Датчик параметров движения Советский патент 1992 года по МПК G01P15/11 

И

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения линейных ускорений и скоростей перемещений элементов механизмов и машин, конструкций сооружений и платформ градуировочных стендов. Сущность изобретения состоит в том, что датчик включает в себя магнитопровод, постоянный магнит со штоком, подвижную и неподвижную измерительные обмотки, две концентрические короткозамкнутые из неферромагнитного материала цилиндрические .гильзы. Подвижная обмотка установлена внутри гильзы меньшего диаметра и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси датчика совместно с магнитом. Длина подвижной обмотки выбрана равной двум длинам магнита. Магнитопровод выполнен с прорезью по образующей. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных ускорений H(CKOpocteu перемещений элементов механизмов и машин, конструкций сооружений и платформ градуировочных стендов.

Известно устройство для бесконтактного измерения скоростей и ускорений движущихся электропроводных тел. Устройство содержит трехстержневой магнитопровод, обмотку возбуждения, посаженную на средний стержень и запитываемую переменным током, две измерительные обмотки, посаженные на крайние стержни и включенные навстречу друг другу. Недостатком устройства является необходимость применения специальных генераторов высокой частоты для питания обмотки возбуждения, а также то, что в измерительных обмотках, включенных последовательно друг другу, индуцируется единый сигнал, пропорциональный скорости и ускорению перемещения.

Известен датчик параметров движения, включающий в себя Е-образный магнитопровод, в основании которого установлены два постоянных магнита, обмотку возбуждения, запитываемую переменным током, и измерительную обмотку, непосредственно скрепляемую с исследуемым объектом. Обмотка возбуждения и измерительная обмотка посажены на средний стержень магнитопровода. Выходной сигнал, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора, включенного последовательно с измерительной обмоткой, пропорционален величине перемещения, а сигнал, снимаемый с емкости (конденсатора), шунтирующей вместе с первичной обмоткой трансформатора измерительную обмотку, пропорционален скорости этого перемещения, т.е. датчик предназначен для измерения скорости и веVI

со

о ю

личины перемещения. Наиболее важным параметром, определяющим динамические процессы, является ускорение и скорость перемещения. Этим целям рассматриваемый датчик отвечает не в полной мере. Кроме того, вследствие конечных значений магнитодвижущей силы постоянных магнитов, датчик обладает ограниченным диапазоном линейной характеристики.

Известны также датчики параметров движения, которые функционально предназначены для измерения скорости и величины перемещения, и не предназначены для измерения ускорения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к залвляемому изобретению следует считать датчик линейной скорости, содержащий Т-образный магнитопровод, на концах которого установлено два постоянных магнита. Магнитопровод с постоянными магнитами образуют трехстержневую магнитную систему. На средний стержень посажены подвижная и неподвижная измерительные обмотки. Подвижная обмотка скрепляется исследуемым объектом. Сиг- ная, индуцируемый в неподвижной обмотке, пропорционален ускорению, в по- ДЕИЖНОЙ - скорости. Для снятия сигнала, пропорционального ускорению, подвижная обмотка посредством ключа закорачивается накоротко. Недостатком датчика является ограниченность диапазона линейной характеристики вследствие невозможности создать равномерное магнитное поле в зазоре магнитной системы на больших перемещениях, а также невозможность одновременной регистрации сигналов скорости и ускорения.

Целями изобретения являются увеличение чувствительности и диапазона линейной характеристики по ускорению и повышение точности измерения скорости.

Увеличение чувствительности и диапазона линейной характеристики по ускорению достигается тем, что в датчике параметров движения, содержащем магнитопровод, постоянный магнит со штоком, подвижную и неподвижную измерительные обмотки между подвижной и неподвижной измерительными обмотками установлена ко- роткозамкнутая из неферромагнитного металла цилиндрическая гильза, подвижная обмотка вьтблнена с возможностью перемещения совместно с магнитом, а ее длина выбрана из соотношения , где L - длина обмотки, Н - длина магнита.

Повышение точности измерения скорости достигается тем, что в датчик введена между неподвижной обмоткой и магнитопроводом вторая короткозамкнутая из неферромагнитного металла цилиндрическая гильза, а магнитопровод выполнен с прорезью вдоль образующей.

