МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИЛЫ Российский патент 2004 года по МПК G01P15/13 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией.

Известен магнитоэлектрический преобразователь силы [1], содержащий магнитную систему, расположенную на неподвижном основании, возвращающую обмотку, расположенную на подвижном узле, и систему температурных компенсаторов со специально подобранными температурными коэффициентами, встроенных между магнитной системой и корпусом. Заявленная точность достигается без учета нагрузочного резистора, т.е. при выходном сигнале по току.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений при выходе по напряжению, поскольку в выходной сигнал существенную долю погрешности вносит нагрузочный резистор.

Известен также магнитоэлектрический преобразователь [2], содержащий магнитопровод и постоянный магнит с полюсными наконечниками, между которыми образован зазор, где размещен проводник возвращающей обмотки, причем вся магнитная система размещена на подвижном узле, а возвращающая обмотка - на неподвижном основании, к одному концу возвращающей обмотки подключено управляющее напряжение, а ко второму - нагрузочный резистор, соединенный с землей.

Известный магнитоэлектрический преобразователь имеет следующие недостатки:

- преобразователь имеет температурную погрешность, связанную с изменением параметров элементов преобразователя, например магнитной индукции или величины сопротивления возвращающей обмотки;

- преобразователь имеет погрешность от тяжения подвижной магнитной системы к неподвижным магнитным материалам.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности датчиков с силовой компенсацией за счет выполнения оптимального соотношения между сопротивлением элементов, входящих в преобразователь, их температурными коэффициентами сопротивления и магнитной индукции.

Этот технический результат достигается тем, что в магнитоэлектрическом преобразователе, содержащем магнитопровод и два постоянных магнита с полюсными наконечниками, между которыми образованы зазоры, где проходят проводники возвращающей обмотки, включенные так, что токи в них направлены противоположно, причем магнитная система размещена на подвижном узле, а возвращающая обмотка - на неподвижном основании, к одному концу проводников возвращающей обмотки подключено управляющее напряжение, а ко второму - нагрузочный резистор, соединенный с землей, согласно изобретению отношение сопротивления нагрузочного резистора к сопротивлению проводников возвращающей обмотки выполнено в соответствии с соотношением разности между температурным коэффициентом сопротивления проводников возвращающей обмотки и температурным коэффициентом магнитной индукции к разности между температурным коэффициентом сопротивления нагрузочного резистора и температурным коэффициентом магнитной индукции

где R - сопротивление нагрузочного резистора; r - сопротивление проводников возвращающей обмотки; α_r=(1/r)(∂r/∂Т) - температурный коэффициент сопротивления проводников возвращающей обмотки; α_B=(1/B)(∂B/∂T) - температурный коэффициент магнитной индукции; α_R=(1/R)(∂R/∂Т) - температурный коэффициент нагрузочного резистора.

Существенное отличие изобретения заключается в том, что температурный коэффициент сопротивления (ТКС) проводников возвращающей обмотки и температурный коэффициент магнитной индукции являются разными, а нагрузочный резистор выбирается в соответствии с зависимостью, приведенной в формуле изобретения.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, показанными на фиг. 1 и 2, где на фиг.1 показан боковой вид предложенного устройства в разрезе, а на фиг.2 - вид на устройство сверху. Магнитоэлектрический преобразователь силы содержит подвижный узел (маятник) 1, магнитопровод 2 преобразователя силы, зазоры 3 между полюсными наконечниками и возвращающей обмоткой, постоянные магниты 4, полюсные наконечники 5, ось 6 качания подвижного узла (маятника), неподвижное основание (подложка) 14, проводники 7 и 8 возвращающей обмотки, груз 9 разбаланса подвижного узла 1, нагрузочный резистор 10, изоляцию 11 между пересекающимися проводниками 7 и 8, контактную площадку 12 нагрузочного резистора 10, контактную площадку 13 возвращающей обмотки.

