Магнитоанизотропный датчик для измерения силы или деформации Советский патент 1977 года по МПК G01L1/12 G01B7/24 

1

Изобретение относится к технике измерения сил и деформаций, а именно к устройствам, основанным на магаитных принципах с использованием ма1гнитоупру:гого эффекта, и предназначено для работы в контрольно-измерительных установках.

Известно устройство для измерения силы или деформации, содержащее консольно закрепленный плоский упругий элемент, выполненный из двух слоев материала с коэффициентами магнитострикции разных знаков, который имеет две одинаковые части - рабочую, изгибаемую и компенсационную, неизгибаемую. В упругом элементе вынолнены отверстия с осями, параллельными плоскости изгиба. На упругом элементе размещены две измерительные обмотки - первичная и вторичная, охватывающие сечения упругого элемента между отверстиями. Вторичная обмотка выполнена из двух секций - рабочей, размещенной на изгибаемой части, и компенсационной, размещенной на свободной части упругого элемента, включенных встречно 1.

Ири изменении температуры о кружающего воздуха в упругом элементе возникает напряженное состояние за счет разницы температурных коэффициентов линейного расщирения двух его слоев, что приводит к зависимости выходного сигнала известного устройства от

температуры из-за неполной идентичности рабочей и компенсационных частей.

Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому изобретению является магнитоанизотропный датчик для измерения силы или деформации, содержащий консольно закрепленный изгибаемый плоской магнитоупругий элемент с четырьмя отверстиями в нем, оси которых параллельны плоскости его

изгиба. Отверстия размещены на поверхности упругого элемента в верщинах прямоугольника со сторонами, параллельными и перпендикулярными плоскостями изгиба магнитоупругого элемента. На упругом элементе размещены две измерительные обмотки, калодая из которых охватывает сечение упругого элемента между двумя несмежными отверстиями по диагонали прямоугольника. Одна из обмоток является первичной, другая - вторичной 2.

Однако известный магнитоанизотропный датчик не обеспечивает высокой чувствительности к малым изменениям измеряемой величины, так как при отсутствии нагрузки его выходной сигнал не равен нулю, а имеет начальное значение из-за имеющейся обычно магнитной анизотропии материала упругого элемента.

