровод, проходящий через измерительную катушку в виде встречно соединенных соленоидов из медной проволоки, которая, в свою очередь, размещена внутри соленоида. Электронное измерительное устройство объединяет генератор синусоидального электрического тока I частотой f, соединенный с аморфным ферромагнитным микропроводом, источник постоянного тока, соединенный с соленоидом, усилитель, соединенный с измерительной катушкой. Для формирования цепи обратной связи в электронное измерительное устройство введены генератор частоты 2f, синхронный детектор, усилитель обратной связи и ключ замыкания обратной связи. С помощью соленоида создают начальное магнитное поле Н0, направленное вдоль оси аморфного ферромагнитного микропровода и намагничивающее его до насыщения. Через аморфный ферромагнитный микропровод пропускают синусоидальный электрический ток I частотой f. Усиливают и детектируют сигнал дифференциальной измерительной катушки на удвоенной частоте генератора 2f и определяют величину деформации за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи и измерения сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к аморфному ферромагнитному микропроводу для удержания фиксированного значения выходного напряжения дифференциальной измерительной катушки. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает расширение функциональных возможностей датчика, а именно линеаризация передаточной характеристики датчика за счет введения стабилизирующей цепи связи по воздействующему магнитному полю и соответствующее повышение точности в области малых деформаций. 3 ил.

 

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля материалов и может быть использовано в качестве датчика измерения малых деформаций.

Известен композитный датчик измерения механических напряжений (Gore J., Fixter L., Eaton S., Horkins M., West R., Stinger L., Composite sensor. Pat. WO 2010055282, G01L 1/22, G01R 33/09, G01M 5/00, publ. 20.05.2010), выполненный из полимерной матрицы и армирующих элементов. Внутри массива полимерной матрицы размещен, по меньшей мере, один слой электропроводной ткани. В слое расположен, по меньшей мере, один магнитомягкий аморфный ферромагнитный провод (АФМ). Через АФМ пропускают переменный ток и регистрируют напряжение на АФМ. При приложении механической нагрузки к материалу импеданс АФМ может изменяться вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта. Изменение импеданса АФМ приводит к изменению регистрируемого напряжения.

Недостатком этого устройства является сложность измерения локальных механических нагрузок, поскольку датчик имеет протяженный размер и измеряет сигнал, пропорциональный механическим нагрузкам, приложенным по всей длине АФМ. Кроме этого, вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса, указанный композитный датчик может реагировать на приложенные внешние магнитные поля, которые будут искажать эффект, связанный с воздействующей механической нагрузкой.

Прототипом предложенного изобретения является датчик измерения механических деформаций (Гудошников С.А., Попова А.В., Фатеев В.М., Игнатов А.С., Тарасов В.П., Гореликов Е.С.) Датчик измерения механических деформаций Заявка на изобретение RU 2016145963, G01L 1/12, G01B 7/24.). Датчик представляет собой прямоугольную пластину из полимерного материала с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении. На верхней поверхности пластины выполнено посадочное место в виде центрально-симметричного углубления. Внутри посадочного места размещен миниатюрный соленоид, в котором расположена дифференциальная измерительная катушка с магниточувствительным элементом в виде АФМ, причем АФМ расположен внутри дифференциальной катушки. Концы АФМ соединены с первой парой контактных площадок, расположенных на противоположных концах прямоугольной пластины, дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок, а миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок. При этом все три пары контактных площадок соединены с электронным измерительным устройством, которое содержит источник переменного тока частоты ƒ, источник постоянного тока, усилитель сигналов на удвоенной частоте переменного тока 2ƒ. При этом источник переменного тока соединен с контактными площадками АФМ, источник постоянного тока соединен с контактными площадками миниатюрного соленоида, а вход усилителя сигналов на удвоенной частоте соединен с контактными площадками измерительной катушки и через аналого-цифровой преобразователь соединен с персональным компьютером.

Недостатком этого устройства является нелинейная зависимость между измеряемой деформацией Δl и выходным напряжением датчика: U2f ~ 1/(Δl+H0)2 (где H0 - приложенное к датчику магнитное поле, создаваемое соленоидом), что, с одной стороны, требует сложной обработки сигнала, а с другой стороны, снижает точность измерений в области малых деформаций.

В предложенном изобретении достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей датчика, а именно в линеаризации передаточной характеристики датчика за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи по воздействующему магнитному полю и соответствующем повышении точности в области малых деформаций.

Технический результат достигается следующим образом.

В конструкцию датчика для измерения механических деформаций, состоящего из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, и с посадочным местом в виде центрально-симметричного углубления для миниатюрного соленоида, содержащего дифференциальную измерительную катушку с размещенным внутри нее магниточувствительным элементом, выполненным из аморфного ферромагнитного провода, трех пар контактных площадок, а также источника постоянного тока, генератора переменного тока частоты f и усилителя, дополнительно введены генератор переменного напряжения удвоенной частоты 2f, синфазный с генератором частоты f, синхронный детектор сигнала удвоенной частоты 2f и усилитель обратной связи, при этом дополнительно введенный генератор частоты 2f соединен с первым входом дополнительно введенного синхронного детектора сигнала частоты 2f, второй вход которого, в свою очередь, соединен с выходом усилителя, а его выход соединен с дополнительно введенным усилителем обратной связи, при этом усилитель обратной связи напрямую подключен к аналого-цифровому преобразователю, а обратная связь замыкается при включении ключа обратной связи через источник постоянного тока, записывающий миниатюрный соленоид.

В отличие от прототипа, в котором осуществляется прямое измерение амплитуды выходного сигнала датчика, в предложенном техническом решении осуществляется измерение сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к АФМ для удержания фиксированного значения выходного напряжения измерительной катушки U0. Благодаря измерению величины тока, создающего дополнительно прикладываемое магнитное поле, линеаризуется передаточная характеристика датчика в широком диапазоне деформаций, при этом измеряемое напряжение пропорционально изменению приложенной деформации.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема датчика измерения механических деформаций, на фиг. 2 изображено семейство кривых малоуглового вращения вектора намагниченности (МВВН) АФМ, измеренных под действием приложенных растягивающих деформаций, на фиг. 3 показан результат измерений растягивающих деформаций с помощью предлагаемого датчика.

На фигуре 1 показаны крепежные отверстия 1, прямоугольная пластина 2, посадочное место 3, АФМ 4, дифференциальная измерительная катушка 5, миниатюрный соленоид 6, первая пара контактных площадок 7, вторая пара контактных площадок 8, третья пара контактных площадок 9, источник постоянного тока 10, генератор переменного сигнала частоты f 11, усилитель 12, генератор переменного напряжения удвоенной частоты 2f 13, синхронный детектор сигнала удвоенной частоты 2f 14, усилитель обратной связи 15 и ключ замыкания обратной связи 16. Буквенные обозначения Н0 и U0 соответствуют начальным значениям поля подмагничивания, создаваемого миниатюрным соленоидом, и фиксированному значению выходного напряжения на измерительной катушке.

На фигуре 2 показана зависимость выходного напряжения датчика измерения деформаций от воздействующего магнитного поля при отключенной с помощью ключа 16 цепи обратной связи и различных растягивающих деформациях. Деформацию создают за счет подвешивания к АФМ грузов различной массы. Пересчет величины деформации АФМ в зависимости от величины подвешенного к АФМ груза происходит в соответствии с выражением: Δl=(0.5/30)*Δm, где: Δl величина деформации в миллиметрах, Δm - масса подвешиваемого груза в граммах.

На фигуре 3 приведены результаты измерений выходного напряжения датчика (Uon-U) от величины приложенных деформаций Δl.

Перед использованием датчик предварительно настраивается.

