ВИБРОКОНТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01B7/02 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в средствах автоматического и активного контроля.

Известно виброконтактное измерительное устройство, содержащее корпус, вибратор в виде двух рамок с измерительным наконечником, электромагнит возбуждения колебаний и узел измерения амплитуды колебаний вибратора [1].

Известное устройство не обеспечивает необходимую точность измерения вследствие значительной инерционности рамочного вибратора и наложения колебаний, обусловленных наличием упругой связи между наконечником и магнитом.

Наиболее близок к изобретению по технической сущности виброконтактный генераторный преобразователь для профилографирования поверхности, содержащий корпус с размещенными в нем разомкнутой намагничивающей системой генератора с обмоткой и магнитопроводом вибратора с обмоткой, якорь с измерительной иглой и пружиной, связанную с корпусом и якорем. Торцы намагничивающей системы генератора и магнитопровода вибратора выполнены выступающими из корпуса и размещены в одной плоскости, якорь установлен с зазором под этими торцами и закреплен с помощью плоской пружины консольно с корпусом [2].

Этот преобразователь имеет невысокую точность измерения, так как вибрирующий якорь реализует две координаты движения (линейную и угловую), обусловливая тем самым нелинейность траектории движения измерительной иглы, и является инерционным звеном в силу протяженности подпружиненной с одной стороны консоли якоря.

Цель изобретения - повышение точности, надежности и расширение диапазона измерения.

Цель достигается тем, что в виброконтактном преобразователе для линейных измерений, содержащем корпус с закрепленными в нем на упругом подвесе якорем с измерительным наконечником, электромагнитным возбудителем вибраций якоря и генераторным преобразователем вибраций якоря, выполненным в виде измерительной катушки, двухполюсного магнита и разомкнутого магнитопровода, стержни которого примыкают к торцам магнита и имеют на свободных концах вырезы, охватывающие якорь, якорь выполнен в виде установленного по оси корпуса немагнитного стержня с двумя призматическими ферромагнитными накладками, которые закреплены на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря и смещены в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки, длина накладок превышает суммарную длину катушки и толщину стержней магнитопровода, измерительная катушка расположена коаксиально с якорем, а упругий подвес якоря выполнен в виде пары дисковых пружин, при этом ферромагнитные накладки и вырезы на свободных концах стержней магнитопровода выполнены с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения.

Выполнение якоря в виде установленного на оси корпуса немагнитного стержня с двумя призматическими ферромагнитными накладками, закрепленными на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря, смещенными в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки и имеющими длину, превышающую суммарную длину катушки и толщину стержней магнитопровода, с измерительной катушкой, расположенной коаксиально с якорем, и с упругим подвесом якоря, выполненным в виде пары дисковых пружин, позволяет создать переменный магнитный поток в стержнях магнитопровода, примыкающих к торцам магнита и имеющих на свободных концах вырезы, охватывающие якорь, и переменную ЭДС в измерительной катушке, обеспечить колебательное поступательное перемещение якоря, траектория движения которого с измерительным наконечником является отрезком прямой. Это позволяет повысить точность, надежность и расширить диапазон измерения преобразователя.

Выполнение ферромагнитных накладок и вырезов на свободных концах стержней магнитопровода с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения позволяет повысить плотность магнитного потока на этих гранях и соответственно выходную ЭДС в измерительной катушке, что обеспечивает повышение чувствительности преобразователя, а следовательно, и повышение его точности.

В известных решениях якорь вибратора и якорь генератора выполнены в виде двух рамок, порознь настраиваемых на резонансные колебания в противофазе и образующих вследствие упругой связи измерительного наконечника и постоянного магнита систему с двумя степенями свободы, т.е. не имеют признаков, сходных с отличительными признаками заявленного решения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен виброконтактный преобразователь для линейных измерений, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (дисковая пружина упругого подвеса); на фиг. 3 и 4 - сечение Б-Б на фиг. 1 (два варианта ферромагнитных накладок и свободных концов стержней магнитопровода); на фиг. 5 - схема подключения электромагнитного возбудителя вибраций якоря и измерительной катушки преобразователя.

Виброконтактный преобразователь содержит корпус 1, в котором закреплены на упругом подвесе 2 якорь 3 с измерительным наконечником 4, электромагнитный возбудитель 5 вибраций якоря 3 и генераторный преобразователь вибраций якоря 3, выполненный в виде измерительной катушки 6, двухполюсного магнита 7 и разомкнутого магнитопровода, стержни 8 которого примыкают к торцам магнита 7 и имеют на свободных концах вырезы 9 (фиг. 4), охватывающие якорь 3. Якорь 3 выполнен в виде установленного по оси корпуса 1 немагнитного стержня 10 с двумя призматическими ферромагнитными накладками 11, которые закреплены на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря 3 и смещены в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки 6. Длина накладок 11 превышает суммарную длину катушки 6 и толщину стержней 8 магнитопровода. Измерительная катушка 6 расположена коаксиально с якорем 3, а упругий подвес 2 якоря 3 выполнен в виде пары дисковых пружин. Ферромагнитные накладки 11 и вырезы 9 на свободных концах стержней 8 магнитопровода выполнены с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения.

Схема подключения (фиг. 5) электромагнитного возбудителя вибраций якоря и измерительной катушки содержит обмотку возбудителя 5, обмотку катушки 6, электронный блок 12, указательное устройство 13.

