Датчик измерения механических деформаций Российский патент 2018 года по МПК G01L1/12 G01B7/24 

Описание патента на изобретение RU2654827C1

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля материалов и может быть использовано в качестве датчика раскрытия трещин и при измерениях малых деформаций в различных конструкциях.

Известен способ и устройство измерения физических величин (Sandacci S. (GB), Measuring physical quantities, Pat. WO 2007116218, G01B 7/24, G01R 33/18, publ. 18.10.2007, prior. 10/04/2007). Устройство измерения физических величин содержит датчик на основе аморфных ферромагнитных материалов с положительной константой магнитострикции, источник переменного магнитного поля, детектор обнаружения электродвижущей силы в виде импульсных сигналов от гигантских скачков Баркгаузена, возникающих при перемагничивании датчика, и средство измерения для определения значения выходной физической величины. Для регистрации приложенной механической нагрузки датчик выполнен в виде предварительно напряженного аморфного ферромагнитного микропровода (АФМ).

Недостатками этого устройства является большой разброс в характеристиках датчиков и значительное влияние внешних магнитных полей на его работу.

Известен композитный датчик измерения механических напряжений (Gore J., Fixter L., Eaton S., Horkins M., West R., Stinger L., Composite sensor. Pat. WO 2010055282, G01L 1/22, G01R 33/09, G01M 5/00, publ. 20.05.2010), выполненный из полимерной матрицы и армирующих элементов. Внутри массива полимерной матрицы размещен, по меньшей мере, один слой электропроводной ткани. В слое расположен, по меньшей мере, один магнитомягкий АФМ. Через АФМ пропускают переменный ток и регистрируют напряжение на АФМ. При приложении механической нагрузки к материалу импеданс АФМ может изменяться вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта. Изменение импеданса АФМ приводит к изменению регистрируемого напряжения.

Недостатком этого устройства является сложность измерения локальных механических нагрузок, поскольку датчик имеет протяженный размер и измеряет сигнал, пропорциональный механическим нагрузкам, приложенным по всей длине АФМ. Кроме этого, вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса указанный композитный датчик может реагировать на приложенные внешние магнитные поля, которые будут искажать эффект, связанный с воздействующей механической нагрузкой.

Прототипом предложенного изобретения является датчик измерения механических напряжений (Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Усов Н.А., Игнатов А.С., Тарасов В.П., Криволапова О.Н. Датчик измерения механических напряжений. Пат. RU 2552124 C1, G01L 1/12, G01B 7/24). Датчик представляет собой прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой выполнено посадочное место, в котором расположен регистратор, внутри массива прямоугольной пластины расположен магниточувствительный элемент, выполненный в виде АФМ, размещенного внутри дифференциальной измерительной катушки. АФМ и дифференциальная измерительная катушка через две пары контактных площадок соединены с регистратором, обеспечивающим перемагничивание магниточувствительного элемента и усиление и регистрацию сигналов дифференциальной измерительной катушки. Регистрация приложенных к АФМ механических напряжений осуществляется по измерению сигнала дифференциальной измерительной катушки, подключенной к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с персональным компьютером. При этом контролируется ширина выходного сигнала при перемагничивании АФМ в зависимости от приложенного механического напряжения. Для количественной связи между выходным сигналом и приложенным механическим напряжением проводится калибровка.

Недостатком этого устройства является сложность точного определения ширины выходного сигнала для определения приложенных к чувствительному элементу механических напряжений из-за сложной формы выходного сигнала и возникающая в связи с этим низкая чувствительность.

В предложенном изобретении достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей датчика, а именно повышении чувствительности за счет использования режима регистрации малоуглового вращения вектора намагниченности АФМ. В данном режиме регистрации по АФМ пропускают переменный ток I частотой f, который создает в нем переменное циркулярное магнитное поле Нх, перпендикулярное оси АФМ, которое приводит к осцилляциям вектора намагниченности Ms относительно его оси на малый угол θ. При этом компонента намагниченности Msz, совпадающая с направлением оси АФМ, изменяется во времени с удвоенной частотой 2f. Из-за изменения во времени с частотой 2f компоненты намагниченности насыщения Msz в навитой на АФМ измерительной катушке возникает ЭДС с частотой, равной также 2f. Этот сигнал ЭДС усиливается и измеряется с помощью вольтметра. Для определения приложенной деформации в предлагаемом способе используют модельное выражение для сигнала ЭДС удвоенной частоты, наводимого в измерительной катушке (Gudoshnikov, S., Churyukanova, М.; Kaloshkin, S.; Zhukov, A.; Zhukova, V.; Usov, N.A., Investigation of the properties of Co-rich amorphous ferromagnetic microwires by means of small angle magnetization rotation method, Journal of magnetism and magnetic materials, V. 387, P. 53-57, 2015).

