Магнитоанизотропный датчик механических усилий Советский патент 1987 года по МПК G01L1/12 

разователя Холла. На измерительных электродах последнего возникают электрические напряжения, которые складываются в сумматоре 13, а затем поступают на вход измерительного прибора 14, Преобразователи установлены S отверстиях сердечника так, что их плоскости образуют углы 45 и ТЗЗ к осям сердечника. Такое расположение обеспечивает отсутствие нулевого

1

Изобретение относится к области

приборостроения и может быть использовано для измерения механических напряжений, сил, веса, давления в различных областях техники.

Цель изобретения - повышение точности при динамических измерениях усилий.

На фиг. 1 изображена конструкдия датчика и схема подключения преобразователей Холла; на фиг. 2 - распределение вектора магнитной индукции в сердечнике датчика при приложении к нему механических усилий, на фиг. 3 - зависимость выходного напряжения от величины приложений нагрузки; на фиг, 4 - конструкция четырехсекционной возбуждающей обмотки,

Магнитоанизотропный преобразователь содержит ферромагнитный сердечник 1, в котором выполнены щелевид ные прорези 2-5, образующие квадрат с центром в отверстии 6. В щелевид- ных прорезях преобразователи Холла 7-10 установлены таким образом, что их плоскости образуют углы в 45 и 135° с осями X и Y сердечника. Возбуждающий проводник 11 и преобразователи Холла своими токовыми электродами подключены к соответствующим выходам источника 12 питания. Измерительные электроды преобразователе Холла подключены к соответствующим входам суммирующего усилителя (сумматора) 13. Выход сумматора соедине с измерительным прибором 14. Возбуждающий узел также может быть выполнен в виде четьфехсекционной обмотки 15.

сигнала, т.е. .силовые линии магнитного поля в отсутствие нагрузки лежат в плоскости преобразователя, не пересекая ее. Погрешности в отстройке от нулевого сигнала, связанные с не- эквипотенциальностью холловских электродов, уменьшают регулировкой смещения суммирующего усилителя 13. 1 3.п. ф-лы, 4 ил.

5

0

5

0

5

0

В предлагаемом датчике целесообразно использовать ферромагнитные преобразователи Холла, изготавливаемые Из электротехнической стали,например, марки 3412 или Э320, из такой стали может быть изготовлен и сердечник датчика. Зазоры между пре- .образователями Холла и сердечник целесообразно заполнить непроводящей ферромагнитной пастой или уплотнениями из ферромагнитной резины.

Могут быть также использованы и полупроводниковые преобразователи Холла, которые отличаются большей чувствительностью, В этом случае отверстия выполняют в виде прорезей, продольный размер которых значительно превосходит поперечный (а Ь), причем размером прорезь а расположена вдоль диагонали квадрата перпендикулярно линиям магнитной индукции (фиг. 2).

Преобразователи Холла своими токовыми электродами подключены к отдельным выходам источника питания. Выходы источника могут быть выполнены, например, как вторичные обмотки силового трансформатора, соединенные с выпрямителями.

В из-мерительном узле (фиг. 1) хол- ловские электроды преобразователей 7 и 9 подключены к инвертирующему входу суммирующего усилителя 13, а холловские электроды преобразовате- .лей 8 и .10 - к неинвертирующему входу, так как направления компоненты Вг для пары 7,9 и пары 8, 10 противоположны, а знак напряжения Холла зависит от направления индукции. Такое подключение преобразователей

Холла к источнику питания и сумматору позволяет избежать взаимного влиния преобразователей.

В датчиках, предназначенных для измерения больших механических уси- ЛИЙ, сердечник которых имеет сравнительно большие размеры, возбуждающий узел целесообразно выполнить в виде четырехсекционной возбуждающей обмотки (фиг. 4), уложенной в цент- ральном отверстии, или, например, в вырезах внешних поверхностей. Электрические токи в секциях имеют одинаковые направления и создают магнитное поле, линии индукции которого замыкаются по сердечнику, аналогично полю одиночного проводника.

Предлагаемый магнитоанизотропный датчик работает следующим образом.