Виброконтаный преобразователь работает следующим образом.

Обмотку возбудителя 5 (фиг. 5) подключают к источнику питания переменного тока (или к низкочастотному генератору сигналов). При этом на якорь 3 действует периодическая электромагнитная сила, вынуждая его, а вместе с ним немагнитный стержень 10 с двумя призматическими ферромагнитными накладками 11, измерительный наконечник 4 колебаться на упругом подвесе 2 с частотой, равной удвоенной частоте питания обмотки возбудителя 5. Подвижную систему якорь 3, немагнитный стержень 10, ферромагнитные накладки 11, измерительный наконечник 4, упругий подвес 2 настраивают на резонансный режим. Колебания ферромагнитных накладок 11 относительно стержней 8 магнитопровода вызывает в измерительной катушке 6 появление ЭДС, вызванное изменением магнитного потока. Выполнение ферромагнитных накладок 11 и вырезов 9 на свободных концах стержней 8 магнитопровода с трапециевидной (фиг. 4) формой поперечного сечения приводит к увеличению магнитного потока и переменной ЭДС в измерительной катушке 6 пропорционально площади охвата ферромагнитных накладок 11 вырезами 9 свободных концов стержней 8 магнитопровода. При этом узкие грани ферромагнитых накладок 11 способствуют концентрации магнитного потока и приближению его к измерительной катушке 6, обеспечивая появление дополнительной ЭДС в катушке 6, а следовательно, и увеличение чувствительности и точности преобразователя. Чувствительность виброконтактных преобразователей определяется отношением выходного напряжения к перемещению измерительного наконечника.

При проведении линейных измерений наконечник 4 контактирует с измеряемой деталью. Изменение размера измеряемой детали вызывает изменение амплитуды колебаний якоря 3, при этом генерируемая в измерительной катушке 6 ЭДС изменяется пропорционально величине изменения амплитуды. Изменение генерируемой ЭДС оценивается указательным устройством 13, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины. Изменение генерируемой ЭДС может быть также преобразовано в электромагнитном блоке 12 в цифровую форму.

Динамической моделью подвижной системы предлагаемого преобразователя является одномерный гармонический осциллятор. Траектория движения измерительного наконечника выражается зависимостью
x = a ˙ sin( ωt + α ) , (1) где a, ω и α - максимальная амплитуда, частота и начальная фаза колебаний соответственно.

В подвижной системе прототипа координаты измерительного наконечника в проекциях на оси х и y изменяются по закону
x = a₁ ˙ sin( ωt + α );
y = a₂ ˙ cos( ωt + α ), (2) где a₁, a₂ - амплитуды колебаний вдоль осей x и y.

Исключая время t из уравнений (2), получают
+=1.

Таким образом, уравнение траектории движения измерительного наконечника прототипа является уравнением эллипса. Это значит, что ординаты при прямом и обратном ходе измерительного наконечника различны. Именно это обстоятельство и приводит к образованию дополнительной погрешности при измерении устройством-прототипом. От этих недостатков свободна конструкция предлагаемого преобразователя, подвижная система которого обеспечивает прямолинейное поступательное перемещение измерительного наконечника в направлении его оси, что приводит к уменьшению погрешности измерения, повышению чувствительности, обеспечивая цену деления преобразователя 1 мкм, и расширению диапазона измерения преобразователя не менее чем в два раза благодаря наличию одной степени свободы. Кроме того, надежность прибора повышена в 5 раз.

В предлагаемом решении якорь установлен на упругом подвесе с помощью двух дисковых пружин мембранного типа по оси корпуса. Это способствует снижению измерительного усилия (вследствие строгой определенности положения якоря и отсутствия необходимости применять жесткий упругий элемент для крепления через консоль к корпусу).

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности, надежности и расширение диапазона измерения виброконтактного преобразователя для линейных измерений, который содержит электромагнитный возбудитель вибраций якоря с измерительным наконечником и генераторный преобразователь вибраций, амплитуда которых определяется размерами контролируемого объекта. Якорь преобразователя, упруго подвешенный на двух дисковых пружинах, выполнен в виде установленного по оси корпуса немагнитного стержня с двумя призматическими ферромагнитными накладками. Длина накладки превышает суммарную длину катушки генераторного преобразователя вибраций и толщину стержней, которые образуют разомкнутый магнитопровод этого преобразователя и примыкают к торцам возбуждающего двухполюсного магнита. В торцах стержней магнитопровода могут быть выполнены прямоугольные или трапециевидные вырезы. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ВИБРОКОНТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащий корпус, закрепленный в нем на упругом подвесе якорь с измерительным наконечником, электромагнитный возбудитель вибраций якоря и генераторный преобразователь вибрации якоря, выполненный в виде измерительной катушки, двухполюсного магнита и разомкнутого магнитопровода, стержни которого примыкают к торцам магнита и имеют на свободных концах вырезы, охватывающие якорь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, надежности и расширения диапазона измерения, якорь выполнен в виде установленного по оси корпуса немагнитного стержня с двумя призматическими ферромагнитными накладками, которые закреплены на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря и смещены в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки, длина накладок превышает суммарную длину катушки и толщину стержней магнитопровода, измерительная катушка расположена коаксиально с якорем, а упругий подвес якоря выполнен в виде пары дисковых пружин. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ферромагнитные накладки и вырезы на свободных концах стержней магнитопровода выполнены с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения.