Устройство для измерения износа

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения износа, содержащее закрепляемый на изнашивающемся элементе датчик износа и электрическую измерительную цепь, включающую источник питания, выполненный с функцией постоянной ЭДС, причем датчик износа выполнен в виде диэлектрической пленки, разрушаемой в процессе износа и наклеиваемой на изнашивающийся элемент по нормали к плоскости износа, на указанную пленку нанесен чувствительный к износу по крайней мере один электрический элемент, соединяемый со входом электрической измерительной цепи, отличающееся тем, что на указанную диэлектрическую пленку нанесен плоский постоянный тонкопленочный магнит, выполненный в виде прямоугольника или равнобедренной трапеции и намагниченной параллельно оси симметрии диэлектрической пленки, а чувствительный к износу электрический элемент выполнен в виде магниточувствительной полупроводниковой структуры типа проводимости, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой,аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая подключена через нагрузочный пленочный резистор к источнику питания таким образом, что плюс питания подключен к -области, и упомянутая полупроводниковая структура размещена у одного из полюсов постоянного магнита, максимально удаленного от поверхности износа. Заявляемая полезная модель относится к средствам контроля в машиностроении, в частности к технической диагностике машин и механизмов различного назначения, преимущественно для измерения текущего износа без нарушения целостности изнашивающихся элементов при установке устройства. Известна тормозная колодка 1, предназначенная для подъемно-транспортных машин, в которой для определения износа используются фрикционная накладка, механически закрепленная на корпусе прижимного элемента тормозного механизма, и установленные в теле накладки на различной глубине датчики износа, связанные с электрической сигнальной системой и выполненные в виде пробки из изоляционного материала с двумя проводниками, замкнутыми на вершине пробки перемычкой, разрушаемой при износе накладки. При достижении тормозной колодкой износа, соответствующего глубине, на которой расположена перемычка, последняя перетирается тормозным барабаном и загорается лампочка, сигнализирующая об износе накладки до величины, определяемой глубиной установки датчика 1. Основным недостатком такого устройства является дискретность измерений, что, в общем, снижает точность измерения износа, т.е. каждый отдельный датчик устройства сигнализирует только об одной определенной величине износа и не позволяет определять величину текущего износа в процессе эксплуатации. Установка большого числа датчиков на различной глубине значительно усложняет электрическую схему измерения, что снижает помехоустойчивость устройства, а также нарушает функциональные характеристики изнашивающегося элемента (накладки) в связи с нарушением его целостности при монтаже датчиков на определенных глубинах. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения износа 2 (прототип), содержащее закрепляемый на изнашивающемся элементе датчик износа и электрическую измерительную цепь, включающую источник питания, амперметр и выключатель, причем датчик износа выполнен в виде диэлектрической пленки, наклеиваемой на изнашивающийся элемент, на которую нанесена система пленочных резисторов, параллельно соединенных друг с другом и соединяемых со входом электрической измерительной цепи и разрушаемых в процессе износа изнашивающегося элемента. Преимуществом прототипа является то, что использование данного устройства не требует нарушения целостности изнашивающегося элемента, т.е. не требует засверливания в нем каких-либо отверстий или зачеканки в тело этого элемента изолированных проводников. Датчик износа 2 просто наклеивается на изнашивающийся элемент подобно тому,как наклеиваются тензорезисторы при измерении деформации элементов конструкции. Недостатком прототипа является низкая точность измерений износа, обусловленная дискретностью измерений из-за ограниченного числа резисторов и электрических дорожек к ним, которые можно сформировать даже современными методами фотолитографии. Кроме того, измерения электросопротивления собранных в электрическую схему резисторов проводятся на постоянном токе, следовательно, большое количество резисторов и проводников в нем значительно снижает помехоустойчивость устройства в целом. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерений глубины текущего износа и помехоустойчивости выходного сигнала устройства. 