На подвижном узле 1 (маятнике), выполненном, например, из монокремния, размещен магнитопровод 2 замкнутого типа, который охватывает постоянные магниты 4, концентрируя магнитное поле в узких зазорах 3, образованных полюсными наконечниками 5. В зазорах 3 размещены проводники 7 и 8 возвращающей обмотки. Проводники 7 и 8 возвращающей обмотки нанесены электроосаждением, например, алюминия на неподвижном основании 14 (подложке), выполненном, например, из стекла и соединенном с пластиной подвижного маятника 1 посредством электростатической сварки. Место соединения 15 пластины маятника 1 с пластиной неподвижного основания 14 на фиг.2 показано пунктиром.

На фиг.2 начало проводника 7 первой обмотки соединено с контактной площадкой для соединения с выходом электронного блока (на фиг.2 электронный блок не показан). Конец проводника 7 первой обмотки соединен с началом проводника 8 второй обмотки, а конец проводника 8 второй обмотки соединен с контактной площадкой 13 для соединения с одним концом нагрузочного резистора 10, второй конец нагрузочного резистора 10 соединен с землей. Для размещения проводников 7 и 8 первой и второй обмоток на неподвижном основании 14 выполнены выступы 16, позволяющие установить проводники 7 и 8 обмоток по середине полюсных наконечников 5, что дает возможность симметризировать характеристику преобразователя силы относительно нейтрального положения. Окна 17 в магнитопроводе 2 имеют квадратную форму, их выполняют в полюсных наконечниках 5 магнитопровода посредством химического травления по фотошаблонам.

Центр тяжести груза 9 разбаланса подвижного узла размещен на одной прямой с осью качания маятника 1. Причем для исключения действия поперечных составляющих эта прямая должна быть перпендикулярной с направлением оси чувствительности преобразователя силы.

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. При отсутствии смещения магнитной системы от нейтрального положения (без действия на маятник 1 ускорения) ток в проводниках возвращающей обмотки отсутствует, а при наличии отклонений, например, при действии на маятник 1 ускорения электрический блок вырабатывает электрический сигнал и в цепи "возвращающая обмотка - нагрузочный резистор 10" течет ток, пропорциональный вызывающей его силе.

Исключение влияния силы тяжения на результаты измерений осуществляется следующим образом. Пусть в зоне действия устройства расположен магнитный предмет, к которому могут притягиваться первый и второй магниты 4, расположенные на подвижном узле 1. Поскольку оба магнита 4 одинаковы, а плечи относительно точки качания равны L₁=L₂, то магнитные силы будут равными и угловые перемещения маятника 1 будут отсутствовать.

Величина развиваемой силы отработки определяется несколькими факторами: величиной магнитной индукции в зазорах 3, параметрами зазоров 3 и величиной напряжения, приложенного к обмотке:

где F_м - магнитоэлектрическая сила преобразователя; В_з - магнитная индукция в зазоре 3; n - число витков; l - длина одного витка; U - напряжение, приложенное к возвращающей обмотке (в компенсационных приборах чаще всего напряжение, подаваемое на обмотку, снимается с нагрузочного резистора); r - сопротивление проводников 7 и 8 возвращающей обмотки; R - сопротивление нагрузочного резистора 10, включенного последовательно с возвращающей обмоткой.

При выходном сигнале по напряжению величина силы, развиваемой заявленным устройством, и точность, как следует из формулы (1), определяется также нагрузочным резистором 10, включаемым последовательно с проводниками возвращающей обмоткой. Поэтому вопрос точности и величины развиваемой силы рассмотрим в совокупности влияний нестабильности магнитной индукции в зазоре 3 (без применения магнитного шунта) и нестабильности сопротивления возвращающей обмотки. Применяя типовую методику для определения точности магнитоэлектрического преобразователя, из формулы (1) с учетом сопротивления нагрузочного резистора 10 найдем

Поделим правую и левую части уравнения (2) на исходное уравнение (1) и потребуем равенства нулю относительной ошибки преобразователя; в результате получим следующее соотношение между температурными коэффициентами нестабильных параметров:

где R - сопротивление нагрузочного резистора; r - сопротивление проводников возвращающей обмотки; α_r=(1/r)(∂r/∂T) - температурный коэффициент сопротивления проводников возвращающей обмотки; α_B=(1/В)(∂В/∂Т) - температурный коэффициент магнитной индукции; α_l=(1/l)(∂l/∂Т) – температурный коэффициент линейных расширений проводника возвращающей обмотки (пренебрегаем в связи с малостью); α_R=(1/R)(∂R/∂Т) - температурный коэффициент нагрузочного резистора.

