ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений различных объектов, используемых в средствах автоматизации производственных процессов и в робототехнике.

Известен датчик перемещений [Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965, стр.192], содержащий двухполюсный постоянный магнит, ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока, создаваемого магнитом, и установленный с возможностью перемещения в поле магнита магнитометр. Для получения максимального градиента поля целесообразно в качестве магнитометра использовать элемент Холла.

Известен датчик перемещений [АС 1693359, МКИ G 01 В 7/00, Бюл. 43, 1991] , который содержит двухполюсный постоянный магнит в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси и ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока магнита, который выполнен в виде усеченного конуса и установлен с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, и элемент Холла, который закреплен в центре меньшего по площади торца сердечника. Такая конструкция, по сравнению с первой, позволяет увеличить диапазон линейности характеристики преобразования измеряемых перемещений в электрический сигнал.

Недостатком этого датчика является относительно низкая точность контроля положения объекта из-за смещения оси магнитного потока относительно оси датчика, вызванного технологической погрешностью, обусловленной неоднородностью материала постоянного магнита и концентратора, смещения оси концентратора относительно магнитного потока постоянного магнита при сборке датчика, неточности установки элемента Холла.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения за счет компенсации технологической погрешности.

Задача решается посредством того, что датчик перемещений содержит двухполюсный постоянный магнит, выполненный в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси, ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока, создаваемого магнитом, выполненный в виде усеченного конуса и установленный с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, элемент Холла, закрепленный на меньшем по площади торце этого сердечника-концентратора. В сердечник-концентратор соосно с ним, с возможностью поворота установлена втулка, в которой с эксцентриситетом е установлена другая втулка с возможностью поворота относительно первой, в последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент в виде цилиндра, выполненный из магнитотвердого материала, при этом втулки могут быть выполнены из ферромагнитного или диамагнитного материала.

Задача решается также, если датчик перемещений содержит двухполюсный постоянный магнит, выполненный в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси, ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока, создаваемого магнитом, выполненный в виде усеченного конуса и установленный с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, элемент Холла, закрепленный на меньшем по площади торце этого сердечника-концентратора. В сердечник-концентратор соосно с ним, с возможностью поворота установлена втулка, в которой с эксцентриситетом е установлена другая втулка с возможностью поворота относительно первой, в последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент в виде цилиндра, выполненный из магнитомягкого материала, при этом втулки выполнены из диамагнитного материала.

Используемые в предлагаемом датчике элементы компенсируют технологическую погрешность в широком диапазоне за счет подстройки оси магнитного потока относительно оси элемента Холла по трем координатным осям. Известен датчик [АС 94017597, МКИ G 01 В 7/00, Бюл. 13, 1996], в котором, также с целью компенсации технологической погрешности, введен постоянный магнит, выполненный с возможностью перемещения относительно элемента Холла. Однако конструктивное выполнение датчика позволяет компенсировать погрешность в более узком диапазоне, по одной координатной оси. Несмотря на некоторое совпадение средств для достижения поставленной задачи в предлагаемом датчике и в вышеупомянутом, неочевидным и новым для предлагаемого изобретения является конструктивное выполнение датчика, благодаря чему достигается значительно более полная компенсация технологической погрешности. Таким образом, совокупность признаков изобретения позволяет решить поставленную задачу. При этом задача равнозначно решается посредством двух вариантов устройства: когда элемент в виде цилиндра выполнен из магнитотвердого материала, а втулки выполнены из ферромагнитного или диамагнитного материала и когда элемент в виде цилиндра выполнен из магнитомягкого материала, а втулки выполнены из диамагнитного материала. В обоих случаях происходит целенаправленная концентрация магнитного поля, воздействующая на элемент Холла.

На чертеже представлен датчик перемещений, разрезы.

Датчик перемещений содержит двухполюсный постоянный магнит 1, выполненный в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси и намагниченный вдоль этой оси. В отверстии постоянного магнита 1 размещен ферромагнитный сердечник-концентратор 2 магнитного потока, создаваемого магнитом 1. Сердечник-концентратор 2 выполнен в виде усеченного конуса и установлен с возможностью перемещения вдоль оси отверстия в постоянном магните 1. На меньшем по площади торце этого сердечника-концентратора 2 закреплен элемент Холла 3. Магнит 1 размещен во внешнем крепежном кольце 4, а элемент Холла 3 - в защитном диэлектрическом корпусе 5, предохраняющем диэлектрические выводы 6 датчика от случайных механических воздействий. В сердечник-концентратор 2 соосно с ним, с возможностью поворота установлена втулка 7 (которая может быть выполнена в виде конуса или цилиндра с установкой в концентратор в отверстие соответствующей формы), в которой с эксцентриситетом е установлена другая втулка 8 (которая по форме может быть аналогична первой), с возможностью поворота относительно первой, в последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент 9, выполненный из магнитного материала в виде цилиндра. Элемент 9 (вариант 1) может быть выполнен из магнитотвердого материала, например из сплавов системы марганец-аллюминий или железо-хром-кобальт - постоянный магнит, при этом втулки 7, 8 могут быть выполнены как из ферромагнитного, например стали, так и из диамагнитного материала, например меди. Элемент 9 (вариант 2) может быть выполнен из магнитомягкого материала, например стали - ферромагнитный сердечник, при этом втулки 7, 8 выполнены из диамагнитного материала, например меди. Втулки 7, 8 и элемент 9 по наружной поверхности могут быть резьбовыми. Втулки 7, 8 выполнены с радиальными размерами, соизмеримыми с меньшим по площади торцом сердечника-концентратора 2.

Датчик перемещений работает следующим образом. При настройке датчика, при фиксированном крайнем правом положении элемента 9 путем поворота втулки 7 и втулки 8 элемент 9 перемещается в угловом и радиальном направлениях до получения максимального значения ЭДС элемента Холла 3, что будет означать совпадение оси магнитного потока с осью элемента Холла 3. При необходимости максимума ЭДС добиваются перемещением элемента 9 в осевом направлении. Таким образом, посредством втулок 7, 8 и элемента 9 осуществляется настройка оси магнитного поля относительно оси элемента Холла 3 для достижения максимума ЭДС.

При линейном перемещении сердечника-концентратора 2 относительно магнита 1 в направлении X, что может быть осуществлено как путем неподвижного закрепления корпуса 5 и обеспечения кинематической связи сердечника-концентратора 2 с контролируемым объектом, так и путем стопорения сердечника-концентратора 2 и обеспечения перемещения относительно него корпуса 5, происходит изменение положения элемента Холла 3 вдоль оси конического отверстия магнита 1. Изменением индукции магнитного поля, создаваемого магнитом 1 в различных поперечных сечениях конического отверстия в нем, обеспечивается изменение ЭДС элемента Холла на выводах 6 датчика в диапазоне измеряемых перемещений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений различных объектов, используемых в средствах автоматизации производственных процессов и в робототехнике. В сердечник-концентратор соосно с ним с возможностью поворота установлена втулка. Во втулке с эксцентриситетом е установлена другая втулка с возможностью поворота относительно первой. В последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент в виде цилиндра, выполненный из ферромагнитного материала. Устройство реализуется в двух вариантах: когда элемент в виде цилиндра выполнен из магнитотвердого материала, а втулки выполнены из ферромагнитного или диамагнитного материала и когда элемент в виде цилиндра выполнен из магнитомягкого материала, а втулки выполнены из диамагнитного материала. Технический результат: повышение точности измерения за счет компенсации технологической погрешности. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Датчик перемещений, содержащий двухполюсный постоянный магнит, выполненный в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси, ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока, создаваемого магнитом, выполненный в виде усеченного конуса и установленный с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, элемент Холла, закрепленный на меньшем по площади торце этого сердечника-концентратора, отличающийся тем, что в сердечник-концентратор соосно с ним с возможностью поворота установлена втулка, в которой с эксцентриситетом е установлена другая втулка с возможностью поворота относительно первой, в последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент в виде цилиндра, выполненный из магнитотвердого материала, при этом втулки могут быть выполнены из ферромагнитного или диамагнитного материала. 2. Датчик перемещений, содержащий двухполюсный постоянный магнит, выполненный в форме диска со сквозным коническим отверстием на его оси, ферромагнитный сердечник-концентратор магнитного потока, создаваемого магнитом, выполненный в виде усеченного конуса и установленный с возможностью перемещения вдоль оси этого отверстия, элемент Холла, закрепленный на меньшем по площади торце этого сердечника-концентратора, отличающийся тем, что в сердечник-концентратор соосно с ним с возможностью поворота установлена втулка, в которой с эксцентриситетом е установлена другая втулка с возможностью поворота относительно первой, в последнюю с таким же эксцентриситетом е и с возможностью осевого перемещения установлен элемент в виде цилиндра, выполненный из магнитомягкого материала, при этом втулки выполнены из диамагнитного материала.