Цель изобретения - повышение чувствительности датчика путем уменьщения начальиого выходного скгна.та, вызванного магнитной анизотропией магнитоугаругого элемента. Указанная цель достигается тем, что измерительные обмотки уложены между смежными отверстиямн каждая на иараллельных сторонах прямоугольника, число витков измерительной обмотки, охватывающей сечение магнитоуиругого элемента с большей магнитной проницаемостью выбрано меньшим чнсла витков другой обмотки и обе обмотки выполиены из двух равных частей, соединенных в мост, так что противолежащие нлечи принадлежат одной нз обмоток и включены согласно. Такое размещение и соединение частей измерительных обмоток позволяет нолучить магнитоанизотропный датчик с мОСтовой измерительной схемой, а выбор неравного числа витков обеспечивает возможность ура1вновешивання моста при отсутствии измеряемой нагрузки, уменьшение начального выхода сигнала, то есть по вышение чувствительности. На фиг. 1 изображен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг. 2 - схема включения его обмоток. Изгибаемый плоский магнитоупругнй элемент 1 из магнитоаннзотронного материала закреплен консольно. В малнитоупругом элементе 1 имеются четыре отверстия 2, 3, 4 и 5 с осями, параллельными плоскости изгиба. Они образуют на поверхности элемента прямоугольник с вершинами, совпадающими с центрами отверстий, и сторонами, параллельными и нерпендикулярными плоскости изгиба магнитоупругого элемента. Между смежными отверстиями по сторонам прямоугольника уложены измерительные обмотки: одна, состоящая из двух равных частей 6 и 7, - на параллельных, а другая, состоящая из двух равных частей 8 и 9, - на перпендикулярных к плоскости изгиба сторонах. Обмотки имеют неравное число витков, которое меньше у той обмотки, которая охватывает сечения магнитоупругого элемента с больщим значением магнитной проницаемости. Части обмоток 6, 7, 8 и 9 соединены своими электрическими концами в мост (см. фиг. 2), в котором противолежащие плечи как 6 и 7, так 8 и 9 принадлежат одной из обмоток и включены согласно. Магнитоупругий элемент (см. фиг. 1) снабжен дополнительными отверстиями 10 и И, размещенными у отверстий с обмотками на расстоянии, меньшем их радиуса. Магнитоанизотрошный датчик работает следующим образом. Одну из диагоналей моста подключают к источнику переменного тока, а другую - к измерителю выходного сигнала. Благодаря согласному соединению частей 6 и 7, а также частей 8 и 9 обмоток в .магнитоупругом элементе образуются два потока 12 - от одпой и 13 - от другой измерительной обмотки (на фиг. 1 показаны условно, каждый в виде одной силовой линии). Поскольку материал магнитоупругого элемента 1 анизотропен, т. е. имеет разную проницаемость в направлениях, параллельном и перпендикулярном плоскости изгиба, то числа витков измерительных обмоток выбраны различными, так что их индуктивности равны, а мост уравновешен. При нагружении магнитоупругого элемента изгибающей силой Р, часть поперечного сечения элемента 1 растягивается, а часть сжимается. Соответственно знаку коэффициента магнитострикции материала элемент 1 в одной из частей поперечного сечения магнитная проницаемость будет расти, а в другой - уменьшаться. Поскольку зависимость магнитной ироницаемости от механических напряжений нелинейна и Л1агнитная нроницаемость при нагружениях возрастает больще, чем падает, то в целом но сечению это приводит к увеличению магнитной проницаемости магнитоупругого элемента в направлениях, параллельных плоскости изгиба. Увеличение магнитной проницаемости магнитоупругого элемента приводит к увелнчению магнитных потоков 12 и 13, но ноток 12 увеличивается больше, чем поток 13, так как он проходит большую часть своего пути в направлении увеличения магнитной проницаемости. В результате этого индуктивность обмоток 8 и 9 увеличивается больше, чем индуктивность обмоток 6 и 7, что приводит к нарушению исходного равновесия моста (см. фиг. 2) и появлению на его диагонали выходного сигнала, нронорционального приложенной к упругому элементу 1 (см. фиг. 1) нагрузки. Наличие отверстий 10 и 11 вызывает концентрацию механических напряжений в сечениях между ними и отверстиями 2, 3, 4 и 5. Это дополнительно увеличивает влияние нагрузки на магнитную проницаемость и способствует повышению чувствительности датчнка. Формула изо.бретения Магнитоанизотропный датчик для измерения силы или деформации, содержащий консольно за1Крепленный изгибаемый плоский Магнитоупругий элемент с четырьмя отверстиями, оси которых параллельны плоскости его изгиба и размещены в вершинах прямоугольника со сторонами, параллельными и перпендикулярными плоскости изгиба магнитоупругого элемента, и две измерительные обмотки, охватывающие сечение магннтоупругого элемента между двумя отверстиЯ|МИ, отличающийся тем, что, с целью новыения чувствительности путем уменьщения начального выходного сигнала, вызванного магнитной анизотропией магнитоупругого элеента, измерительные обмотки уложены меду смежными отверстиями, каждая на пааллельных сторонах пря1моугольнвка, число итков измерительной обмотки, охватываюей сечение магнитоунругого элемента с ольшей магнитной ;проницаемостью, выбрано

меньшим числа витков другой обмотки и обе обмотки выполнены из двух равных частей, соединенных в мост так, что противолежащие плечи принадлежат одной из обмоток и включены согласно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Гуманюк М. Н. Магнитоупругие датчики в авто.матике, Киев, Техника, 1972, стр. 111, рис. 56.

2.Михайлов О. П., Габов А. П. Магиитоупругий датчик малых перемещений. Приборы и системы упра1вления, I97I, № 8, стр. 38-39.

Ю //7

/1 -XI

Г