Технический результат достигается следующим образом.

В конструкции датчика используют вытянутую прямоугольную пластину, выполненную из полимерного материала с поперечными разрезами в центральной части, обеспечивающими возможность ее растяжения под влиянием внешних растягивающих усилий. На верхней поверхности прямоугольной пластины дополнительно располагают миниатюрный соленоид, подключенный к паре контактных площадок. В миниатюрном соленоиде размещают дифференциальную измерительную катушку, внутри которой расположен отрезок АФМ. Концы АФМ зафиксированы на двух контактных площадках (первая пара контактных площадок), расположенных на противоположных концах прямоугольной пластины.

Дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок. Миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок. При этом все три пары контактных площадок соединены с электронным измерительным устройством.

Электронное измерительное устройство содержит источник переменного тока частоты ƒ, источник постоянного тока, усилитель сигналов на удвоенной частоте переменного тока 2ƒ. Источник переменного тока соединен с контактными площадками АФМ. Источник постоянного тока соединен с контактными площадками миниатюрного соленоида. Вход усилителя сигналов на удвоенной частоте соединен с контактными площадками измерительной катушки. Выход усилителя сигналов подключен к аналого-цифровому преобразователю, который соединен с персональным компьютером.

В отличие от прототипа, в котором осуществляется перемагничивание АФМ с помощью переменного магнитного поля от внешнего источника поля и регистрация сигнала перемагничивания АФМ, наводимого в виде ЭДС в дифференциальной приемной катушке, форма которой изменяется под действием приложенной механической нагрузки, в предлагаемом техническом решении к АФМ прикладывают постоянное магнитное поле больше поля насыщения АФМ. Через АФМ пропускают переменный ток I частотой f и регистрируют амплитуду сигнала дифференциальной приемной катушки на удвоенной частоте 2f, которая связана с приложенной деформацией модельным выражением для сигнала ЭДС удвоенной частоты. Данный режим регистрации выходного сигнала позволяет достичь технического результата, заключающего в расширении функциональных возможностей датчика и повышении чувствительности измерений.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структура датчика, на фиг. 2 изображена электрическая схема подключения датчика к измерительному устройству.

На фигурах 1, 2 показаны крепежные отверстия 1, прямоугольная пластина 2, посадочное место 3, АФМ 4, дифференциальная измерительная катушка 5, миниатюрный соленоид 6, первая пара контактных площадок 7, вторая пара контактных площадок 8, третья пара контактных площадок 9, источник постоянного тока 10, генератор переменного сигнала частоты f 11, усилитель 12.

На фигуре 3 показано семейство кривых малоуглового вращения вектора намагниченности АФМ, измеренных под действием приложенных растягивающих напряжений, создаваемых подвешиваемыми грузами известной массы. При этом воздействующая нагрузка величиной 30 г соответствует деформации 0.5. мм для АФМ длиной 100 мм.

Датчик работает следующим образом.

На поверхность измеряемого объекта через крепежные отверстия 1 прикрепляют датчик измерения механических деформаций с помощью винтов или шурупов. При деформации измеряемого объекта прямоугольная пластина 2 и АФМ 4 также подвергаются деформации. Для регистрации деформации через АФМ 4 пропускается возбуждающий переменный ток амплитудой I (в пределах 5-10 мА) и частотой f (в пределах 5-10 кГц), создаваемый генератором переменного сигнала 10. Также к АФМ 4 прикладывается постоянное магнитное поле, которое создается миниатюрным соленоидом 6 при протекании через него постоянного тока от источника постоянного тока 11. Создаваемое постоянное магнитное поле Н0 (величиной в пределах 10-12 Э), направленное вдоль оси АФМ, должно превышать в несколько раз значение поля анизотропии АФМ.

Возбуждающий переменный ток и воздействующее постоянное магнитное поле обеспечивают начальное значение переменного сигнала электродвижущей силы частоты 2f на дифференциальной измерительной катушке 5. В отсутствие воздействующей механической деформации амплитуда сигнала электродвижущей силы на измерительной катушке 5 фиксирована и имеет минимальное значение. При механическом растяжении исследуемого объекта происходит увеличение амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 5 за счет сдвига кривой малоуглового вращения вектора намагничивания в область значений больших магнитных полей, как показано на фигуре 3. Сигнал дифференциальной измерительной катушки 5 через соответствующую пару контактных площадок 8 поступает на вход усилителя 12, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю. После цифровой обработки сигнал поступает на персональный компьютер, в котором по полученным данным определяется величина механической деформации с использованием модельного выражения для сигнала ЭДС, наводимого в измерительной катушке 5.

