ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и используется для создания датчиков силы и давления, а также других физических величин на их основе.

Уровень данной области техники можно показать на примере аналога - проволочного тензорезистора /1/, состоящего из так называемой решетки, выполненной в виде последовательно включенных отрезков металлической проволоки, заделанной в полимерную основу. Тензорезистор закрепляется на деформируемой поверхности и изменяет свое электрическое сопротивление в зависимости от величины деформаций за счет изменения сечения и длины проволоки.

Такой признак данного аналога, как наличие отрезка удлиненного металлического проводника, совпадает с существенным признаком изобретения.

К числу недостатков рассмотренного устройства следует отнести то, что оно имеет малое значение чувствительности, определяемой относительным изменением выходного сигнала, доли процента. Соответственно значение помехоустойчивости такого тензорезистора мало.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является выбранный в качестве прототипа фольговый тензорезистор /2/, который по принципу работы сходен с проволочным тензорезистором /1/, но отличается технологией изготовления и конструкцией, имеет решетку, выполненную в виде последовательно включенных отрезков металлической фольги, нанесенной на гибкое основание.

Такой признак прототипа, как наличие отрезка металлического проводника, совпадает с существенным признаком изобретения.

Необходимо отметить, что при использовании рассмотренного устройства требуемый технический результат не достигается, т.к. чувствительность и помехоустойчивость таких датчиков сравнительно малы. Кроме того, отсутствует возможность электрического регулирования параметров известных тензорезисторов, что снижает их функциональную гибкость.

Анализ уровня техники, проведенный выше на примере аналога и прототипа, показал необходимость решения задачи построения высокочувствительного, простого и надежного ТРП, имеющего высокую функциональную гибкость и помехоустойчивость, с малыми габаритами и энергопотреблением, удобного в эксплуатации.

Соответственно при осуществлении изобретения может быть получен технический результат, состоящий в обеспечении:
высокой технологичности и низкой стоимости ТРП;
высокой чувствительности, надежности и помехоустойчивости;
функциональной гибкости, допускающей электрическую регулировку параметров ТРП;
расширенных функциональных возможностей за счет измерения напряженности магнитного поля;
малого энергопотребления и габаритов.

На фиг. 1 представлен график изменения импеданса ТРП в зависимости от напряженности воздействующего на него магнитного поля при использовании лент с продольной наведенной анизотропией; на фиг.фиг.2- график изменения импеданса ТРП в зависимости от напряженности воздействующего на него магнитного поля при использовании лент с поперечной наведенной анизотропией.

Для решения поставленной задачи предложен ТРП, выполненный в виде отрезка металлического проводника, например ленты аналогично прототипу, причем лента выполнена из магнитострикционного сплава, имеет толщину d, определяемую следующим соотношением:

где: а=4,7 м /Гц/ 1/2 нормирующий коэффициент,
μ магнитная проницаемость;
f частота протекающего тока.

Кроме того, лента по крайней мере одним концом может быть закреплена на неподвижной опоре.

Кроме того, лента может иметь преднапряжение, определяемое следующим соотношением:
F<KES, /2/
где К константа магнитострикции;
E модуль Юнга;
S площадь поперечного сечения лента.

Кроме того, ТРП может иметь магнитную анизотропию типа "легкая ось", ориентированную вдоль продольной оси ленты.

Кроме того, лента может иметь магнитную анизотропию типа "легкая ось", лежащую в плоскости ленты, перпендикулярно ее оси.

Кроме того, лента может быть подключена к источнику постоянного тока.

Кроме того, ТРП может содержать последовательно включенные отрезки лент с продольной и поперечной магнитной анизотропией, имеющие константу магнитострикции одного знака.

Кроме того, ТРП может содержать последовательно включенные отрезки лент, имеющие константу магнитострикции разных знаков и однотипную магнитную анизотропию.

Кроме того, приложенная нагрузка может создавать деформацию скручивания.

Работа датчика основана на зависимости толщины скин-слоя, а следовательно, активной составляющей импеданса ленты от величины деформации ленты. Импеданс ленты имеет выраженный активный характер. Физически он определяется эффективным сечением ленты, ограниченным скин-слоем, при протекании переменного тока. Толщина h проводящего переменный ток слоя с учетом скин-эффекта характеризуется следующей формулой:
/3/
где С коэффициент;
μ магнитная проницаемость;
f частота протекающего тока.

