Устройство для измерения угловых перемещений объекта

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА(71) Заявитель Научно-исследовательское республиканское унитарное предприятие Минский НИИ радиоматериалов(72) Авторы Соболевский Александр Владимирович Колосов Виталий Алексеевич Чудовский Александр Константинович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское республиканское унитарное предприятие Минский НИИ радиоматериалов(57) Устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее два постоянных магнита, формирующих пространственное магнитное поле и расположенных на основании, элемент Холла, ферромагнитный элемент, отличающееся тем, что элемент Холла расположен посередине между постоянными магнитами и жестко закреплен относительно основания, ферромагнитный элемент выполнен подвижным, в виде диска со скошенной поверхностью, поперечное сечение которого выполнено в виде прямоугольного треугольника, посаженного на вал вращения серединой своего большего катета, дополнительный ферромагнитный элемент расположен соосно с элементом Холла, между постоянными магнитами на расстоянии от их продольных осей , определяемом из выражения 11203 1 2008.10.30 где- диаметр постоянного магнита- расстояние между продольными осями постоянных магнитов- диаметр дополнительного ферромагнитного элемента. Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке автоматизированных систем управления механизмами и технологическими процессами. Известно устройство для измерения перемещений, включающее магнитопровод,преобразователь Холла и два постоянных магнита. Магнитопровод состоит из двух Г-образных частей, изготовленных из технического железа 1. Это устройство обладает недостатком, заключающимся в сложности конструкции, изза наличия трех воздушных зазоров в магнитной системе, каждый из которых влияет на точность измерения, увеличивая его погрешность. Известно устройство для измерения перемещений, содержащее датчик Холла, ферритовые бруски, немагнитный материал, ферритовый стержень, постоянный магнит 2. Это устройство обладает недостатками, которые заключаются в недостаточно узком диапазоне линейности выходной характеристики, жесткая конструкция которого сложна в сборке и настройке устройства. Известно устройство для измерения перемещений, содержащее два постоянных магнита, формирующих пространственное магнитное поле, элемент Холла, причем элемент Холла расположен в воздушном зазоре симметричного магнитопровода, образованного двумя постоянными магнитами и подвижным ферромагнитным элементом 3. Это устройство обладает недостатками, заключающимися в том, что возникают определенные трудности при настройке начальной рабочей точки устройства, что связано с конструктивными особенностями устройства и технологическими разбросами изготовления постоянных магнитов, и наличием у элемента Холла остаточного напряжения. Известно устройство для измерения перемещений, содержащее два постоянных магнита, формирующих пространственное магнитное поле, элемент Холла, расположенных на основании, подвижный ферромагнитный элемент, причем устройство снабжено дополнительным ферромагнитным элементом, расположенным между двумя постоянными магнитами таким образом, что его продольная ось расположена вдоль силовых линий постоянных магнитов на расстоянии от продольных осей постоянных магнитов, определяемом по формуле, 3 где- диаметр постоянного магнита- диаметр дополнительного ферромагнитного элемента а - расстояние между продольными осями постоянных магнитов. Причем дополнительный ферромагнитный элемент выполнен в виде цилиндрического стержня, снабженного наружной резьбой, а основание снабжено отверстием с внутренней резьбой, соосным с дополнительным ферромагнитным элементом 4. Это устройство обладает универсальной магнитной системой, которая может быть использована в устройствах для измерения любых перемещений. Но конструкция устройства в целом не позволяет измерять угловые перемещения. Задачей настоящего изобретения является создание на базе универсальной магнитной системы прототипа устройства для измерения угловых перемещений. Это достигается тем, что в устройстве для измерения угловых перемещений объекта,содержащем два постоянных магнита, формирующих пространственное магнитное поле и расположенных на основании, элемент Холла, ферромагнитный элемент, элемент Холла 11203 1 2008.10.30 расположен посередине между постоянными магнитами и жестко закреплен относительно основания. Ферромагнитный элемент выполнен подвижным, в виде диска со скошенной поверхностью, поперечное сечение которого выполнено в виде прямоугольного треугольника,посаженного на вал вращения серединой своего большого катета. А дополнительный ферромагнитный элемент расположен соосно с элементом Холла, между постоянными магнитами на расстоянии от их предельных осей , определяемом из выражения,3 где- диаметр постоянного магнита а - расстояние между продольными осями постоянных магнитов- диаметр дополнительного ферромагнитного элемента. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство для измерения угловых перемещений объекта - вид сбоку на фиг. 2 изображено устройство для измерения угловых перемещений объекта - вид сверху на фиг. 3 изображено устройство для измерения угловых перемещений объекта, разрез по А-А, подвижного ферромагнитного элемента. Устройство для измерения угловых перемещений объекта содержит следующие элементы постоянный магнит 1, второй постоянный магнит 2, которые намагничены вдоль своей большой оси. Одноименные магнитные полюса постоянных магнитов 1 и 2 направлены в одну сторону и создают пространственное магнитное поле 3. Между постоянными магнитами 1 и 2 расположен элемент Холла 4. Подвижный ферромагнитный элемент 5 жестко закреплен на оси вращения относительно вала 6, который связан с измеряемым объектом (на чертеже не показан). Для уменьшения люфта вала 6 используются подшипники 7. Дополнительный ферромагнитный элемент 8 расположен между постоянными магнитами 1 и 2 параллельно их продольным осям. Постоянные магниты 1 и 2 и элемент Холла 4 жестко закреплены относительно основания 9. Устройство для измерения угловых перемещений объекта работает следующим образом. Постоянные магниты 1 и 2 создают пространственное магнитное поле 3. В зоне максимального градиента магнитного поля 3 должен быть расположен элемент Холла 4 для получения максимальной пространственной чувствительности. При сборке устройства изза технологических разбросов изготовления частей магнитной системы и технологических допусков при сборке устройства получить этого практически не удается. Вводя в направлениесоосно постоянным магнитом 1 и 2 дополнительный ферромагнитный элемент 8, мы добиваемся дополнительной концентрации магнитных силовых линий пространственного магнитного поля 3, увеличивая градиент магнитной индукции в зоне расположения элемента Холла 4. Силовые линии магнитного поля 3 оттягиваются из пространства между постоянными магнитами 1 и 2 в тело дополнительного ферромагнитного элемента 8. На торце дополнительного ферромагнитного тела 8 плотность силовых линий существенно выше. Торец дополнительного ферромагнитного элемента 8 подводится к элементу Холла 4, чем достигается концентрация силовых линий в зоне элемента Холла 4. Чем больше диаметр дополнительного ферромагнитного элемента 8, тем больше эффект концентрации, тем выше градиент магнитного поля в рабочей зоне элемента Холла 4. Но существуют физические пределы увеличения площади поперечного сечения дополнительного элемента 8 из-за явления шунтирования всего магнитного потока в зоне элемента Холла 4. При соблюдении геометрических размеров, заложенных в формуле 11203 1 2008.10.30 где- диаметр постоянного магнита- диаметр дополнительного ферромагнитного элемента а - расстояние между продольными осями постоянных магнитов, при расчете магнитной системы, достигается оптимальное соотношение размеров составных частей магнитной системы и получение максимального увеличения градиента магнитного поля в зоне элемента Холла 4. При большем градиенте магнитного поля в рабочей зоне элемента Холла 4 одни и те же изменения зазорарабочего подвижного ферромагнитного элемента 5 вызывают большие изменения выходного напряжения с элемента Холла 4. Этим достигается увеличение чувствительности устройства, увеличение пространственной разрешающей способности устройства при измерении перемещений. Причем введение дополнительного ферромагнитного элемента 8 одновременно выполняет и роль настройки рабочей точки устройства. Элемент Холла 4 расположен посередине между постоянными магнитами 1 и 2 и соосно дополнительному ферромагнитному элементу 8. При вводе ферромагнитного элемента 8 происходит не только концентрация силовых магнитных линий на его торце, но и искривление сконцентрированного пространственного магнитного поля 3 в рабочей зоне элемента Холла 4. Так как элемент Холла 4 является прибором, выходной сигнал с которого зависит не только от амплитуды, но и от направления воздействующего магнитного поля, то незначительное искривление магнитного поля равносильно введению постоянной составляющей в результирующий сигнал с элемента Холла 4. Причем величина этой постоянной составляющей может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от расстояния от торца дополнительного ферромагнитного элемента 8 до рабочей зоны элемента Холла 4. Введение этой постоянной составляющей позволяет скорректировать начальную погрешность установки (сборки) магнитной системы и элемента Холла 4 и скорректировать технологические разбросы, полученные при изготовлении и намагничивании постоянных магнитов 1 и 2. Это искривление пространственного магнитного поля достигается малыми перемещениями по сравнению с геометрическими размерами дополнительного ферромагнитного элемента 8. Причем градиент магнитного поля в зоне элемента Холла 4 практически не меняется при малых перемещениях ферромагнитного элемента 8, что не сказывается на величине чувствительности устройства. При изготовлении дополнительного ферромагнитного элемента 8 в цилиндрической форме с наружной резьбой и наличии соосного ему отверстия (на чертеже не показано) в основании 9 с внутренней резьбой получается винтовая пара, которая позволяет плавно вводить ферромагнитный элемент 8 путем вращения его вдоль своей оси. Применение цилиндрической формы дополнительного ферромагнитного элемента 8 позволяет повысить технологичность устройства, упрощает процесс настройки, повышает точность настройки, упрощает фиксацию дополнительного ферромагнитного элемента 8 в магнитной системе. Таким образом, наличие дополнительного ферромагнитного элемента 8 в рассматриваемом устройстве позволяет увеличить чувствительность устройства, а также позволяет одновременно проводить корректировку технологических разбросов при изготовлении устройства. Если изготовить дополнительный ферромагнитный элемент 8 цилиндрической формы и снабдить наружной резьбой, а в основании соосно изготовить отверстие (на чертеже не показано) с внутренней резьбой, то в рассматриваемом устройстве появляются дополнительные качества, связанные с удобством точной настройки устройства. А выполнение подвижного ферромагнитного элемента 5 в форме диска со скошенной поверхностью, сечение которого имеет форму прямоугольного треугольника, посаженного на вал вращения 6 серединой своего большего катета, позволяет эффективно измерять угловые перемещения, т.к. зазор (фиг. 1), образованный в результате скошенной по 4 11203 1 2008.10.30 верхности подвижного ферромагнитного элемента 5 относительно элемента Холла 4, изменяется по радиусу подвижного ферромагнитного элемента 5. Источники информации 1. Шепелевич В.Г. Обзорная информация. Датчики перемещения, угла поворота и частоты вращения на основе эффекта Холла. - Минск, 1989. - С. 10-11, рис. 4. 2. Хомерики О.К. Гальваномагнитные элементы автоматики и вычислительной техники. - М. Энергия, 1975. - С. 79, рис. 3.9 а. 3. Хомерики О.К. Гальваномагнитные элементы автоматики и вычислительной техники. - М. Энергия, 1975. - С. 81-83, рис. 3.12. 4. Заявкаа 20020641 от 19.07.2002. МПК 701 В 7/00 // Бюл.1(40). - 2004. - . 60 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5