ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в диапазоне до нескольких десятков миллиметров.

Известен измеритель линейных перемещений [Кобус А. , Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. М. , Энергия. 1971] , содержащий пару неподвижных двухполюсных постоянных магнитов, установленный с возможностью перемещения в зазоре между ними элемент Холла, имеющий две пары электродов, и подключенные к соответствующим парам источник питания и усилитель с регистратором. Недостатком известного устройства является незначительный диапазон измерения, поскольку датчик Холла перемещается только между полюсными наконечниками подковообразного магнита.

Известен также измеритель линейных перемещений [а. с. N 1656313, МКИ G 01 В 7/00, бюл. N 22, 1991] , в котором магниты выполнены в виде прямоугольных призм, обращенных одна к другой боковыми гранями, имеющими противоположную полярность и острый угол между ними, а элемент Холла установлен в плоскости, проходящей через биссектрису этого острого угла, который составляет 15-30^o. Это позволяет увеличить диапазон измерений за счет создания протяженной магнитной системы. Пропуская через элемент Холла ток постоянной величины и поддерживая угол между вектором тока и вектором магнитной индукции неизменным, получаем пропорциональное изменение ЭДС Холла от величины индукции, которая линейно изменяется в зазоре между магнитами. Экспериментально установлено, что для того, чтобы выходная характеристика измерителя была линейной, угол между магнитами должен составить 15-30^o. Однако достижение заданной линейности характеристики измерителя затруднено из-за рассеяния магнитного поля в зазоре между магнитами, увеличивающегося с увеличением протяженности магнитной системы.

Общим недостатком известных измерителей линейных перемещений является низкая чувствительность и точность из-за рассеяния магнитного поля в воздушном зазоре между магнитами или между полюсными наконечниками подковообразного магнита.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности и точности измерения.

Задача решается посредством того, что измеритель линейных перемещений, содержащий пару неподвижных постоянных магнитов, выполненных в виде прямоугольных призм, обращенных одна к другой боковыми гранями, имеющими противоположенную полярность и острый угол между ними, и установленный в плоскости, проходящей через биссектрису этого угла, с возможностью перемещения между магнитами элемент Холла, имеющий две пары электродов, к которым подключен блок питания и регистрации, отличается тем, что элемент Холла помещен между двумя элементами, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями обращенными к элементу Холла, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями.

Задача решается также, если площадь больших оснований пирамид определяют из соотношения:
b = a+2h(1-2l/δ),
где h - выпучивание магнитного поля, м;
а - ширина боковой грани призмы, м;
δ- величина воздушного зазора между боковыми гранями призм, м;
l - высота пирамиды, м.

Используемые в предлагаемом измерителе элементы пирамидальной формы из магнитомягкого материала уменьшают рассеяние магнитного поля в зазоре между магнитами, не искажая картины его продольного распределения, что позволяет увеличить чувствительность и точность измерителя линейных перемещений. Таким образом, совокупность признаков изобретения позволяет решить поставленную задачу.

Величина сторон больших оснований пирамид, определенная из дополнительного рекомендуемого соотношения, позволяет более эффективно использовать магнитное поле в зазоре с учетом выпучивания.

Известны концентраторы [Кобус А. , Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. М. , Энергия. 1971] , позволяющие повысить чувствительность датчиков Холла, но они, как правило, приводят к искажению магнитного поля. Последнее говорит в пользу неочевидности предлагаемого технического решения.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема измерителя.

На фиг. 2 изображены а) картина распределения магнитного поля в воздушном зазоре между магнитами; б) сечение А-А фиг. 2а.

Измеритель линейных перемещений содержит два неподвижных постоянных магнита 1 и 2, которые выполнены в виде прямоугольных призм и установлены под острым углом 15-30^o один к другому так, чтобы обращенные одна к другой боковые грани призм имели противоположенную полярность. Благодаря такой конструкции магнитной системы измерителя в зазоре между боковыми поверхностями магнитов создается линейно изменяющийся градиент индукции магнитного поля. В плоскости, проходящей через биссектрису острого угла между магнитами 1 и 2 перпендикулярно магнитным силовым линиям магнитного поля, создаваемого магнитами, установлен с возможностью перемещения элемент Холла 3. Элемент Холла 3 помещен между двумя элементами 4, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями, обращенными к элементу Холла 3, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла 3, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла 3 в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. Элемент Холла 3 имеет две пары электродов, к которым подключен блок питания и регистрации 5.

При этом площадь больших оснований пирамид определяют из соотношения:
b = a+2h(1-2l/δ),
где h - выпучивание магнитного поля, м. Исходя из известных соотношений [Буль Б. К. и др. Основы теории электрических аппаратов. М. , "Высшая школа". 1970] может быть найдено выражение с достаточной точностью апроксимирующее h= f(δ), полученное опытным путем:

где a - ширина боковой грани призмы, м;
δ- величина воздушного зазора между боковыми гранями призм, м;
l - высота пирамиды, м.

Измеритель линейных перемещений работает следующим образом.

Элемент Холла 3 движется по направляющим вдоль биссектрисы угла, образованного магнитами 1 и 2, при этом он жестко связан с объектом перемещения и помещен между двумя элементами 4, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями обращенными к элементу Холла 3, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла 3, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла 3 в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. При этом на элемент Холла 3 действует магнитная индукция, величина которой пропорциональна величине зазора между разноименными полюсами магнитов. Так как в процессе движения элемента Холла величина указанного зазора все время меняется, то меняется и величина магнитной индукции В, действующей на него, в результате получаем изменение ЭДС Холла от величины индукции. ЭДС Холла фиксируется в блоке питания и регистрации 5.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой устройство для измерения линейных перемещений с помощью датчиков Холла. Отличие изобретения заключается в том, что элемент Холла помещен между двумя элементами, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала и имеющими форму усеченных пирамид, малыми основаниями обращенными к элементу Холла, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности устройства и точности измерений. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Измеритель линейных перемещений, содержащий пару неподвижных постоянных магнитов, выполненных в виде прямоугольных призм, обращенных одна к другой боковыми гранями, имеющими противоположную полярность и острый угол α между ними, и установленный в плоскости, проходящей через биссектрису этого угла, с возможностью перемещения между магнитами элемент Холла, имеющий две пары электродов, к которым подключен блок питания и регистрации, отличающийся тем, что элемент Холла помещен между двумя элементами, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями обращенными к элементу Холла, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. 2. Измеритель линейных перемещений по п. 1, отличающийся тем, что величина сторон больших оснований пирамид определяется из соотношения
b = α+2h(1-21/δ),
где h - выпучивание магнитного поля, м;
α - ширина боковой грани призмы, м;
δ - величина воздушного зазора между боковыми гранями призм, м;
1 - высота пирамиды, м.