Экспериментально определено, что при частоте 100 кГц величина скине-слоя имеет величину порядка 15 мкм. Это позволяет определить значение константы в формуле /3/:
(для μ = 10⁴) С 0,47 м /Гц/^1/2
Следует отметить, что для лент более толстых, чем скин-слой, эффект проявляется, но тем меньше, чем больше толщина ленты d. Поэтому с учетом интересной для практики области параметров в формуле /1/ значение нормирующего коэффициента выбрано равным а=4,7.

Из вышеизложенного с учетом известной взаимосвязи сопротивления проводника с его сечением следует вывод о том, что сопротивление R ленты для спектральной компоненты переменного тока с частотой f изменяется обратно пропорционально эффективному сечению проводника на данной частоте.

Величина μ ферромагнетика при наличии магнитострикционных свойств изменяется с изменением деформации, что приводит к изменению толщины скин-слоя, а следовательно, к изменению электрического сопротивления деформируемой ленты. Таким образом, при изменении степени деформации ленты изменяется ее сопротивление. Как показали эксперименты, величина сопротивления ленты изменяется также в зависимости от величины приложенного магнитного поля, что может послужить основой для измерения магнитного поля с помощью предлагаемого ТРП.

В предложенном ТРП используется лента из аморфного металлического сплава, полученная методом скоростной закалки расплава. Она имеет большое значение магнитной проницаемости благодаря своей аморфной структуре. Ленты, изготовляемые данным методом, имеют толщину порядка 10 40 мкм, которая сравнима с толщиной скин-слоя на частоте 0,1 10 МГц. Таким образом, при использовании лент такого типа удается получить высокое относительное изменение проводящего сечения ленты с изменением магнитной проницаемости и рабочей частоты. Эффективная зависимость толщины скин-слоя от величины магнитной проницаемости обеспечивает высокую чувствительность ТРП к величине внесенных деформаций, а связь толщины скин-слоя с рабочей частотой допускает электрическую регулировку параметров ТРП.

Отметим возможность использования такого ТРП, как с подложкой, так и без подложки. В последнем случае роль подложки выполняет растягиваемый слой ленты, а сжимаемый обеспечивает ее чувствительность /для положительной константы магнитострикции/. При этом очевидно повышается точность ТРП, поскольку отсутствует проблема согласования коэффициентов теплового расширения. Если же лента ТРП крепится на внешней подложке, то она в зависимости от знака константы магнитострикции и направления магнитной анизотропии располагается на той стороне подложки, деформация которой приводит к резкой перестройке магнитной структуры с продольного типа на поперечный, либо наоборот, что обеспечивает резкое изменение магнитных свойств ленты и, следовательно, высокую чувствительность ТРП.

Аморфная лента, полученная методом быстрой закалки, как правило, имеет неоднородную по длине магнитную анизотропию, что приводит к разбросу параметров изготавливаемых ТРП. Введением предварительной нагрузки в лентах с положительным коэффициентом магнитострикции наводится продольная магнитная анизотропия, что способствует стабилизации параметров ТРП.

Оценим величину необходимого преднапряжения. Поскольку константа магнитострикции "к" представляет собой относительное удлинение ленты при ее намагничивании до насыщения, то в силу обратимости эффекта, очевидно, вводя механическое напряжение к Е /где Е модуль Юнга/, приведем ленту в состояние магнитного насыщения. Умножая данное напряжение на величину поперечного сечения S ленты, получим формулу /2/ для расчета прикладываемой силы F.

На графиках фиг.1 и 2 приведены экспериментальные кривые зависимости импеданса ТРП от воздействующего на него магнитного поля для лент соответственно с продольной и поперечной наведенной магнитной анизотропией.

Было обнаружено, что при использовании лент, имеющих положительную константу магнитострикции, с наведенной продольной/поперечной магнитной анизотропией выходной сигнал датчика максимален при деформации сжатия/растяжения. Поэтому в случае деформации растяжения целесообразно использовать аморфные ленты с поперечной магнитной анизотропией, наведенной либо отжигом в магнитном поле, либо пропусканием постоянного электрического тока. При сжатии используются ленты с продольной анизотропией, наведенной либо отжигом, либо введением предварительной механической нагрузки. Соединением лент с различным типом магнитной анизотропии и константой магнитострикции одного знака обеспечивается эффективная работа ТРН при произвольном типе деформации. Этот же технический результат достигается соединением лент с однотипной магнитной анизотропией, но различными знаками константы магнитострикции. Соответственно повышаются помехоустойчивость и помехозащищенность измерений.