В ходе настройки датчика размыкают ключ обратной связи 16. Для регистрации сигналов датчика, связанных с приложенными деформациями, через АФМ 4 пропускают возбуждающий переменный ток амплитудой I0 (в пределах 5-10 мА) и частотой f (в пределах 5-10 кГц), создаваемый генератором переменного сигнала 11. Также к АФМ 4 прикладывают постоянное магнитное поле Н0, которое создается миниатюрным соленоидом 6 при протекании через него постоянного тока от источника постоянного тока 10. Создаваемое постоянное магнитное поле Н0 (величиной в пределах 10-12 Э), направленное вдоль оси АФМ, должно превышать в несколько раз значение поля анизотропии АФМ.

При воздействии возбуждающего переменного тока и постоянного магнитного поля на дифференциальной измерительной катушке 5 появляется переменный сигнал ЭДС на частоте 2f, который усиливается усилителем 12 и детектируется синхронным детектором 14 на частоте опорного сигнала 2f, создаваемого генератором удвоенной частоты 13. Выходной сигнал синхронного детектора 14 подключен через усилитель обратной связи к аналого-цифровому преобразователю.

В отсутствие воздействующей механической деформации на датчик, амплитуда сигнала электродвижущей силы на измерительной катушке 5 (соответствует точке пересечения нижней кривой МВВН (0.01 мм) и вертикальной линии Н0), фиксирована и имеет минимальное значение. При механическом растяжении исследуемого объекта (датчика) происходит увеличение амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 5 (соответствует точке пересечения сдвинутой кривой МВВН (0.17 мм) и вертикальной линии Н0), за счет сдвига кривой малоуглового вращения вектора намагниченности в область значений больших магнитных полей. При еще большем механическом растяжении датчика (0.34 мм) сигнал дифференциальной измерительной катушки 5 достигает значения, соответствующего величине U0 и т.д. Величина деформации l0, соответствующая сигналу ЭДС дифференциальной измерительной катушки U0, соответствует условному начальному растяжению датчика и должна находиться примерно в центре между минимальной (0.01 мм) и максимальной (в нашем случае 0.67 мм) деформациями. Для сигнала дифференциальной измерительной катушки U0 определяют соответствующее значение выходного напряжения синхронного детектора 14 и подстраивают Uon так, чтобы оно сравнялось по величине с выходным напряжением синхронного детектора. Если после указанных установок замкнуть ключ обратной связи 16, то за счет действия цепи обратной связи амплитуда сигнала дифференциальной измерительной катушки будет удерживаться на уровне U0. При этом выходным сигналом, поступающим на вход АЦП, будет разностный сигнал (Uon-U), пропорциональный изменению величины деформации на Δl относительно исходной деформации l0. Следует отметить, что после установления указанных настроек и замыкания обратной связи, датчик начинает работать автоматически при включении питания схемы регистрации. При этом выходное напряжение датчика будет соответствовать текущему значению деформации (растяжению или сжатию) датчика относительно величины l0. В качестве примера на фигуре 3 приведены результаты измерений выходного напряжения датчика (Uon-U) от величины приложенных деформаций Δl с шагом 7.5 микрометров в широком диапазоне приложенных деформаций.

Таким образом, в предложенном датчике технический результат, заключающийся в линеаризации передаточной характеристики датчика и повышении точности в области малых деформаций, достигается за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи и измерения сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к АФМ для удержания фиксированного значения выходного напряжения дифференциальной измерительной катушки.

