Датчик измерения механических деформаций



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

Владельцы патента RU 2654827:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик измерения механических деформаций содержит прямоугольную пластину, выполненную с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 3 ил.

 

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля материалов и может быть использовано в качестве датчика раскрытия трещин и при измерениях малых деформаций в различных конструкциях.

Известен способ и устройство измерения физических величин (Sandacci S. (GB), Measuring physical quantities, Pat. WO 2007116218, G01B 7/24, G01R 33/18, publ. 18.10.2007, prior. 10/04/2007). Устройство измерения физических величин содержит датчик на основе аморфных ферромагнитных материалов с положительной константой магнитострикции, источник переменного магнитного поля, детектор обнаружения электродвижущей силы в виде импульсных сигналов от гигантских скачков Баркгаузена, возникающих при перемагничивании датчика, и средство измерения для определения значения выходной физической величины. Для регистрации приложенной механической нагрузки датчик выполнен в виде предварительно напряженного аморфного ферромагнитного микропровода (АФМ).

Недостатками этого устройства является большой разброс в характеристиках датчиков и значительное влияние внешних магнитных полей на его работу.

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 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 напряжений (Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Усов Н.А., Игнатов А.С., Тарасов В.П., Криволапова О.Н. Датчик измерения механических напряжений. Пат. RU 2552124 C1, G01L 1/12, G01B 7/24). Датчик представляет собой прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой выполнено посадочное место, в котором расположен регистратор, внутри массива прямоугольной пластины расположен магниточувствительный элемент, выполненный в виде АФМ, размещенного внутри дифференциальной измерительной катушки. АФМ и дифференциальная измерительная катушка через две пары контактных площадок соединены с регистратором, обеспечивающим перемагничивание магниточувствительного элемента и усиление и регистрацию сигналов дифференциальной измерительной катушки. Регистрация приложенных к АФМ механических напряжений осуществляется по измерению сигнала дифференциальной измерительной катушки, подключенной к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с персональным компьютером. При этом контролируется ширина выходного сигнала при перемагничивании АФМ в зависимости от приложенного механического напряжения. Для количественной связи между выходным сигналом и приложенным механическим напряжением проводится калибровка.

Недостатком этого устройства является сложность точного определения ширины выходного сигнала для определения приложенных к чувствительному элементу механических напряжений из-за сложной формы выходного сигнала и возникающая в связи с этим низкая чувствительность.

В предложенном изобретении достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей датчика, а именно повышении чувствительности за счет использования режима регистрации малоуглового вращения вектора намагниченности АФМ. В данном режиме регистрации по АФМ пропускают переменный ток I частотой f, который создает в нем переменное циркулярное магнитное поле Нх, перпендикулярное оси АФМ, которое приводит к осцилляциям вектора намагниченности Ms относительно его оси на малый угол θ. При этом компонента намагниченности Msz, совпадающая с направлением оси АФМ, изменяется во времени с удвоенной частотой 2f. Из-за изменения во времени с частотой 2f компоненты намагниченности насыщения Msz в навитой на АФМ измерительной катушке возникает ЭДС с частотой, равной также 2f. Этот сигнал ЭДС усиливается и измеряется с помощью вольтметра. Для определения приложенной деформации в предлагаемом способе используют модельное выражение для сигнала ЭДС удвоенной частоты, наводимого в измерительной катушке (Gudoshnikov, S., Churyukanova, М.; Kaloshkin, S.; Zhukov, A.; Zhukova, V.; Usov, N.A., Investigation of the properties of Co-rich amorphous ferromagnetic microwires by means of small angle magnetization rotation method, Journal of magnetism and magnetic materials, V. 387, P. 53-57, 2015).

Технический результат достигается следующим образом.

В конструкции датчика используют вытянутую прямоугольную пластину, выполненную из полимерного материала с поперечными разрезами в центральной части, обеспечивающими возможность ее растяжения под влиянием внешних растягивающих усилий. На верхней поверхности прямоугольной пластины дополнительно располагают миниатюрный соленоид, подключенный к паре контактных площадок. В миниатюрном соленоиде размещают дифференциальную измерительную катушку, внутри которой расположен отрезок АФМ. Концы АФМ зафиксированы на двух контактных площадках (первая пара контактных площадок), расположенных на противоположных концах прямоугольной пластины.

Дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок. Миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок. При этом все три пары контактных площадок соединены с электронным измерительным устройством.

