ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ БЫСТРОДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛ Российский патент 2002 года по МПК G01P3/42 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактным датчикам положения и линейной скорости, и может быть использовано для измерения положения метаемого тела в стволе или скорости на дульном срезе метательных устройств, а также скоростей вращения гироскопов, турбин авиационных двигателей и т.д.

Известно устройство измерительного датчика /1/, состоящего из Ш-образного сердечника, на боковых стержнях которого расположены соединенные последовательно катушки возбуждения, питаемые переменным током, а на среднем укороченном стержне - измерительная катушка. В отсутствии электропроводящего объекта, скорость которого измеряется, магнитный поток замыкается через воздушный зазор между крайними стержнями сердечника. При вхождении в этот зазор электропроводного объекта магнитлый поток вытесняется из зазора и часть его замыкается через укороченный средний стержень, создавая ЭДС сигнала в измерительной катушке. Известны датчики дульной скорости, в которых скорость снаряда измеряется по сигналам с расположенных соосно со стволом измерительных катушек при пролете сквозь них снаряда /2,3,4/. Описанные выше датчики имеют следующие недостатки:
- низкий уровень сигнала, что требует использования сложной аппаратуры для выделения и регистрации сигнала;
- ограничение по диапазону измеряемых скоростей;
- большие габариты;
- большая погрешность измерения.

Известен датчик, в котором положение и скорость снаряда, несущего один или два магнита, измеряется с помощью катушки, расположенной перпендикулярно оси ствола /5/, причем катушка помещена в корпус из немагнитной нержавеющей стали. При прохождении вмонтированного в снаряд магнита мимо датчика магнитное поле диффундирует через дно корпуса в катушку. Изменение магнитного потока в катушке приводит к появлению на выводах катушки ЭДС, по которой и определяется момент пролета магнита мимо датчика. Недостатком такого датчика является низкий уровень сигнала, вследствие чего он может регистрировать только скорость снаряда с вмонтированными в него магнитами.

Известны датчики, в которых измерительная катушка намотана на ферромагнитный стержень, один торец которого обращен к перемещаемому телу, а ко второму торцу прикреплен постоянный магнит /6,7/. Недостатком такого датчика является то, что катушка намотана по всей длине ферромагнитного стержня. Это снижает уровень полезного сигнала и предопределяет необходимость использования специальной аппаратуры для усиления и регистрации сигнала /6/.

Наиболее близким по технической сущности и условиям применения является датчик положения и скорости снаряда для высокоскоростных метательных комплексов /8/, выбранный за прототип. Датчик /8/ включает С-образный магнитопровод с намотанными на него измерительной катушкой и катушкой возбуждения или с вмонтированным в него постоянным магнитом. Измерительный канал помещается в разрыв С-образного магнитопровода и отделяется от него высокоомной немагнитной вставкой, например из титана.

Принцип работы такого датчика основан на замыкании (движущееся тело - ферромагнетик) или размыкании (движущееся тело - диамагнетик) магнитной цепи магнитопровода, что приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе и, в свою очередь, появлению ЭДС на измерительной катушке.

Недостатки датчиков с С-образным магнитопроводом заключаются в следующем:
- уменьшение величины полезного сигнала, так как измерительная катушка удалена от места, где реализуется максимальное изменение магнитного потока;
- ограничение области применения, так как в некоторых случаях, например при измерении скорости вращения валов большого диаметра, С-образный магнитопровод неприменим.

- большие габариты С-образного магнитопровода, так как его размеры должны быть заведомо больше размеров движущегося тела, скорость которого измеряется.

Задачей изобретения является повышение уровня полезного сигнала, расширение области применения, а также уменьшение габаритов датчика.

Поставленная задача решается тем, что в известном датчике положения и скорости, включающем корпус из высокоомного немагнитного материала, магнитопровод, в разрыв которого помещен измерительный канал, измерительные катушки и источник постоянного магнитного поля, магнитопровод выполнен из двух расположенных на одной прямой перпендикулярной оси измерительного канала магнитодиэлектрических, например, ферритовых стержней круглого или прямоугольного сечения, причем измерительные катушки намотаны на магнитодиэлектрические стержни заподлицо с торцами, обращенными к измерительному каналу, а постоянные магниты одним из своих полюсов прикреплены, например, приклеены к противоположным торцам магнитодиэлектрических стержней. Длина магнитодиэлектрических стержней L выбирается из соотношения:

где S - площадь поперечного сечения магнитодиэлектрического стержня, а толщина перемычки корпуса датчика Δ, отделяющей измерительную катушку (торец магнитодиэлектрического стержня) от измерительного канала, выбирается из соотношения:
Δ≈1,36(мм/нГн)^1/2•(ρb/u_max)^1/2,
где Δ - толщина, мм;
ρ - удельное электрическое сопротивление материала корпуса датчика, Ом•мм²/м;
b - диаметр (толщина вдоль оси измерительного канала) стержней магнитопровода, мм;
u_max - максимальная измеряемая скорость движения тела, мм/мкс.

Выполнение магнитопровода линейным и состоящим из двух магнитодиэлектрических стержней позволяет существенно упростить конструкцию датчика и уменьшить его габариты. Размещение измерительной катушки на обращенном к измерительному каналу торце ферритового стержня позволяет увеличить уровень полезного сигнала, так как именно в этом месте реализуется максимальное изменение магнитного потока в магнитопроводе.

На фиг.1. приведены примеры конкретного выполнения заявляемого датчика.