Датчик измерения механических деформаций, состоящий из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, и с посадочным местом в виде центрально-симметричного углубления для миниатюрного соленоида, содержащего дифференциальную измерительную катушку с размещенным внутри нее магниточувствительным элементом, выполненным из аморфного ферромагнитного микропровода, подключенного к первой паре контактных площадок, при этом дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок, а миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок, в свою очередь, генератор переменного тока частоты f соединен с первой парой контактных площадок, вход усилителя сигналов дифференциальной измерительной катушки соединен со второй парой контактных площадок, а источник постоянного тока соединен с третьей парой контактных площадок, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор переменного тока удвоенной частоты 2f, синфазный с генератором частоты f, синхронный детектор сигнала удвоенной частоты 2f, усилитель обратной связи и ключ замыкания обратной связи, причем дополнительно введенный генератор частоты 2f соединен с дополнительно введенным синхронным детектором сигнала удвоенной частоты, который, в свою очередь, соединен с усилителем и с дополнительно введенным усилителем обратной связи с другой стороны, а усилитель обратной связи подключен к аналого-цифровому преобразователю и через дополнительно введенный ключ замыкания обратной связи - к источнику постоянного тока.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к медицине. Хирургическая консоль содержит: нажимную пластину; и модуль датчика давления, содержащий датчик усилия; при этом нажимная пластина выполнена с возможностью перемещения относительно модуля датчика давления; и модуль датчика давления выполнен с возможностью измерения усилия, приложенного к модулю датчика давления эластичным контейнером, расположенным между модулем датчика давления и нажимной пластиной, причем указанное усилие используется для определения давления, связанного с эластичным контейнером.

Изобретение относится к измерениям в скважине в процессе бурения. Техническим результатом является увеличение срока службы забойного двигателя за счет снижения нагрузок на эластомерный статор.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к волоконно-оптическим средствам измерения неоднородного сложного объемного динамического напряженного состояния, и может быть использовано для диагностики напряженного состояния и дефектоскопии композитов, в медико-биологических исследованиях, гидроакустике, аэродинамике, системах охраны при дистанционном мониторинге давления.

Комбинированный прибор для определения прочностных характеристик ягод относится к области садоводства, а именно к средствам контроля для оценки физико-механических свойств ягод.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности может быть использовано для надежного и точного измерения усилий в широком диапазоне, в том числе и малой величины.

Изобретение относится к области испытаний соединения полимерных труб, полученного посредством сварки с использованием накладной муфты. Сущность: вырезают из муфтового сварного соединения образец, содержащий части соединяемых полимерных труб и перекрывающую их и приваренную к ним часть муфты.

Заявленное изобретение относится к области швейного материаловедения и связано с определением деформации пористых вспененных материалов для одежды при сжатии. Заявленное устройство для исследования деформации вспененных одеждных материалов при сжатии содержит средство для крепления исследуемого образца, при этом воспринимающие элементы выполнены в виде двух плоских металлических пластин, на нижнем неподвижном элементе (1) расположена осевая конструкция с винтовой нарезкой (3), отвечающая за действие силы сжатия на материал (2) под действием внешнего давления, в том числе давления водной среды, и сохранение его толщины после снятия деформирующей нагрузки, при этом второй из воспринимающих элементов (4) выполнен с возможностью регулирования его высоты от исходной до заданной толщины сжатия материала (2) за счет деталей винтового сжатия (5) и (6).

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при стопорении резьбовых соединений (болтов, шпилек), а также для измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийной ситуации на строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение.

Изобретение относится к системам водоотведения. В системе, включающей модуль перекачки воды, содержащий насосы, приемный резервуар с подводящим трубопроводом, модуль анализа диагностируемых параметров, модуль контрольно-измерительных приборов, блок ввода объемов приемного резервуара, блок анализа водопритока, модуль анализа диагностируемых параметров, снабженный блоками ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, анализа откачки воды из приемного резервуара, модуль контрольно-измерительных приборов снабжен датчиками уровня воды, установленными на подводящем трубопроводе и в приемном резервуаре, модуль перекачки воды снабжен запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе, устройством управления, при этом выходы блоков ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода и блока анализа откачки воды из приемного резервуара подключены к входу блока анализа водопритока.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения нагрузки на штанговую и стоечную крепь горных выработок, для измерения нагрузки на элементы машин и механизмов при изменении знака нагрузки на них, а также для измерения нагрузки при испытаниях образцов материалов на прочность.