Отличительными признаками являются:

В датчик введены две короткозамкну- тые из неферромагнитного металла цилиндрические гильзы, одна из которых установлена между подвижной и неподвиж0 ной обмотками, другая - между неподвижной обмоткой и магнитопроводом, внутри гильзы меньшего диаметра установлена измерительная обмотка с возможностью перемещения совместно с магнитом, а ее длина

5 выбрана из соотношения

,

где L - длина обмотки, Н -длина магнита, Магнитопровод выполнен с прорезью

0 вдоль образующей.

Авторами предлагаемого изобретения не обнаружено решений со сходными признаками, следовательно, рассматриваемое техническое решение обладает существен5 ными отличиями.

Сущность предлагаемого устройства основана на индукционном способе преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Для получения сигна0 ла, пропорционального ускорению, в датчике использована короткозамкнутая из неферромагнитного металла цилиндрическая гильза, внутри которой помещена измерительная обмотка с возможностью

5 перемещения совместно с магнитом.

При перемещении постоянного магнита С обмоткой вдоль оси датчика в теле гильзы индуцируются значительные по величине кольцевые токи, так как электрическое со0 противление гильзы практически равно нулю. Эти токи, пропорциональные скорости перемещения магнита, создают магнитное поле, изменение которого индуцирует ЭДС в витках измерительной обмотки. Эта ЭДС

5 пропорциональна скорости изменения наведенного магнитного поля, Поскольку скорость изменения наведенного магнитного поля равна скорости изменения индуцируемых в теле гильзы кольцевых токов или ско0 рости перемещения магнита, то сигнал в измерительной обмотке пропорционален измеряемому ускорению.

Кольцевые токи наводятся только в той части тела гильзы, которая пронизывается

5 магнитным полем постоянного магнита. Поэтому применение цилиндрической гильзы обуславливает равные условия для наведения ЭДС, в каком бы месте не находился магнит на оси гильзы, что обеспечивает линейность характеристики датчика по перемощению (по измеряемому ускорению перемещения исследуемого объекта),

Экспериментальные исследования, проведенные авторами по определению пространственного распределения магнитной индукции магнита вдоль оси и радиуса датчика показали, что магнитная индукция на уровне расположения гильзы приближается к нулевому значению на расстоянии от полюса магнита, равного половине длины магнита. Поэтому для более эффективного преобразования измеряемого ускорения в величину сигнала, т.е.для увеличения чувствительности, длина намотки измерительной обмотки выбрана равной двум длинам магнита.

Одновременно при перемещении магнита наводится ЭДС в неподвижной обмотке, пропорциональная скорости перемещения, Однако вследствие использования в индукционных преобразователях магнитопровода в теле последнего индуцируются кольцевые токи, которые в свою очередь наводят ЭДС в измерительной обмотке, пропорциональные ускорению, т.е. сигнал скорости искажается сигналом ускорения или понижается точность измерения.

Таким хе образом на точность измерения скорости влияет металлическая гильза, установленная в датчике между подвижной и неподвижной обмотками.

Для повышения точности измерения скорости в датчике магнитопровод выполнен разрезным по образующей и между маг- нитопроводом и неподвижной обмоткой введена вторая короткозэмкнутая из неферромагнитного металла цилиндрическая гильза. Прорезь в мзгнитопроводе исключает циркуляцию в его теле кольцевых токов, тем самым исключается наведение в измерительной обмотке сигналя, пропорционального ускорению. Кольцевые же токи, наводимые в гильзе, установленной между мзгнитопроводом и неподвижной измерительной обмоткой, компенсируют влияние другой гильзы на искажение сигнала скорости, тем самым повышается точность измерения.

Но чертеже изображено предлагаемое устройство.

Датчик состоит из штока 1, жестко скрепленного с магнитным сердечником 2, на поверхности которого установлена двухсекционная катушка 3 с i/nr/ерительной обмоткой 4. Обпот а 4 выполнена разномерной по длине катушки с противоположным направлением намотки аитков в каждой из секций катушки. Длина обмотки 4 выбрана равной двум длинам магнита. Катушка с обмоткой и магнитом помещены во

внутреннюю полость короткозамкнутой из неферромагнитного металла цилиндрической гильзы 5. На гильзу 5 посажена катушка 8 с измерительной обмоткой 7,

выполненной с равномерно меняющимся по длине катушки шагом намотки витков. Все вышеперечисленные конструктивные элементы датчика помещены во внутреннюю полбсть второй короткозамкнутой из

0 неферромагнитного металла цилиндрической гильзы 8, помещенной в корпус - маг- нитопровод 9 с двумя крышками 10 и 11. Магнитопровод имеет сквозную прорезь вдоль обрззующей (не показано),

5 Преобразователь работает следующим образом.

При перемещении штока 1, скрепленного с исследуемым объектом, магнитный сердечник 2 совместно с катушкой 3 и

0 измерительной обмоткой 4 перемещается вдоль оси датчика. При перемещении магнита Б гильзе 5, выполненной из неферро- магнитного металла, индуцируются значительные по величине кольцевые токи,

5 пропорциональные скорости перемещения магнита. Эти токи создают магнитное поле, изменение которого индуцирует в витках обмотки 4 ЭДС, пропорциональные скорости изменения наведенного поля или уско0 рению перемещений исследуемого объекта. Так ак обмотка 4 выполнена двухсекционной с противоположным направлением намотки витков в каждой секции, то ЭДС под разноименными полюсами магнита,

5 суммируются,. Выбор длины обмотки, равный двум длинам магнита, обеспечивает увеличение чувствительности (сигнала) датчика, ибо более эффективно используется пространственное распределение магнит0 ного поля каждогЪ полюса магнита.

Одновременно при перемещении магнита в витках неподвижной измерительной обмотки наводится ЭДС, пропорциональная скорости перемещения исследуемого

5 объекта. При этом, вследствие того, что маг- нитопровод выполнен с прорезью вдоль образующей, исключается наведение в нем кольцевых гоков и их влияние на выходной сигнал. Введение между магнитопроводом

0 л неподвижной обмоткой короткозамкнутой из неферромагнитного металла гильзы компенсирует наведение искажающего сигнала от гильзы, установленной между подвижной и неподвижной обмотками, так как магнит5 ные псля от .«ольцевых токов этих гиль з в измерительной обмотке (неподвижной) направлены всгр.°чу друг другу.

Применение короткозамкнутой из не- феррочзгн1-тного металла гильзы, установленной мех;,у подвижной и неподвижной

измерительными обмотками, обеспечивает увеличение диапазона линейной характеристики датчика по ускорению.

Выполнение подвижной обмотки длиной, равной двум длинам постоянного магнита, обеспечивает увеличение чувствительности датчика по ускорению.

Применение короткозамкнутой из ме- ферромапштного металла гильзы, установленной между магнитопроводсш и неподвижной обмоткой, и выполнение магнитол ровода с прорезью вдоль образующей повышает точность измерения скорости.

По предлагаемому изобретению изготовлены датчики с основными параметрами:

Величина свободного

хода магнита, мм350

Чувствительность по

ускорению, ма/д5

Чувствительность по

скорости, MD/CM/C8

Датчики испытаны в лабораторных условиях. Результаты испытаний показали, что цели предлагаемого технического решения достигнуты. Отклонений от линойнсста чувствительности по ускорению на всем диапазоне перемещений нет. Чувствительность датчика по ускорению позволяет осуществлять регистрацию на современных

осциллографах ускорения от долей единиц земного ускорения. Погрешности, обусловленные искажением сигнала скорости сигналом ускорения, отсутствуют.

Формула изобретения

Датчик параметров движения, состоящий из магнитолровода, цилиндрического постоянного магнита, подвижной и неподвижной обмоток, отличающийся тем,

что, с целью расширения диапазона линейной характеристики м увеличения чувствительности по ускорению и повышения точности по измерению скорости, в него введены шток и две концентрические коротхозамкнутые из неферромагнитного металла цилиндрические гильзы, одна из которых установлена между подвижной и неподвижной обмотками, а другая между неподвижной обмоткой и магнитопроводом, при этом

подвижная измерительная обмотка расположена внутри гильзы меньшего диаметра и закреплена неподвижно и симметрично на внешней цилиндрической поверхности магнита, а ее длина L выбрана из соотношения

L/2H-1,

где L - длина обмотки, Н - длина магнита,

причем магкитопровод выполнен с прорезью вдоль образующей, а шток соединен

с торцом постоянного магнита.