Датчик состоит из корпуса 1, изготовленного из немагнитного высокоомного материала, например из титана или немагнитной нержавеющей стали; двух измерительных модулей, каждый из которых включает магнитодиэлектрический, например ферритовый стержень 2, измерительную катушку 3, постоянный магнит 4. Измерительный канал 5 является продолжением ствола (см. фиг.1,а) или охватывает вращающееся магнитонеоднородное тело, например, титановую ось 6 со стальной шпонкой 7 (см. фиг.1,б).

На фиг. 2. приведены схемы измерительного сечения датчика с С-образным магнитопроводом /6/, выбранного за прототип.

Датчик работает следующим образом: при движении в измерительном канале 5 ферромагнитного или диамагнитного электропроводящего тела изменяется магнитная проницаемость промежутка между двумя магнитодиэлектрическими стержнями 2. Это в свою очередь приводит к изменению магнитного потока в магнитодиэлектрических стержнях 2 и появлению ЭДС на измерительных катушках 3.

Магнитодиэлектрические стержни необходимы для формирования магнитного барьера в измерительном канале и для расположения на них измерительных катушек. При отсутствии магнитодиэлектрических стержней сигнал практически исчезает. Минимально допустимое значение длины L магнитодиэлектрических стержней определяется из условия формирования магнитного барьера заданной формы в измерительном канале. С другой стороны, удлинение стержней увеличивает габариты датчика. Экспериментально установлено, что оптимальная длина L магнитодиэлектрического стержня лежит в пределах:

где S - площадь поперечного сечения стержня.

Толщина перемычки корпуса датчика Δ (см. фиг.1,а) и удельное электрическое сопротивление немагнитного материала корпуса ρ выбираются из соотношения:
Δ≈1,36(мм/нГн)^1/2•(ρb/u_max)^1/2, (1)
где b - диаметр (толщина вдоль направления движения) стержней магнитопровода, мм;
u_max - максимальная измеряемая скорость движения тела, мм/мкс;
Величина Δ измеряется в мм, а ρ - в Ом•мм²/м.

При заданном значении Δ выполнение условия (1) обеспечивает близкую к максимальной амплитуду сигнала на измерительной катушке при прочих одинаковых условиях (скорость, форма и материал быстродвижущегося тела). Зависимость (1) определяется из условия равенства толщины перемычки Δ толщине скин-слоя магнитного потока δ в первую четверть периода переходного режима синусоидального изменения магнитного поля /9/.

Эффективность зависимости (1) подтверждена экспериментально для датчиков с различными диаметрами измерительного канала (8÷80 мм), в широком диапазоне измеряемых скоростей (до 8,3 км/с) и для различных материалов корпуса датчиков и магнитопроводов.

Уровень полезного сигнала в зависимости от размеров и материала движущегося тела меняется в диапазоне 1-25 В и может использоваться без каких-либо усилителей и формирователей сигналов для запуска регистрирующей аппаратуры аэробаллистической трассы или бронебаллистического стенда. Наличие двух измерительных катушек позволяет повысить точность измерения и надежность регистрации скорости движения.

Источники информации
1. Заявка ФРГ 2425872, МКИ G 01 P 3/42, 13/00, 1979 г.

2. Патент США 3824463, МКИ G 01 P 3/66, 16.07.1974 г.

3. Патент Великобритании 1178572, МКИ G 01 P 3/50, 21.01.1970 г.

4. Заявка ФРГ 2038733, МКИ G 01 P 3/66, 1972 г.

5. D. W. Bogdanoff, C.Knowlen, D.Murakami, I.Stonich. Magnetik Detector for Projectiles in Tubes.// AIAA Jomal, vol.28, 11, 1990, р. 1942-1944.

6. Патент США 5,483,156. МКИ G 01 P 3/48, 9.01.1996 г.

7. Патент США 5,486,758. МКИ G 01 P 3/48, 23.01.1996 г.

8. Синяев С. В. Датчик скорости для высокоскоростных метательных комплексов. // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Динамика систем, механизмов и машин". Омск: Изд-во Омск. гос. техн. ун-та, 1995. Книга 1. С.54.

9. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. Изд. "Мир", М., 1972, 39 с.

Изобретение относится к измерительной технике. Датчик состоит из корпуса из немагнитного материала, магнитопровода, состоящего из ферритовых стержней, измерительных катушек и постоянных магнитов. Измерительные катушки намотаны на торцах ферритовых стержней, обращенных к измерительному каналу, а магниты прикреплены к противоположным торцам. Предлагаемая конструкция датчика позволяет уменьшить габариты датчика, повысить уровень полезного сигнала, расширить область применения датчика. 2 ил.

Датчик положения и скорости перемещения быстродвижущихся тел, включающий корпус из высокоомного немагнитного материала, магнитопровод, измерительные катушки и источник постоянного магнитного поля, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из двух магнитодиэлектрических стержней, расположенных по обе стороны и перпендикулярно оси измерительного канала, измерительные катушки намотаны на концах стержней заподлицо с торцами, обращенными к измерительному каналу, а постоянные магниты прикреплены одним из своих полюсов к противоположным торцам стержней, причем длина магнитодиэлектрического стержня L выбирается из соотношения

где S - площадь поперечного сечения стержня,
а толщина перемычки корпуса датчика Δ, отделяющей измерительную катушку от измерительного канала выбирается из соотношения
Δ≈1,36•(ρb/u_max)^1/2,
где ρ - удельное электрическое сопротивление материала корпуса датчика Ом•мм²/м;
b - диаметр (толщина вдоль направления движения) стержней магнитопровода, мм;
u_max - максимальная измеряемая скорость движения тела, мм/мкс.