Устройство для измерения усилий Советский патент 1979 года по МПК G01L1/12 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ

1

Изобретение касается измерения не- электрических величин и может быть использовано для построения преобразователей усилия в электрический сигнал.

Известны магнитоупругие преобразователи, основанные на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений, обусловленных Воздействием на ферромагнитные тела измеряемых усилий l .

Для достижения удовлетворительной точности измерения в таких преобразователях необходимы сердечники сложной формы, а также ферромагнитные материалы с ярко выраженной анизотропией магнитных свойств. Кроме того, выходной сигнал в таких преобразователях может быть только аналоговым (ток или напряжение), что значительно сужает область их применения.

Известны преобразователи усилия на эффекте Баркгаузена, в основе которых лежит зависимость параметров скачков

Баркгаузена, возникающих при перемагничивании ферромагнетика от механических напряжений. Преобразователь на эффекте Баркгаузена содержит ферромаг нитный сердечник в виде струны с равномерной измерительной обмоткой, источник равномерного перемагничивающего Поля н устройство регистрации. Перемагничивающее поле, в простейшем случае изменяющееся Во времени по синусоидальному закону, вызывает в измерительной обмотке случайные импульсы электродвияо щей силы (ЭДС1 соответствующие скачкам намагниченности. Устройство регистрации осуществляет функции усиления и выделения информативного параметра (среднее число выбросов, средняя мощность и т.п.) 21 i

К недостаткам таких преобразователей следует отнести ярко выраженную периодическую нестационарность выходного сигнала измерительной обмотки, что усложняет устройство регистрации, а также неудовлетворительную динамическую точность,

бусловленную низкой частотой перемат ичивагощего поля. Последнее обстояельство не позволяет измерять быстропротекающие процессы, например вибрации.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, предназначенное для измерения скоростей, в котором ферромаг нетик перемагничивается градиентными зонами бегущего поля. Устройство содерясит П1 азный линейный статор, ферромагнитный сердечник, снабженный равномерной измерительной обмоткой, и блок регистрации, подключенный к ней. Статор создает бегущее магнитное поле, которое перемагничивает сердечник, вследствие чего в измерительной обмотке возникает ЭДС, Эта ЭДС содержит, периодическую составляющую с частотой скольжения поля относительно сердечника и случайную составляющую (скачки Баркгаузена). Информацию о внутренних напряжениях, в ферромагнетике в основном несет случайная составляющая З. .: -.. . /.

Недостатком этого устройства.является наличие в выходном сигнале периодической составляющей. Для максимального подавления периодической помехи необходимо, чтобы на длине измерительной катущки укладывалось целое число полюсных делений статора. ,: Несмотря на то, что можно изготовить статор и измерительную катущку весьма точно, при изменении температуры и Воздействии различных неблагоприятных :. -факторов величина помехи возрастает, что . снижает точность измерения при любсал информативном параметре. Так при частотном выходе Ссреднее число выбросов за уровень селекции) аддитивная составляющая помехи нарушает нормальную работу порогового устройства, что приводит к искажению статистических характеристик преобразователя. Мультипликативная составляющая увеличивает дисперсию показаний счетчика выбросов и, как следствие, время счета, что ухудшает динамическую точность.

Цель изобретения - повыщение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее т-фазный линейный

статор, равномерную измерительную об.мотку, ферромагнитный Сердечник,, воспринимающий измеряемое усилие, и блок рЛ страции, введены включенные последовательно фильтр, фазовый детектор, источник управляемого тока и две под- . магничивающие обмотки, соединенные по дифференциальной cxeivie и расположенные с Возможностью взаимной ориентации относительно статора, причем, вход фильтра подключен к измерительной обмотке.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предложенного устройства для иэ0 мерения усилия; на фиг. 2 - распределение напряженности поля по длине сердечника для случая, когда расстояние между дополнительными обмотрами равно полюсному делению статора.

5 Устройство содержит линейный статор 1, в котором коаксиально установлен силовоспринимающий ферромагнитный сердечник 2 с равномерной измерительной обмоткой 3, подключенной к блоку регвн0 страции 4. Соосно сердечнику 2, иа расстоянии одна от другой расположены дополнительные обмотки 5 и 6, включенные между собой встречно. Обмотки 5 и 6 соединены в последовательную цепь с источником регулируемого тока 7, фазовым детектором 8 и фильтром нижних частот 9, вход которого подключен к измерительной обмотке 3.

. i ,.. .

Устройство работает следующим о&разом. ...,...

Линейный статор 1 создает магнитное поле вдоль сердечника 2, распределенное по синусоидальному закону.