При этом точность измерений определяется точностью выполнения условия (3) и может достигать 10^-5 % от максимального значения выбранного диапазона.

Преимуществами заявленного устройства в сравнении с известным являются:

- нечувствительность устройства к температурным изменениям величин сопротивления нагрузочного резистора, возвращающей обмотки и магнитной индукции в зазоре;

- исключение тяжения магнитной системы силовой отработки устройства к внешним магнитным предметам.

Литература

1. Патент России №2126161, МКл. 6 G 01 P 15/13, 27 июня 1994.

2. Асс Б.А., Антипов Е.Ф., Жукова Н.М. Детали авиационных приборов. - М.: Машиностроение, 1979, стр. 181-183 (прототип).

Изобретение может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией. Магнитоэлектрический преобразователь силы содержит магнитопровод 2, два постоянных магнита 4 с полюсными наконечниками 5, между которыми образованы зазоры 3, где проходят проводники 7 и 8 возвращающей обмотки, которые включены так, что токи в них направлены противоположно. Вся магнитная система размещена на подвижном узле 1, а возвращающая обмотка - на неподвижном основании 14, к одному концу возвращающей обмотки подключено управляющее напряжение, а ко второму - нагрузочный резистор 10, соединенный с землей. Отношение сопротивления нагрузочного резистора 10 к сопротивлению проводников 7 и 8 возвращающей обмотки выполнено в соответствии с соотношением разности между температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) проводников возвращающей обмотки и температурным коэффициентом магнитной индукции к разности между ТКС нагрузочного резистора и температурным коэффициентом магнитной индукции

,

где α_r=(1/r)(dr/dT) - ТКС проводников возвращающей обмотки; α_R=(1/R)(dR/dT) - температурный коэффициент нагрузочного резистора; α_В=(1/В)(dB/dT) - температурный коэффициент магнитной индукции; R - сопротивление нагрузочного резистора 10; r - сопротивление проводников 7 и 8 возвращающей обмотки. Технический результат - повышение точности датчиков с силовой компенсацией за счет выполнения оптимального соотношения между сопротивлением элементов, входящих в преобразователь, их температурными коэффициентами сопротивления и магнитной индукции. 2 ил.

Магнитоэлектрический преобразователь, содержащий магнитопровод и два постоянных магнита с полюсными наконечниками, между которыми образованы зазоры, где проходят проводники возвращающей обмотки, включенные так, что токи в них направлены противоположно, причем магнитная система размещена на подвижном узле, а возвращающая обмотка - на неподвижном основании, к одному концу проводников возвращающей обмотки подключено управляющее напряжение, а ко второму - нагрузочный резистор, соединенный с землей, отличающийся тем, что отношение сопротивления нагрузочного резистора к сопротивлению проводников возвращающей обмотки выполнено в соответствии с соотношением разности между температурным коэффициентом сопротивления проводников возвращающей обмотки и температурным коэффициентом магнитной индукции к разности между температурным коэффициентом сопротивления нагрузочного резистора и температурным коэффициентом магнитной индукции

где R - сопротивление нагрузочного резистора;

r - сопротивление проводников возвращающей обмотки;

α_r=(1/r)(dr/dT) - температурный коэффициент сопротивления проводников возвращающей обмотки;

α_В=(1/В)(dВ/dT) - температурный коэффициент магнитной индукции;

α_R=(1/R)(dR/dT) - температурный коэффициент нагрузочного резистора.