2 102072014.08.30 Устройство для измерения износа содержит закрепляемый на изнашивающемся элементе датчик износа и электрическую измерительную цепь, включающую источник питания, выполненный с функцией постоянной ЭДС, причем датчик износа выполнен в виде диэлектрической пленки, разрушаемой в процессе износа и наклеиваемой на изнашивающийся элемент по нормали к плоскости износа на указанную пленку нанесен чувствительный к износу по крайней мере один электрический элемент, соединяемый со входом электрической измерительной цепи. Оно отличается тем, что на указанную диэлектрическую пленку нанесен плоский постоянный тонкопленочный магнит, выполненный в виде прямоугольника или равнобедренной трапеции и намагниченной параллельно оси симметрии диэлектрической пленки, а чувствительный к износу электрический элемент выполнен в виде магниточувствительной полупроводниковой структуры типа проводимости, обладающей -эффектом и-образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами 3, 4, которая подключена через нагрузочный пленочный резистор к источнику питания таким образом, что плюс питания подключен к -области, и упомянутая полупроводниковая структура размещена у одного из полюсов постоянного магнита,максимально удаленного от поверхности износа. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображена конструкция устройства в разрезе (разрез перпендикулярно плоскости износа). На фиг. 2 - электрическая блок-схема подключения магниточувствительной полупроводниковой структуры, обладающий -эффектом. На фиг. 3 приведена зависимость частоты частотно-импульсного сигнала от величины тангенциальной составляющей магнитной индукции . Устройство для измерения износа содержит датчик износа, выполненный в виде диэлектрической пленки 1, разрушаемой в процессе износа и наклеиваемой на изнашивающийся элемент 2 по нормали векторак плоскости износа (не показана), причем на указанную пленку 1 нанесен плоский постоянный тонкопленочный магнит 3, выполненный в виде прямоугольника или равнобедренной трапеции и намагниченной параллельно оси симметрии диэлектрической пленки 1. Символамииобозначены полюса постоянного магнита 3. Чувствительный к износу электрический элемент (в тонкопленочном исполнении) выполнен в виде магниточувствительной полупроводниковой структуры 4 -типа проводимости, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами. Полупроводниковая структура 4 размещена у одного из полюсов пленочного постоянного магнита 3, который максимально удален от поверхности износа (в нашем случае от полюса ). Магниточувст 3 102072014.08.30 вительная полупроводниковая структура 4 подключена через нагрузочный пленочный резистор н к источнику питания, выполненному с функцией постоянной ЭДС, таким образом, что плюс питания ( п) подключен к -области полупроводниковой структуры 4. Выходной сигнал вых снимается с резистора нагрузки н, величина которого выбирается исходя из параметров полупроводниковой структуры 4. Полупроводниковая структура 4 соединена со входом электрической измерительной цепи 5 и источником питания. Полупроводниковые структуры 4 поставляются фирмой, Россия, г. Москва(Институт проблем управления). Устройство для измерения износа работает следующим образом. Как показали измерения, магнитная индукцияплоского пленочного магнита 3 в месте расположения магниточувствительной полупроводниковой структуры 4 после наклейки датчика износа может достигать 500 мТл в зависимости от материала магнита 3 и его геометрических размеров и полупроводниковая структура 4 находится в режиме генерации частотно-импульсного сигнала. Это проявление управляемой скачковой проводимости (-эффекта) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс 4. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувствительной полупроводниковой структуры 4 является способность не только воспринимать магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. При износе изнашивающегося элемента 2 уменьшается длина пленочного магнита 3,что эквивалентно уменьшению составляющей индукции магнитного поля , что, в свою очередь, приводит к уменьшению частотывыходного сигнала вых, снимаемого с резистора нагрузки н. При большой глубине износа , кода 30 мТл, выходной сигнал превращается в аналоговый в соответствие с 3. На фиг. 3 изображена типичная зависимость частотывыходного сигнала от тангенциальной составляющей индукции магнитного поля . По величинеоднозначно определяется глубина износа . В общем случае, например, если пленочный магнит 3 выполнен в форме прямоугольника, зависимостьсущественно нелинейна. При форме пленочного магнита 3, близкой трапеции, зависимостьзначительно более линейная,поэтому выполнение магнита 3 в форме трапеции является более предпочтительным. Таким образом, в предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительной полупроводниковой структуры 4 с -эффектом уменьшается число электронных компонент и проводов, реагирующих на электромагнитные помехи, и при этом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем усиления, что увеличивает помехозащишенность устройства в целом. Проведение измерений в непрерывном (а не дискретном) режиме повышает наряду с выходном сигналом высокой амплитуды точность измерений, т.е. решена поставленная задача. Заявляемая полезная модель относится к средствам контроля в машиностроении, в частности к технической диагностике машин и механизмов различного назначения, и преимущественно эффективно ее использовать для измерения текущего износа без нарушения целостности изнашивающихся элементов при установке устройства. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с по 4 102072014.08.30 мощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5