Поле движется относительно сердечника с некоторой постоянной скоростью. Вследствие перемагничивания сердечника в измерительной обмотке индуцируется случайный поток импульсов ЭДС, обусловленный скачками намагниченности. Параметры случайного потока, например, среднее число выбросов за уровень селекции, однозначно зависят от величины усилия, приложенного к ферромагнитному сердечнику. Блок регистрации 4 включает усилитель, амплитудный селектор и счетчик. Таким образом, измеряемое усилие преобразуется в код. Помимо случайного импульсного потока с измерительной обмотки снимается также периодическая ЭДС с частотой тока питания статора (обычно 5О гц). Величина этой ЭДС определяется тем, насколько выполняет.

, ся условие равенства длины измерительной обмотки целому числу полюсных делений статора. Фильтр нижних частот 9 выделяет периодический сигнал, поступающий далее на фазовый детектор 8. На опорный вход фазового детектора 8 поступает опорное напряжение Ид от источника (не показан) питания линейного статора. Постоянное напряжение на выходе фазового детектора пропорционально входному напряжению, а знак его определяется фазовым сдвигом входного напряжения относительно опорного. Выходное напряжение с фазового детектора по ступает на вход источника управляемого тока. При входном напрязкении, равном н лю, источник создает в обмотках 5 и 6 постоянный ток определенной величины (это значение тока может плавно регулироваться при юстировке Устройства). При положительной полярности входного Ьигнала выходной ток увеличивается, пр отрицательной - уменьшается. Таким об разом, величина тока в обмотках 5 и 6 зависит от величины периодической ЭДС йа входе фазового детекторе и фазового сдвига этой ЭДС. Действие устройства основано на том, что для уменьшения величины паразитной периодической помехи автоматически изменяется не полюсное деление статора и не длина измерительной обмотки, а длина зоНы пе- ремагничиваЬия сердечника 2. Если определенньй участок сердечника намагнитить до насыщения, то потокосцепле- ние витков измерительной катушки с полем статора на этом участке будет очень малым по сравнению с остальными витками. Отсюда следует, что изменение длины перемагничиваемой зоны сердечника эквивалентно изменению длины Измерительной обмотки. Для реализации указанного алгоритма И змерительная обмотка выполнена так, что ее длина несколько превышает длину полюсного целения статора 1. Ток, протекающий по обмоткам 5 и 6, создает постоянное магнитное поле, которое насыщает участ ки сердечника, расположенные под этими обмотками. Ненасыщенная часть сердечЬика равна полюсному делению статора 1, так что периодическая ЭДС на выход измерительной обмотки близка к нулю,. При увеличении ЭДС возрастает сигнал на выходе,фильтра 9 и изменяется напря жение на выходе фазового детектора 8, что приводит к изменению тока в обмот ках 5 и 6.. Изменение тока вызывает уменьшение или увеличение длины насыщенных участков сердечника. Вследст вие непрямоугольности петли гистере- .иса материала ферромагнитного сердечника между насыщенным и перемагничиваемым участками сердечника cy-i ществует всегда зона, где сердечник перемагничивается по частным циклам. Ширина этой зоны зависит от величины тока в обмотках 5 и 6 нз-аа переменной крутизны распределения их поля вдоль оби. В случае согласного включения обмоток 5 и б паразитная периодическая помеха не устраняется, так как переходные зоны имеют значительную протяженность и одинаковое направление ncJCTOHHHoro поля. Дифференциальное включение обмоток 5 и 6 позволяет практически устранить влияние переходных зон на работу устройства. Упрощенная картина распределения напряженности поля F) Вдоль оси сердечника показана на фиг. 2, где обозначены И, - напряженность поля дополнительных обмоток 5 и б, Н коэрцитивная сила материала сердечника, Хо - полюсное деление статора. На участке Х(, сердечник перемагничивается, так как амплитуда напряженности тюля 1) больше Hj,, а знак напряженности периодически изменяется. За пределами участка Х, сердечник не перемагничивается ввиду того, что знак напряженности поля не меняется, а минит альное значение модуля напряженности поля остается больше коэрцитивной силы. Расстояние .между крайними витками дополнительных обмоток 5 и б должно равняться полюсному делению статора Хд, так Kaic у края рбмотки крутизна зависимости напряженности поля от координаты X макси.мальна, что предопределяет минимальную ширину переходных зон и позволяет :уменьшить общий коэффициент усиления в цепи обратной связи (фильтр, фазовый детектор, источник тока). При произвольном расположении обмоток 5 и б, помеха не компенсируется, т.е. положитель- ньпй эффект не достигается. НеобходиiviocTb введения фазового детектора обусловлена тем, что длякомпенсаиии помехи нужна информация об изменении длины полюсного деления статора, чтобы соответственно изменить ток в обмот,ках 5 и б, а, следовательно, и длину перемагничиваемого участка сердечника 2.. Предложенное устройство обладает повышенной точностью измерения по сравнению с ранее известными анало- гичными устройствами, так как ЭДС помехи автоматически .поддерживается