Таким образом, в предложенном датчике технический результат, заключающийся в повышении чувствительности к приложенным деформациям, достигается благодаря возможности более точного измерения амплитуды сигнала ЭДС и расчета деформации с использованием модельного выражения для сигнала ЭДС измерительной катушки.

Похожие патенты RU2654827C1

название год авторы номер документа
Датчик измерения механических деформаций 2017
  • Тарасов Вадим Петрович
  • Гореликов Евгений Сергеевич
  • Криволапова Ольга Николаевна
  • Хохлова Оксана Викторовна
  • Игнатов Андрей Сергеевич
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Попова Анастасия Владимировна
  • Фатеев Владимир Михайлович
RU2653563C1
ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ 2013
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Любимов Борис Яковлевич
  • Усов Николай Александрович
  • Игнатов Андрей Сергеевич
  • Тарасов Вадим Петрович
  • Криволапова Ольга Николаевна
RU2552124C1
Датчик измерения механических напряжений на основе микропроводов с положительной магнитострикцией 2020
  • Аксенов Олег Игоревич
  • Аксенов Артем Андреевич
  • Аронин Александр Семенович
RU2746765C1
Способ измерения характеристик аморфных ферромагнитных микропроводов 2016
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Игнатов Андрей Сергеевич
  • Попова Анастасия Владимировна
  • Тарасов Вадим Петрович
  • Усов Николай Александрович
RU2632996C1
Способ контроля механических свойств металлопроката, изготовленного из ферромагнитных металлических сплавов и устройство для его осуществления 2023
  • Цыпуштанов Александр Григорьевич
RU2807964C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ГИГАНТСКОГО МАГНИТНОГО ИМПЕДАНСА 2018
  • Турков Владимир Евгеньевич
  • Жукова Светлана Александровна
  • Обижаев Денис Юрьевич
  • Баранов Александр Александрович
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Заруцкий Александр Анатольевич
RU2680165C1
Способ определения петель гистерезиса аморфных ферромагнитных микропроводов на основе железа 2023
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Данилов Георгий Егорович
  • Гребенщиков Юрий Борисович
  • Одинцов Владимир Иванович
RU2814644C1
Способ измерения сложных механических деформаций с помощью аморфной металлической ленты и устройство для калибровки чувствительного элемента 2018
  • Гришин Александр Михайлович
  • Севериков Василий Сергеевич
  • Игнахин Владимир Станиславович
  • Секирин Игорь Всеволодович
RU2708695C1
Высокочувствительный магнитоимпедансный датчик градиентных магнитных полей 2022
  • Юданов Николай Анатольевич
  • Немирович Марк Анатольевич
  • Панина Лариса Владимировна
  • Морченко Александр Тимофеевич
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Евстигнеева Светлана Алексеевна
RU2784211C1
Способ определения температуры аморфных ферромагнитных микропроводов при токовом нагреве 2018
  • Одинцов Владимир Иванович
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Любимов Борис Яковлевич
  • Меньшов Сергей Александрович
RU2696826C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 654 827 C1

Реферат патента 2018 года Датчик измерения механических деформаций

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик измерения механических деформаций содержит прямоугольную пластину, выполненную с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 654 827 C1

Датчик измерения механических деформаций, состоящий из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала, на верхней поверхности которой выполнено посадочное место в виде центрально-симметричного углубления, магниточувствительного элемента, выполненного в виде аморфного ферромагнитного микропровода, подключенного к первой паре контактных площадок и размещенного внутри дифференциальной измерительной катушки, подключенной ко второй паре контактных площадок, источника переменного тока, источника постоянного тока и усилителя сигналов дифференциальной измерительной катушки, вход которого соединен со второй парой контактных площадок, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с персональным компьютером, отличающийся тем, что прямоугольная пластина выполнена с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2654827C1

ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ 2013
  • Гудошников Сергей Александрович
  • Любимов Борис Яковлевич
  • Усов Николай Александрович
  • Игнатов Андрей Сергеевич
  • Тарасов Вадим Петрович
  • Криволапова Ольга Николаевна
RU2552124C1
Способ изготовления форм плоской печати 1960
  • Кальмансон В.А.
SU143655A1
US 5650570 A1, 22.07.1997
JP 2004219105 A, 05.08.2004.

RU 2 654 827 C1

Авторы

Гудошников Сергей Александрович

Попова Анастасия Владимировна

Фатеев Владимир Михайлович

Игнатов Андрей Сергеевич

Тарасов Вадим Петрович

Гореликов Евгений Сергеевич

Криволапова Ольга Николаевна

Даты

2018-05-22Публикация

2016-11-23Подача