Датчик устанавливают в измеряемую конструкцию таким образом, чтобы нагрузка, например, через дополнительную силопередающую арматуру была приложена к торцовым плоскостям ферромагнитного сердечника 1. Через воз- буждающий проводник 11 и токовые элетроды преобразователей Холла 7-10 пропускают злектрический ток от источника 12 питания (фиг. 1). Проводник 11с током создает в ферромагнит ном сердечнике 1 магнитное поле, линии магнитной индукции В которого представляют собой концентрические окружности с центром в месте расположения проводника. Магнитное поле от подводящих ток проводов, удаленных от сердечника, можно не учитывать. Поэтому выходной сигнал преобразователей Холла, установленных в отверстиях так, что их плоскости со- держат касательные к линиям магнитно индукции В, равен нулю.

При приложении механической нагрузки к сердечнику 1 в нем появля- ется магнитная анизотропия, оси которой совпадают с направлением действия главных механических напряжений С в сердечнике. Величина наведенной механической анизотропии зависит от величины приложенной механической нагрузки. Магнитная анизотропия приводит к трансформации линий магнитной индукции из -окружностей в эллипсы, и, как следствие этого, к откло- нению касательной к линии вектора магнитной индукции от плоскости преобразователя Холла. Это отклонение вызывает появление компоненты вектора Вг, перпендикулярной плоскости преобразователя. Модуль этой компоненты |Вг1 тем больше, чем ббльше механические усилия, приложенные к сердечнику датчика. На измерительных электродах преобразователей Холла возникают электрические напряжения, пропорциональные 1Вг, которые складываются в сумматоре 13, а затем поступают на вход измерительного прибора 14. Градуировку измерительного прибора выполняют по CJTM- марному сигналу, который пропорционален приложенной механической нагрузке.

Величина компоненты Вг может бы определена из выражения

Вг . . .-,

47ГГ (|UyCos ot+ju,(sinW)

где i - сила электрического тока, jUx,/u-y- магнитные проницаемости сердечника преобразователя н прямоугольной системе координат X, Y, ориентированной так, что, например ось X совпадает с продольной осью сердечника; г - величина радиуса-вектора,

проведенного из начала координат до точки наблюдения; ct - угол между положительным направлением оси X и радиусом- вектором г.

Уравнение силовых линий вектора магнитной индукции В в сердечнике преобразователя под механической нагрузкой Р в прямоугольной системе координат X, Y является уравнением эллипса:

2 2

vx + С,

которое в отсутствие нагрузки () преобразуется в уравнение окружности с центром в точке расположения проводника с электрическим током.

Как видно из приведенного аналитического выражения и построений, показанных на фиг, 2, преобразование силовых линий вектора Е из окружностей в эллипсы приводит к появлению компоненты, перпендикулярной плоскости преобразователя Холла, и выходного сигнала на измерительнь х электродазс. Наибольшее значение компонента Вг имеет дри ei.45 .- Поэтому преобразователи установлены в отвер- стиях сердечника так, что их плоскоети образуют углы 45 и 135 к осям сердечника. Кроме того, такое расположение преобразователей Холла обеспечивает отсутствие нулевого сигнала, так как силовые линии магнитно- го поля в отсутствие нагрузки лежат в плоскости преобразователя, не пересекая ее.

Погрешности в отстройке от нулевого сигнала, связанные с неэквипотен- циальностью холловских электродов, отклонением реальной картины распределения индукции от идеальной, приведенной на фиг, 2, при питании постоянным током, уменьшают до допусти- мых значений, например, с помощью регулировки смещения суммирующего усилителя 13.

Формула изобретения

1 .Магнитоанизотропный датчик механических усилий, содержащий ферромаг- нич ный сердечник, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с от- верстиями, осевые линии которых являются диагоналями квадратного сече-

гв ео- (О - 15 ея 20

ие - 25 - ;

3188106

ния сердечника., возбуждающий и измерительный узлы, источник питания и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при динамических измерениях усилий, измерительный узел содержит преобразователи Холла и сумматор, а в центре сердечника выполнено отверстие, в котором расположен возбуждающий узел в виде проводников, причем отверстия в вершинах квадратного сечения сердечника выполнены в виде прорезей, продольная сторона которых расположена вдоль диагонали квадрата, в прорезях под углами 5 и 135° к осям сердечника установлены преобразов атели Холла, измерительные электроды которых подключены к соответствующим входам сумматора.

2. Магнитоанизотропный датчик по По 1, отличающийся тем, что возбуждающий узел выполнен в виде четьфехсекционной обмотки, расположенной в центральном отверстии и на взаимно перпендикулярных гранях сердечника.

Вг

0.2 ОМ 0.6 0.8 1.0

Р/Рмакс. Фиг.З

ФигЛ