ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2021 года по МПК G09B23/18 G01R33/07 

Изобретение относится к области учебного оборудования и касается конструкции измерительных модулей, например магнитного поля, применяемых в системах средств обучения, в том числе при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в средних общеобразовательных и высших учебных заведениях, а также при проведении исследовательских работ, оно может быть использовано при изучении физики, акустики, механики, термодинамики, электроники и других учебных дисциплин.

Из области техники известно устройство для исследования закона сохранения кинетического момента механической системы, содержащее основание, установленную в основании с возможностью вращения вокруг вертикальной оси симметричную рамку с вертикальными стойками и механизм создания кинетического момента, включающий в себя тело вращения, установленное в корпусе, который посредством горизонтальных полуосей шарнирно закреплен в вертикальных стойках рамки, электродвигатель, датчики угловых скоростей с блоком питания датчиков и электродвигателя, блок регистрации и обработки сигналов датчиков, в качестве блока регистрации и обработки сигналов датчиков применен персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем (см. патент на полезную модель RU №183308, Кл. G09B 23/10, оп. в 2018 г.). Данное устройство смонтировано на основании - платформе с вертикальными стойками и снабжено электродвигателем, датчиками угловых скоростей, блоком обработки данных с возможностью подключения к компьютеру. Это устройство обеспечивает регистрацию угловых скоростей посредством датчиков и количественного сравнения результатов экспериментов с теоретическими расчетами, однако оно не предназначено для исследовательских работ.

Известен герконовый датчик к комплекту для демонстрации законов механики, включающий корпус с магнитом, служащим для взаимодействия с магнитной полосой, закрепляемой на несущей скамье, входящей в состав комплекта, и расположенный внутри корпуса геркон, при этом корпус герконового датчика состоит из опорной части, на которой закреплен упомянутый магнит и которая выполнена с возможностью обеспечения стабильного позиционирования датчика относительно механической скамьи комплекта при установке его на упомянутой магнитной полосе, и из несущей части в виде капсулы, вытянутой в осевом направлении, замкнутая внутренняя осевая полость которой служит для размещения геркона, а несущая часть в поперечном сечении имеет конфигурацию, при которой обеспечена возможность стабильного срабатывания геркона при расположении инициирующего магнита с любой точки периметра несущей части (см. патент на изобретение RU №2460146, Кл. G09B 23/06, оп. в 2012 г.). Этот датчик имеет достаточно узкую сферу применения.

Известен датчик (измерительный модуль), включающий разъемный корпус, в котором установлена электронная плата, чувствительный элемент, установленный в специальном отверстии корпуса и связанный с электронной платой, при этом корпус имеет разъем для соединения с интерфейсным кабелем компьютера, отверстие с гайкой для крепления корпуса и магнитную полосу на его нижней плоскости (см. патент на полезную модель RU №93565, кл. G09B 23/00, оп. в 2010 году). Корпус такого датчика (измерительного модуля) является удобным для размещения в нем чувствительного элемента и проведения разных измерений. Однако в современных условиях проведение лабораторных работ предполагает использование измерительного модуля в системах управления измерениями, что не предусмотрено в известном датчике.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является измерительный модуль, включающий снабженный отверстием корпус, в котором расположена снабженная соединительным проводом печатная плата, на которой смонтированы электронные компоненты, при этом корпус состоит из основания и крышки, причем основание корпуса выполнено плоским, а его наружная поверхность снабжена магнитной пластиной, а на внутренней поверхности по контуру выполнен направляющий элемент, и закреплены ложементы для источников питания, а между ложементами выполнены с резьбовым осевым отверстием трубчатые стойки, на которых закреплена печатная плата, соединительные провода которой соединены с входным разъемом и/или чувствительным измерительным элементом, фиксируемым в ложементе фиксатора, закрепленного на основании, печатная плата включает порт для подключения к компьютеру, при этом крышка выполнена двояковыпуклой и состоит из двух частей, носовой и взаимодействующей по линии разъема основной части, причем носовая часть снабжена не менее чем одним окном, для выхода чувствительного элемента и/или входного разъема, а по контуру основания носовой части крышки выполнен направляющий элемент, а внутри основной части крышки выполнены упоры-фиксаторы, прижимающие источники питания, а в задней зоне основной части крышки выполнено окно для соединения порта с USB компьютера, причем контур основной части крышки снабжен направляющим элементом, взаимодействующим с опорным элементом носовой части крышки и направляющим элементом плоского основания (см. патент RU №2570216, кл. G12B 9/02, оп. в 2015 году).

Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства не предназначены для решения исследовательских задач, они не дают возможности управления процессом исследования и изменения условий исследования. В них остается нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения физики, механики и электроники на одной универсальной базе. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить эксперименты.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности и многофункциональности измерительного модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в измерительном модуле для измерения магнитного поля, содержащем разъемный корпус с элементами фиксации, расположенной в нем печатной платой с микроконтроллером, отверстием в корпусе с размещенным в нем сенсором, связанным с микроконтроллером, и другим отверстием в корпусе с размещенным в нем USB разъемом, связанным с микроконтроллером, корпус снабжен дополнительным отверстием, а сенсор выполнен в виде датчика Холла, при этом печатная плата снабжена усилителями, расположенными между сенсором и микроконтроллером, а измерительный модуль снабжен аналоговым (IDC) разъемом для подключения к плате открытой архитектуры, размещенным в дополнительном отверстии корпуса.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема управления измерительного модуля магнитного поля. На фиг. 2 - то же, внешний вид в сборе измерительного модуля магнитного поля. На фиг. 3 изображена система управления измерениями с измерительным модулем, условно подключенным к исследовательскому оборудованию.

Изображенный на фиг. 1 и 2 измерительный модуль может быть использован для изучения индукции магнитного поля, но при этом имеет возможность, благодаря подключению к системе управления измерениями, использоваться в учебном или исследовательском оборудовании с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме.

Измерительный модуль для измерения магнитного поля, представленный на фиг. 1 и 2, содержит разъемный корпус 1, состоящий из основания 2 и крышки 3 с разными элементами фиксации. Корпус 1 содержит гайку (на рисунке не показано) в гнезде (на рисунке не показано) основания 2, предназначенную для установки оси крепления модуля в штативе (на рисунке не показано). Внутри основания 2 размещена печатная плата 6 с микроконтроллером 7, включающим аналогово-цифровой преобразователь 8, блок 9 математической обработки, блок 10 калибровки, блок 11 преобразователя USB. В измерительном модуле предусмотрено использование блока радиоканала (на рисунке не показано). На корпусе 1 имеются отверстие 12 для установки USB разъема 13, связанного с блоком 11 микроконтроллера 7, и дополнительное отверстие 14 с аналоговым (IDC) разъемом 15 для подключения к внешним устройствам, например, плате 16 открытой архитектуры (см. фиг. 3), связанным с микроконтроллером 7. Также корпус 1 оснащен отверстием 17 для вывода сенсора 18 магнитного поля, включающего чувствительный элемент, выполненный в виде датчика 19 Холла. Сенсор 18 подключен к печатной плате 6 с усилителями 20 и 21, расположенными между сенсором 18 и микроконтроллером 7. USB разъем 13 предназначен для подключения к внешним устройствам, например к компьютеру 25. В измерительном модуле предусмотрено использование блока радиоканала 26 (см. фиг. 3). На внешней стороне основания 2 корпуса 1 может быть расположена магнитная полоса (на рисунке не показано) для прикрепления к металлическим и намагниченным поверхностям.

