Магнитоупругий преобразователь усилий и деформаций в число-импульсный сигнал Советский патент 1982 года по МПК G01B7/24 G01L1/12 

(5) МАГНИТОУПРУ.ГИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УСИЛИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ЧИСЛО-ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а именно к измерениям усилий, механических напряжений и деформаций, основанным на использовании явлений магнитоупругости. Оно может быть использовано в информационно-измерительных системах ИИС, предполагающих обработку информации цифровыми ЭВМ. Известен магнитоупругий преобразователь механических напряжений и деформаций,который содержит ферромаг нитный тонкий лист с ответвленным участком, наклеиваемый на контролируемое изделие, и съемный проводник, охватывающий ответвленный участок листа 13. Известный магнитоупругий преобразователь представляет информацию об измеряемой величине в аналоговой фор,ме, что позволяет егб использовать в сложных ИИС, предполагающих обработку информации на ЭВМ в цифровой форме, без дополнительного аналогоцифрового преобразователя. Известен магнитоупругий преобразователь усилий и деформаций.в числоимпульсный сигнал, который содержит упругий чувствительный элемент в виде плоской токопроводящей подложки с трапецеидальным контуром. На подложке размещена тонкопленочная структура в виде нанесенной на подложку ферромагнитной пленки, ось легкого намагничивания которой направлена поперек оснований трапецеидального контура Г1ОДЛОЖКИ. Поверх ферромагнитной пленки, нанесена изоляционная пленка с отверстиями, размещенными вдоль оси легкого намагничивания. В отверстиях размещены точечные контакты, электрически соединенные с поверхностью ферромагнитной пленки. На изоляционную пленку нанесены два съемных проводника по обе стороны точечных контактов. Каждый из проводников электрически соединен со своими

контактами, взятыми один с нечетными, другой .с четными. Со съемными проводниками соединен входом счетчик импульсов. Такой преобразователь может исполь-5

зоваться в ИИС, предусматривающих переработку информации в дискретной форме Г2. Однако точность преобразования оказывается невысокой, поскольку на нее оказывают существенное вли яние колебания амплитуды питающего переменного тока, протекающего по подложке. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения влияния колебаний амплитуды питающего тока. Указанная цель достигается тем, что известный магнитоупругий преобразователь усилий и деформаций в число-импульсный сигнал, содержащий упругий чувствительный элемент в виде плоской токопроводящей подложки с трапецеидальным контуром, тонко- jпленочную структуру в виде нанесенной на подложку ферромагнитной пленки, ось легкого намагничивания которой направлена поперек оснований тра пецеидального контура подложки, изоляционной пленки, нанесенной на ферромагнитную пленку, с отверстиями, размещенными вдоль ее оси легкого на магничивания, точечных контактов, размещенных в этих отверстиях, электрически соединенных с поверхностью ферромагнитной пленки, и двух съемны проводников, нанесенных на изоляцион ную пленку по обе стороны от точечных контактов и электрически соединенных; один - с нечетными, другой с четными контактами, а также счетчик импульсов, соединенный входом со съемными проводниками, снабжен второй тонкопленочной структурой, нанесенной с другой стороны упругого чувствительного элемента, у которой коэффициент магнитострикции ферромагнитной плёнки равен, но противоположен по знаку, коэффициенту магнитострикции пленки в первой тонкопленочной структуре. Счетчик импульсов выполнен с дополнительным реверсивным входом, соединенным со съемными проводниками второй тонкопленочной структуры. При таком выполнении магнитоупру Сого преобразователя воздействие из меряемой величины, благодаря различиям в знаках коэффициентов магнито