Электронное измерительное устройство содержит источник переменного тока частоты ƒ, источник постоянного тока, усилитель сигналов на удвоенной частоте переменного тока 2ƒ. Источник переменного тока соединен с контактными площадками АФМ. Источник постоянного тока соединен с контактными площадками миниатюрного соленоида. Вход усилителя сигналов на удвоенной частоте соединен с контактными площадками измерительной катушки. Выход усилителя сигналов подключен к аналого-цифровому преобразователю, который соединен с персональным компьютером.

В отличие от прототипа, в котором осуществляется перемагничивание АФМ с помощью переменного магнитного поля от внешнего источника поля и регистрация сигнала перемагничивания АФМ, наводимого в виде ЭДС в дифференциальной приемной катушке, форма которой изменяется под действием приложенной механической нагрузки, в предлагаемом техническом решении к АФМ прикладывают постоянное магнитное поле больше поля насыщения АФМ. Через АФМ пропускают переменный ток I частотой f и регистрируют амплитуду сигнала дифференциальной приемной катушки на удвоенной частоте 2f, которая связана с приложенной деформацией модельным выражением для сигнала ЭДС удвоенной частоты. Данный режим регистрации выходного сигнала позволяет достичь технического результата, заключающего в расширении функциональных возможностей датчика и повышении чувствительности измерений.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структура датчика, на фиг. 2 изображена электрическая схема подключения датчика к измерительному устройству.

На фигурах 1, 2 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.

На фигуре 3 показано семейство кривых малоуглового вращения вектора намагниченности АФМ, измеренных под действием приложенных растягивающих напряжений, создаваемых подвешиваемыми грузами известной массы. При этом воздействующая нагрузка величиной 30 г соответствует деформации 0.5. мм для АФМ длиной 100 мм.

Датчик работает следующим образом.

На поверхность измеряемого объекта через крепежные отверстия 1 прикрепляют датчик измерения механических деформаций с помощью винтов или шурупов. При деформации измеряемого объекта прямоугольная пластина 2 и АФМ 4 также подвергаются деформации. Для регистрации деформации через АФМ 4 пропускается возбуждающий переменный ток амплитудой I (в пределах 5-10 мА) и частотой f (в пределах 5-10 кГц), создаваемый генератором переменного сигнала 10. Также к АФМ 4 прикладывается постоянное магнитное поле, которое создается миниатюрным соленоидом 6 при протекании через него постоянного тока от источника постоянного тока 11. Создаваемое постоянное магнитное поле Н0 (величиной в пределах 10-12 Э), направленное вдоль оси АФМ, должно превышать в несколько раз значение поля анизотропии АФМ.

Возбуждающий переменный ток и воздействующее постоянное магнитное поле обеспечивают начальное значение переменного сигнала электродвижущей силы частоты 2f на дифференциальной измерительной катушке 5. В отсутствие воздействующей механической деформации амплитуда сигнала электродвижущей силы на измерительной катушке 5 фиксирована и имеет минимальное значение. При механическом растяжении исследуемого объекта происходит увеличение амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 5 за счет сдвига кривой малоуглового вращения вектора намагничивания в область значений больших магнитных полей, как показано на фигуре 3. Сигнал дифференциальной измерительной катушки 5 через соответствующую пару контактных площадок 8 поступает на вход усилителя 12, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю. После цифровой обработки сигнал поступает на персональный компьютер, в котором по полученным данным определяется величина механической деформации с использованием модельного выражения для сигнала ЭДС, наводимого в измерительной катушке 5.

Таким образом, в предложенном датчике технический результат, заключающийся в повышении чувствительности к приложенным деформациям, достигается благодаря возможности более точного измерения амплитуды сигнала ЭДС и расчета деформации с использованием модельного выражения для сигнала ЭДС измерительной катушки.

Датчик измерения механических деформаций, состоящий из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала, на верхней поверхности которой выполнено посадочное место в виде центрально-симметричного углубления, магниточувствительного элемента, выполненного в виде аморфного ферромагнитного микропровода, подключенного к первой паре контактных площадок и размещенного внутри дифференциальной измерительной катушки, подключенной ко второй паре контактных площадок, источника переменного тока, источника постоянного тока и усилителя сигналов дифференциальной измерительной катушки, вход которого соединен со второй парой контактных площадок, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с персональным компьютером, отличающийся тем, что прямоугольная пластина выполнена с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению температуры и давления. Способ измерения давления и температуры тензомостом включает подачу тока на диагональ питания тензомоста и измерение напряжения на измерительной диагонали U+.

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.

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 измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик конструктивно объединяет магниточувствительный элемент и электронное измерительное устройство.

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.

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 измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик конструктивно объединяет магниточувствительный элемент и электронное измерительное устройство.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик измерения механических деформаций содержит прямоугольную пластину, выполненную с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 3 ил.

Наверх