Встроенный в систему управления измерениями измерительный модуль используют следующим образом. Сенсор 18 предназначен для измерения индукции магнитного поля. Когда его помещают в магнитное поле, то на выходе чувствительного элемента - датчика 19 Холла появляется постоянное напряжение, которое прямо пропорционально соответствующей составляющей вектора индукции магнитного поля. После прохождения сигнала через усилители 20 и 21 он поступает в микроконтроллер 7. Оцифрованный сигнал попадает через USB разъем 13 к компьютеру 25 и через аналоговый (IDC) разъем 15 к плате 16 открытой архитектуры. Сигнал блока радиоканала 26 можно подавать на разные внешние устройства, например, на мобильное устройство 27. Плата 16 открытой архитектуры связана с электродвигателем 28. На плату 16 открытой архитектуры системы управления измерениями через аналоговый (IDC) разъем 15 подают сигнал от сенсора 18. Электродвигателем 28 изменяют скорость вращения вала (на рисунке не показано). Сигнал от сенсора 18 об измененных показателях магнитного поля попадает на компьютер 25 и на плату 16 открытой архитектуры. Имея обратную связь с результатами измерения, можно дальше изменять скорость вращения вала и получать на мониторе компьютера 25 разные значения в экстремумах, а также изучать изменение индукции магнитного поля в зависимости от скорости вращения вала.

Исследовательское оборудование, предназначенное для использования данного измерительного модуля, может быть различным. Конструкция измерительного модуля позволяет его применять в различных исследовательских схемах и управлять проведением исследований, изменяя исходные и выходные параметры. Исследовательское оборудование может иметь стойки с каретками, на которых можно располагать элементы воздействия на оборудование, связанные с системой управления измерениями (на рисунке не показано).

На отдельной площадке можно закреплять измерительные модули, связанные с системой управления измерениями.

Такое оборудование может быть использовано в наборе-конструкторе для изучения электроники, физики и механики, а также для проведения различных исследований, объединяя в себе задачи по механической сборке корпусных элементов, монтажу электрических схем, с использованием модулей для измерения различных показателей, цифровой обработки их сигналов, взаимодействию различных элементов комплекта посредством проводного протокола, а также взаимодействия комплекта в целом с системой управления измерениями. Исследовательское оборудование можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов. Плата 16 открытой архитектуры обеспечивает управление электродвигателем 28 (или другим исполнительным устройством) для получения различных показателей с использованием вышеописанных измерительных модулей, оснащенных аналоговыми (IDC) разъемами 15 и USB разъемами 13. Благодаря наличию этих разъемов в измерительных модулях и возможности подключения к системе управления измерениями, школьники, студенты и исследователи имеют средства для перехода на новый уровень проведения экспериментов и различных демонстраций - это интерактивное изменение условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности и многофункциональности измерительного модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.

Изобретение относится к области учебного оборудования, касается конструкции измерительных модулей для измерения индукции магнитного поля, применяемых в системах средств обучения, при проведении лабораторных работ с системой управления измерениями в учебных заведениях. Измерительный модуль для измерения магнитного поля содержит разъемный корпус с элементами фиксации, расположенной в нем печатной платой с микроконтроллером, отверстием в корпусе с размещенным в нем сенсором, связанным с микроконтроллером, и другим отверстием в корпусе с размещенным в нем USB-разъемом, связанным с микроконтроллером, в которых корпус снабжен дополнительным отверстием, сенсор выполнен в виде датчика Холла. При этом печатная плата снабжена усилителями, расположенными между сенсором и микроконтроллером, а измерительный модуль снабжен аналоговым (IDC) разъемом для подключения к плате открытой архитектуры, размещенным в дополнительном отверстии корпуса. Технический результат - повышение универсальности и многофункциональности измерительного модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. 3 ил.

Измерительный модуль для измерения магнитного поля, содержащий разъемный корпус с элементами фиксации, расположенной в нем печатной платой с микроконтроллером, отверстием в корпусе с размещенным в нем сенсором, связанным с микроконтроллером, и другим отверстием в корпусе с размещенным в нем USB-разъемом, связанным с микроконтроллером, отличающийся тем, что корпус снабжен дополнительным отверстием, а сенсор выполнен в виде датчика Холла, при этом печатная плата снабжена усилителями, расположенными между сенсором и микроконтроллером, а измерительный модуль снабжен аналоговым (IDC) разъемом для подключения к плате открытой архитектуры, размещенным в дополнительном отверстии корпуса.