9225004

стрикции ферромагнитных пленок оЬоШ структур, вызывает равные, но противоположные по знаку изменения числа импульсов их выходных сигналов. Коного тока, протекающего по подложке, вызывают одинаковые изменения числа .импульсов в выходных сигналах обоих тонкопленочных структур. При поступлебания амплитуды питающего перемехлении двух выходных сигналов на счетчик импульсов с дополнительным реверсивным входом изменения сигналов, вызванные измеряемой величиной, складываются, а изменения, вызванные колебаниями амплитуды, вычитаются, уменьшаясь в целом практически до нуля. В результате точность преобразования повышается. На фиг. 1 и 2 в двух проекциях показан магнитоупругий преобразователь усилий и деформации в числоимпульсный выходной сигнал. Преобразователь содержит упругий чувствительный элемент в в.иде плоской токопроводящей подложки 1 с трапецеидальным контуром. На каждой стороне подложки размещена тонкопленочная структура. Она выполнена в виде ферромагнитной пленки 2, нанесенной на подложку осью легкого намагничивания поперек оснований трапецеидального контура подложки. Коэффициенты магнитострикции ферромагнитных пленок 2 выбраны равными по величине, но противоположными по знаку. Также пленки могут быть выполнены, Hanpli- мер, из пермаллоев с содержанием никеля 77 и 83%. Поверх ферромагнитной пленки 2 нанесена изоляционная пленка 3 с отверстиями, размещенными вдоль оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки 2. В отверстиях изоляционной пленки 3 размещены точечные контакты 4, электрически соединенные с поверхностью ферромагнитной пленки 2. На изоляционную пленку 3 нанесены два съемных проводника 5 по обе стороны от точечных контактов . Каждый из съемных проводников 5 электрически соединен со своими точечными контактами Ц, взятыми через один: первый проводник 5 - с нечетными, второй с четными. Съемные проводники 5 обеих тонкопленочных структур подсоединены к счетчику 6, одна - к обычному, другая - к дополнительному реверсивному входу с 1 помощью клемм 7. Токопроводящая подложка I имеет на основаниях клеммы 8 для присоединения к источнику переменного тока. Преобразователь работает следующ образом, Клеммы 8 присоединяют к источник переменного тока. В исходном состоя нии, при отсутствии тока в подложке . 1, ферромагнитные пленки находятся в состоянии остаточной намагниченно сти, т.е. на верхней или нижней плоской части магнитной петли гисте резиса .материала пленок. Вектор намагниченности направлен по оси легк го намагничивания. При прохождении переменного тока по подложке 1 на ее поверхности воз никает магнитное поле, которое действует на ферромагнитные пленки 2. За счет трапецеидальной формы ко тура плотность тока в подложке 1, а,следовательно, и напряженность ма нитного поля, действующего на разные участки пленки 2, оказывается линей но зависящей в данный момент времени от положения участка. Те уйастки, где напряженность маг нитного поля .оказывается меньше ко эрцитивной силы, остаются практически в исходном состоянии. Те же участки пленки, где напряженность поля больше коэрцитивной силы, перемагничиваются до противоположной по знаку намагниченности, т.е. переходят на противоположную ветвь петли гистерезиса, соотвутствующую состоянию насыщения материала пленки. В итоге часть пленки 2 находится в исходном, а другая ее часть - в перемагниченном состоянии. Они разделяются доменной границей.. При изменении тока в подло.жке 1 , по синусоидальной зависимости доменная граница между частями пленки 2. с разной намагниченностью будет перемещаться то в одну, то в другую стороны. Амплитуда переменного тока в подложке 1 выбрана так, чтобы перемагничивалась половина пленки 2 в каж дой из двух тонкопленочных структур. При прохождении доменной границы между двумя соседними точечными контактами k съемных проводниках 5 возникает электрический импульс. За четверть периода переменного тока, протекающего По подложке 1, доменная гра ница пробегает весь перемагничиваемый участок пленок 2. При этом в отсутствии усилий или деформаций, воздействующих на подложку 1, число импульсов, поступающих на счетчик 6 с обоих тонкопленочных структур, одинаково. Так как один из входов счетчика я1ляется реверсивным, то счетчик зарегистрирует разность этих чисел импульсов, равную нулю. Воздействи.е усилий или деформаций на подложку 1 приведет к тому, что коэрцитивная сила ферромагнитных пленок 2 изменится: в одной из тонкопленочных структур она увеличится, а в другой уменьшится. Это приведет к тому, что в одной из пленок 2 соотBetcTBeHHO уменьшится, а в другой увеличится длина перемагничиваемого участка. Число импульсов, поступающих на входы счетчика 6, окажется не одинаковым.. В соответствии с этим счетчик зарегистрирует разностное число импульсов, зависящее от величины воздействующих усилий или деформаций. Если изменяется амплитуда питающего тока, протекающего по подложке 1, то изменяется длина перемагничиваемого участка пленки 2, причем одинаково в обеих тонкопленочных структурах. Это вызывает одинаковое изменение числа импульсов, поступающих с тонкопленочных структур, которое за счет вычитания счетчиком 6 не будет регистрироваться. В результате точность преобразования усилий или деформаций в число импульсов не.будет зависеть от колебания амплитуды тока в подложке 1. . Устойчивость предлагаемого устройства к воздействиям колебаний амплитуды питающего тока позволяет снизить требования к стабильности источника питания и упростить его стройство. Формула изобретения Магнитоупругий преобразователь силий и деформаций в число-импульсый сигнал содержащий упругий чувтвительный элемент в виде плоской окопроводящей подложки с трапецедальным контуром, тонкопленочную труктуру в виде нанесенной на подожку ферромагнитной пленки ось егкого намагничивания которой наравлена поперек оснований трапецедального контура подложки, изоляцинной пленки, нанесенной на ферромагнитную пленку, с отверстиями, размещёнными вдоль ее оси легкого намагничивания, точечных контактов, размещенных в этих отверстиях, электриче«:ки соединенных с поверхность ферромагнитной пленки, и двух съемных проводников, нанесенных на изоляционную пленку по обе стороны от точечных контактов и электрически соединенных: один - с нечетными, другой - с четными контактами, а также счетчик импульсов, соединенный входом со съемными проводниками отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снаб жен второй аналогичной тонкопленочной структурой, нанесенной с другой стороны упругого чувствительного

-J

f

I

/ . элемента, у которой коэффициент магнитострикции ферромагнитной пленки равен, но противоположен по знаку, коэффициенту магнитострикции пленки первой тонкопленочной структуры, а счетик импульсов выполнен с дополнительным реверсивным входом, соединенным со съемными проводниками второй тонкопленочной структуры. Источники информации, принятые во при экспертизе 1.Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. П. В. Новицкого, Л., Энергия, 1975, с. 322, рис. 13-20 6. 2.Авторское свидетельство СССР ff 492728, кл. G 01 В 7/2, 1973 (прототип).