Термический датчик перемещения Советский патент 1989 года по МПК G01B7/30 

ный слой, в которьтЧ при повороте объекта постепенно вводится термочувствительный элемент 9. В нем происходит фазовый переход, в результате чего электрическое сопротивление этого участка уменьшается на несколько порядков, что регистрируется с

помощью соответствующей измерительной -аппаратуры. Четкая очерченность границ пограничного слоя и его достаточная ширина позволяют осуществлять измерение углов поворота в диапазоне около 5 С с высокой чувствительностью. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - обеспечение измерения угловых перемещений с помощью термического датчика при одновременном повышении его чувствительности за счет использования явления свободной конвекции нагретого газа от вертикально расположенной пленки нагревателя 5 в сочетании с фазовым переходом металл-диэлектрик в термочувствительном элементе 9, выполненном из пленки диоксида ванадия.Нагреватель 5 и термочувствительный элемент 9 датчика располагаются в процессе измерения вертикально с возможностью углового поворота одного относительно другого вокруг вертикальной оси. Благодаря тому, что около поверхности нагревателя 5 при его нагреве образуется пограничный слой, в который при повороте объекта постепенно вводится термочувствительный элемент 9. В нем происходит фазовый переход, в результате чего электрическое сопротивление этого участка уменьшается на несколько порядков, что регистрируется с помощью соответствующей измерительной аппаратуры. Четкая очерченность границ пограничного слоя и его достаточная ширина позволяют осуществлять измерение углов поворота в диапазоне около 5°с с высокой чувствительностью. 3 ил.

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловых перемещений объектов.

Цель изобретения - измерение уг- ловых перемещений и обеспечение высокой чувствительности датчика за счет использования свободной конвекции нагретого газа от вертикально расположенной пленки нагревателя в сочетании с фазовым переходом металл - диэлектрик в термочувствительном элементе - планке диоксида ванадия .

На фиг.1 изображен датчик, общий вид; па фиг.2 - температурная зависимость электрического сопротивления пленки диоксида ванадия; на фиг.З - трассировочная характеристика датчика.

Термический датчик перемещения содержит корпус 1 с осевым отверстием 2 и выступом 3, на одной из радиальных граней 4 которого размещен нагреватель 5 с электрическими выводами для подключения к источнику электропитания. Нагреватель 5 выполнен в виде пленки нихрома. На установленной с возможностью вращения цилиндрической детали 6 имеется выступ 7 и шток 8s входящий в отверстие 2 корпуса 1 и связываемый с процессе измерения с объектом контроля. На радиальной грани выступа 7 размещен пленочный термочувствительный эле- мент 9, выполненный из диоксида ванадия и имеющий электрические выводы для подключения к измерительной схеме (не показаны). Корпус 1 и цилиндрическая деталь 6 помещены в трубу 10, выполняющую функции теплового экрана.

Датчик работает следующим образом

При выполнении измерений датчик располагают вертикально так, что на- греватель 5 и термочувствительный элемент 9 также располагаются верти

0

0

0 5 0

5

5

кально . За счет тепловыделения нагревателя 5 у его поверхности возникает конвективный тепловой поток, направленный параллельно плоскости нагревателя. Вблизи поверхности нагревателя формируется пограничный слой с четко очерченными границами, внутри которого скорость газа отличается от скорости в полости датчика. Температура газа в пограничном слое также отличается от температуры в полости датчика и близка к температуре нагревателя. Размеры пограничного слоя зависят от состава газовой среды, температуры, ускорения свободного падения и линейных размеров пленки. При определенном повороте детали 6 относительно корпуса 1 участок пленки термочувствительного элемента 9 оказывается внутри пограничного слоя и, если температура пограничного слоя превышает 340 К, этот участок переходит в металлическое состояние (фиг.З), вследствие чего сопротивление термочувствительного элемента 9 уменьшается. При изменении угла поворота в область пограничного слоя попадает дополнительный участок пленки термочувствительного элемента 9, что приводит к дальнейшему уменьшению сопротивления элемента 9. Термочувствительный элемент 9 выполнен из пленки V04 (диоксида ванадия) на подложке поликристаллического корунда. Толщина пленки 0,5 мкм, ширина 2,4 мм, а расстояние между контактами равно 4,5 мм. Нагреватель 5 выполнен из пленки нихрома на подложке слюды. Толщина пленки 0,08 мкм, ширина 3 мм, расстояние между контактами равно 5 мм. Корпус датчика выполнен из оргстекла. Размеры датчика : диаметр 15 мм, высота 30 мм. Зависимость электросопротивления пленки V02 от угла между плоскостями пленок, измеренная при фиксированном токе 14 мкА через сечение пленки

314

нихрома (фиг.З) показывает, что датчик позволяет измерять угловое перемещение 5 с чувствительностью 13 10 Ом/град. Характеристика датчика на этом угловом интервале имеет линейный характер. Можно показать, что чувствительность датчика определяется размером пограничного слоя. Если толщина пограничного слоя равна $ , то при угле if поворота участок пленки VCL длиной 1 находится внутри пограничного слоя, причем Ј/sin(. Если длина всей пленки выбрана равной L, то угловая зависимость сопротивления пленки может быть записана в виде

L

S L sinq

R

Гь - 4-1 .

L sincf J При малых углах ip сопротивление

VOZ описывается ассимптотой гиперболы с чувствительностью

dR Ј P ГцГ™ cf s где р - удельное электросопротивление V02 в диэлектрической фазе;

S - площадь пленки. Из этого выражения видно, что чувствительность датчика определяется толщиной пограничного слоя и высока при малых углах проворота.

Толщина пограничного слоя зависит от скорости конвекции газового пото

0

5

0

5

0

5

1

ка, которая обратно пропорциональна разности температур нагретой поверхности и термостата. Поскольку температура фазового перехода металл - диэлектрик в V02 незначительно отличается от комнатной температуры, то толщина пограничного слоя в этом случае относительно велика, вследствие чего чувствительность датчика высока.

Таким образом, использование явления свободной конвекции газа от вертикально расположенной пленки нагревателя в сочетании с фазовым переходом металл - диэлектрик в пленке V02 обеспечивает высокую чувствительность термического датчика при измерении им угловых перемещений.

Формула изобретения

Термический датчик перемещения, содержащий установленные с зазором пленочный нагреватель и выполненный из диоксида ванадия пленочный термочувствительный элемент, отличающийся тем, что, с целью измерения угловых перемещений, нагреватель и термочувствительный элемент предназначены для размещения в процессе измерений в вертикальных плоскостях и установлены с возможностью углового перемещения один относительно другого вокруг вертикальной оси.

/

/

4Ы Ф«1 О

90 ТО

Я

X

ю

V,tpat