Проведенные эксперименты также показали, что деформация скручивания приводит к образованию выходного сигнала большей величины.

Кроме того, как следует из экспериментальных кривых, приведенных на фиг. 1 и 2, ТРП может быть использован для измерения напряженности магнитного поля. Причем тип наведенной магнитной анизотропии подбирается в зависимости от условий поставленной задачи.

Приведем обоснование зависимости достигаемого технического результата заявляемого датчика от его существенных признаков.

Повышение чувствительности, стабильности и помехоустойчивости ТРП, в том числе в области малых деформаций обеспечивается в случае деформации растяжения /при положительной константе магнитострикции/ за счет использования аморфных лент с поперечной магнитной анизотропией, наведенной либо отжигом в магнитном поле, либо пропусканием постоянного электрического тока. При сжатии используются ленты с продольной анизотpопией, наведенной либо отжигом, либо введением предварительной механической нагрузки. Соединением лент с различным типом магнитной анизотропии и константой магнитострикции одного знака обеспечивается эффективная работа ТРП при произвольном типе деформации. Этот же технический результат достигается соединением лент с однотипной магнитной анизотропией, но различными знаками константы магнитострикции.

Кроме того, скручиванием ленты появляется возможность введения более широкого спектра деформаций в материале ленты /по типу и величине/ и получения соответственно более высокой амплитуды выходного сигнала.

Кроме того, регулирование параметров ТРП /амплитуды, чувствительности/ за счет изменения рабочей частоты также повышает функциональную гибкость ТРП и удобство его эксплуатации.

Вместе с тем предложенный ТРП обладает свойствами измерителя магнитного поля, что расширяет его функциональные возможности, обеспечивая монотонную выходную характеристику в широком диапазоне измеряемых полей при использовании лент с продольной наведенной магнитной анизотропией, либо резко повышая чувствительность в области малых измеряемых полей при использовании лент с поперечной наведенной анизотропией.

Габаритные размеры датчика представляются достаточно малыми, поскольку предложенное техническое решение хорошо сочетается с возможностями микроэлектронной схемотехники, и чувствительный к внешним воздействиям элемент имеет весьма малые габариты.

Следует отметить, что применение современной технологии /напыления, фотолитографии и т.д./ открывает широкие возможности для уменьшения габаритов датчика и улучшения его рабочих характеристик.

Использование: в технике измерения давления и силы. Сущность изобретения: тензорезистивный преобразователь выполнен в виде отрезка металлического проводника из магнитострикционного сплава с магнитной проницаемостью μ и толщиной d, причем , где f - частота генератора переменного тока в цепи и измерения сопротивления, в которую своими выводами на концах включен отрезок металлического проводника. В частных случаях может быть использован аморфный сплав. Тензорезистивный преобразователь может быть закреплен одним концом на опоре и иметь преднапряжение силой. Предложено также выполнить его с магнитной анизотропией, в том числе с участками с продольной и поперечной анизотропией. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Тензорезистивный преобразователь, выполненный в виде отрезка металлического проводника, снабженный выводами на концах для подключения к генератору переменного тока с частотой f в цепи измерения сопротивления, отличающийся тем, что он выполнен из магнитострикционного сплава с магнитной проницаемостью μ и имеет толщину d, определяемую следующим соотношением:

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен из аморфного сплава и по крайней мере одним концом закреплен на неподвижной опоре. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он имеет преднапряжение силой F, определяемой следующим соотношением:
F < KES,
где K константа магнитострикции;
E модуль Юнга;
S площадь поперечного сечения проводника. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он имеет магнитную анизотропию типа "легкая ось", ориентированную вдоль своей продольной оси. 5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что он имеет поперечную магнитную анизотропию. 6. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что его выводы выполнены с возможностью включения их в цепь постоянного тока. 7. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что отрезок металлического проводника выполнен неоднородным, содержащим по крайней мере одну пару последовательно соединенных участков с продольной и поперечной магнитной анизотропией, имеющих константу магнитострикции одного знака. 8. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что отрезок металлического проводника выполнен неоднородным, содержащим по крайней мере одну пару последовательно соединенных участков, имеющих константу магнитной анизотропии разных знаков и однотипную магнитную анизотропию. 9. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что его выводы выполнены с возможностью создания деформации скручивания.