Устройство для измерения линейных перемещений

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(71) Заявитель Дубина Анатолий Владимирович(72) Автор Дубина Анатолий Владимирович(73) Патентообладатель Дубина Анатолий Владимирович(57) 1. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее корпус, закрепленный в корпусе магниточувствительный элемент и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит, отличающееся тем, что корпус выполнен из немагнитного материала с направляющими, в которых расположен с возможностью осевого перемещения внутри корпуса измерительный шток из немагнитного материала в форме цилиндра, на котором выполнен сегментный срез, на плоскости сегментного среза размещен постоянный магнит, вектор намагниченности которого параллелен направлению осевого перемещения штока, а расстояние между полюсами больше величины измеряемого перемещения, магниточувствительный элемент выполнен в виде датчика Холла,который связан с усилителем и аналого-цифровым преобразователем сигнала, размещен на кронштейне из немагнитного материала над центром симметрии постоянного магнита и ориентирован параллельно плоскости сегментного среза измерительного штока. 2. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь размещены в корпусе устройства с минимальным удалением от датчика Холла. 10450 1 2008.04.30 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на корпусе устройства закреплен фиксатор, ограничивающий угловое перемещение измерительного штока путем упора в плоскость сегментного среза последнего, причем упорная поверхность фиксатора выполнена с возможностью упругого перемещения по отношению к плоскости сегментного среза измерительного штока. Изобретение относится к средствам автоматизированного измерения линейных перемещений в сложных эксплуатационных условиях, например виброперемещений опор подшипников различных механизмов, двигателей внутреннего сгорания. Известно устройство для измерения линейных перемещений, содержащее корпус, в котором размещены излучатель и фотоприемники, соединенные с электронным регистрирующим устройством, а также две растровые оптические линейки, одна из которых закреплена на корпусе, а вторая - на подвижном штоке, который перемещается в направляющих втулках 1. Растровые линейки при взаимном перемещении модулируют проходящий через их световой поток, который принимается фотоприемником и электронным регистрирующим устройством. Недостатком данного устройства является недостаточная вибростойкость оптической системы, ограничивающая область применения. Известно устройство для индикации линейных перемещений, содержащее постоянный магнит, связываемый с объектом перемещения, блок индикации, имеющий индикаторные лампы младшего и старшего разрядов, соединенные с одним из полюсов источника питания, герконы с замыкающими контактами, размещенные с определенным шагом по пути перемещения постоянного магнита и объединенные в группы по десять герконами с переключающими контактами, объединенными в группы по десять, каждый геркон с замыкающим контактом расположен с одним из герконов с переключающими контактами в одной перпендикулярной движению магнита плоскости 2. Недостатками устройства являются низкая точность индикации линейных перемещений и сложность конструкции. Наиболее близким к заявляемому является датчик перемещения 3, содержащий неподвижное диэлектрическое основание (корпус), размещенный на нем магниточувствительный элемент в виде матрицы двухколлекторных магнитотранзисторов (ДМТ),которые соединены между собой и расположены последовательно вдоль основания в направлении измеряемого перемещения, и установленный с возможностью перемещения вдоль основания постоянный магнит. Длина постоянного магнита кратна длине одного магниточувствительного элемента, а магнитная ось (вектор намагниченности) перпендикулярна поверхности основания. Постоянный магнит расположен и перемещается в непосредственной близости от магниточувствительного элемента и его магнитное поле взаимодействует с ближайшими ДМТ. Двухколлекторные полупроводниковые магнитотранзисторы расположены так, что коллекторные области смежных магнитотранзисторов совмещены. Информация о перемещении формируется за счет изменения базовых токов транзистора, пропорциональных положению постоянного магнита. Датчик работает следующим образом. При отсутствии магнитного поля (датчик вдали от ДМТ) токи смежных коллекторов, примыкающих к одной базе, равны и направлены встречно-сбалансированы, и при равных резисторах напряжение между этими смежными коллекторами равно нулю. При появлении над базой ДМТ магнита, размер которого равен ДМТ и вектор намагниченности которого перпендикулярен поверхности основания, носители зарядов под действием магнитного поля отклоняются в сторону одного из коллекторов и происходит разбаланс токов смежных коллекторов. Измеряя последовательно напряжение между коллекторами ДМТ, определяют тот из них, над которым находится магнит. Точность датчика определяется количеством ДМТ, приходящихся на единицу длины, и не превышает десятой доли миллиметра. 2 10450 1 2008.04.30 Недостатком указанного датчика является ограниченная область применения вследствие низкой точности измерения линейных перемещений и сложности конструкции. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения устройства путем повышения точности измерений и упрощения конструкции. Технический результат достигается устройством, содержащим корпус, закрепленный в корпусе магниточувствительный элемент и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит. Согласно заявляемому изобретению, корпус выполнен из немагнитного материала с направляющими, в которых расположен с возможностью осевого перемещения внутри корпуса измерительный шток из немагнитного материала в форме цилиндра, на котором выполнен сегментный срез. На плоскости сегментного среза измерительного штока размещен постоянный магнит, вектор намагниченности которого параллелен направлению осевого перемещения штока, а расстояние между полюсами магнита больше величины измеряемого перемещения. Датчик Холла расположен на кронштейне из немагнитного материала над центром симметрии постоянного магнита и ориентирован параллельно плоскости сегментного среза, а усилитель сигнала, получаемого от датчика Холла, и аналого-цифровой преобразователь данного сигнала размещены в корпусе устройства с минимальным удалением от датчика Холла. На корпусе устройства закреплен фиксатор, ограничивающий угловое перемещение измерительного штока путем упора в основание сегментного среза последнего, причем упорная поверхность фиксатора имеет возможность упругого перемещения по отношению к основанию сегментного среза измерительного штока. Ориентация вектора намагниченности постоянного магнита параллельно направлению перемещения измерительного штока позволяет получить максимальный градиент нормальной составляющей магнитной индукции и обеспечить высокую чувствительность устройства. Монотонность и достаточная линейность изменения нормальной составляющей магнитной индукции на участке длины магнита, заключенном между его полюсами,обеспечивает однозначность соответствия каждому положению измерительного штока единственного значения напряжения Холла. На фиг. 1 показан общий вид заявляемого устройства. На фиг. 2 показана зависимость распределения нормальной составляющей индукции магнитного поля постоянного магнита по его длине. На фиг. 3 показано сечение измерительного штока в зоне размещения постоянного магнита. На фиг. 4 показана конструкция фиксатора, ограничивающего угловое смещение измерительного штока. Конструктивно устройство выполнено следующим образом. Корпус 1, изготовленный из немагнитного материала (фиг. 1), содержит две направляющие поверхности в виде выполненных на одной оси двух цилиндрических отверстий, в которых расположен с возможностью перемещения вдоль направляющих поверхностей измерительный шток 2 цилиндрической формы, оснащенный постоянным магнитом 3. Крепление постоянного магнита 3 на измерительном штоке 2 выполнено клеевым соединением на плоскости, полученной путем среза сегмента цилиндрической части (фиг. 3) штока 2. В корпусе установлен кронштейн 4, изготовленный из немагнитного материала, на котором над центром симметрии постоянного магнита укреплен датчик Холла 5, измерительные выводы которого соединены с усилителем 6 и аналого-цифровым преобразователем 7 и который ориентирован параллельно плоскости сегментного среза измерительного штока 2. На корпусе укреплен фиксатор 8, который ограничивает угловое перемещение измерительного штока 2 по отношению к корпусу 1 и датчику Холла 5, что обеспечивает стабильность показаний устройства. Упорная поверхность фиксатора 8 имеет возможность упругого перемещения по отношению к плоскости сегментного среза измерительного штока 2. Сверху корпус 1 закрыт крышкой 9 из немагнитного материала. 3 10450 1 2008.04.30 Работает устройство следующим образом. На датчик Холла 5 воздействует нормальная составляющая магнитного поля постоянного магнита 3, и значение напряжения Холла через измерительные выводы (на фиг. не показаны) передается на усилитель 6 и аналогоцифровой преобразователь 7. Учитывая монотонность изменения нормальной составляющей магнитного поля на отрезке между полюсами магнита 3 (фиг. 2), каждому положению магнита 3, а значит, и связанного с ним измерительного штока 2 соответствует единственное значение напряжения Холла, а значит, и единственное значение измеряемого перемещения. При перемещении измерительного штока 2 и закрепленного на нем постоянного магнита 3 по отношению к корпусу 1, а значит, и по отношению к жестко установленному на кронштейне 4 датчику Холла 5 на длину постоянного магнита 3, равную а, значение нормальной составляющей индукции магнитного поля изменится от значения Вл до значения Впр, а на единицу длины составит (ВлВпр)/а. Устройство практически реализовано с использованием миниатюрного датчика Холла на основе арсенида галлияи постоянного магнита марки КС-37 из материала 2 С 5. Расстояние между полюсами магнита составляет 6 мм, что обеспечивает дискретность отсчета перемещения 5 мкм при ходе измерительного штока 5 мм. Корпус датчика 1, крышка 9 и измерительный шток, кронштейн крепления датчика Холла выполнены из немагнитного материала, в качестве усилителя, аналого-цифрового преобразователя и источника питания использованы стандартные комплектующие. Источники информации 1. Голубовский Ю.М., Пивоварова Л.Н., Афанасьева Ж.К. Фотоэлектрические преобразователи линейных и угловых перемещений // Оптико-механическая промышленность. 1984. -8. 2. А.с. СССР 1200117, МПК 01 7/00, 1985. 3. Патент 1773153 С, МПК 601 7/00, 1995. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4