Способ определения механических напряжений стальных конструкций основан на определении действительного направления напряжения в точке контроля на основании полученной зависимости анизотропии коэрцитивной силы от величины напряжения.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, технической диагностике, предназначено для определения остаточных механических напряжений в деформированных ферромагнитных сталях и может применяться в лабораторных, цеховых и полевых условиях.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля остаточных напряжений в сварных соединениях и изделиях из ферромагнитных и парамагнитных материалов. Способ позволяет повысить точность контроля действующих и остаточных напряжений в изделии, определить предельное состояние изделия перед его разрушением и ресурс его эксплуатации.

Изобретение относится к системе и способу для определения механического напряжения компонента самолета, изготовленного из намагниченного материала. Техническим результатом изобретения является упрощение определения механического напряжения на различной глубине компонента.
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических напряжений. Датчик включает прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой сделано углубление, в котором помещается детектор, при этом внутри прямоугольной пластины вдоль продольной оси располагается предварительно напряжённый аморфный ферромагнитный микропровод, изготовленный из обогащённых кобальтом сплавов, помещённый внутрь измерительной катушки в виде встречно соединённый соленоидов из медной проволоки.

Изобретение относится к области оценки технического состояния трубопроводов и может быть использовано для определения механических напряжений в стальных трубопроводах подземной прокладки.

Изобретение относится к верхнему строению пути, к рельсам, а именно к способам определения механических напряжений путем измерения изменений магнитных свойств металла.

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано в машиностроении. Способ заключается в измерении магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, в заданных точках на поверхности изделия углов наклона площадок наибольших главных напряжений, в подготовке пластин-образцов из материала исследуемого изделия, контроле в них изменения углов наклона площадок наибольших главных напряжений в ходе нагружения.

Изобретение относится к областям измерительной техники и неразрушающего контроля и предназначено для определения компонентов тензора механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов при двухмерном напряженно-деформированном состоянии.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для измерения давления щетки на коллектор электрических машин, и может быть использовано в ремонтном хозяйстве электротехнической, железнодорожной и других отраслях.
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических напряжений. Датчик включает прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой сделано углубление, в котором помещается детектор, при этом внутри прямоугольной пластины вдоль продольной оси располагается предварительно напряжённый аморфный ферромагнитный микропровод, изготовленный из обогащённых кобальтом сплавов, помещённый внутрь измерительной катушки в виде встречно соединённый соленоидов из медной проволоки.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик конструктивно объединяет магниточувствительный элемент и электронное измерительное устройство. Магниточувствительный элемент представляет собой вытянутую планарную растяжимую полимерную пластину, на которой с двух концов закреплен аморфный ферромагнитный микропровод, проходящий через измерительную катушку в виде встречно соединенных соленоидов из медной проволоки, которая, в свою очередь, размещена внутри соленоида. Электронное измерительное устройство объединяет генератор синусоидального электрического тока I частотой f, соединенный с аморфным ферромагнитным микропроводом, источник постоянного тока, соединенный с соленоидом, усилитель, соединенный с измерительной катушкой. Для формирования цепи обратной связи в электронное измерительное устройство введены генератор частоты 2f, синхронный детектор, усилитель обратной связи и ключ замыкания обратной связи. С помощью соленоида создают начальное магнитное поле Н0, направленное вдоль оси аморфного ферромагнитного микропровода и намагничивающее его до насыщения. Через аморфный ферромагнитный микропровод пропускают синусоидальный электрический ток I частотой f. Усиливают и детектируют сигнал дифференциальной измерительной катушки на удвоенной частоте генератора 2f и определяют величину деформации за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи и измерения сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к аморфному ферромагнитному микропроводу для удержания фиксированного значения выходного напряжения дифференциальной измерительной катушки. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает расширение функциональных возможностей датчика, а именно линеаризация передаточной характеристики датчика за счет введения стабилизирующей цепи связи по воздействующему магнитному полю и соответствующее повышение точности в области малых деформаций. 3 ил.

Наверх