Датчик наклона

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Драпезо Александр Петрович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) 1. Датчик наклона, содержащий корпус в виде полого цилиндра с крышкой и основанием, подвешенный в нем на плоской подвеске маятник, на нижнем конце которого размещены два постоянных магнита, и размещенный в корпусе датчик Холла с платой обработки сигнала, отличающийся тем, что в средней части маятника в плоскости его колебаний размещен удлиненный цилиндрический магнит, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками, которая закреплена в корпусе неподвижно и через измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока,который через операционный усилитель подключен к плате обработки сигнала с датчика Холла, причем два постоянных магнита выполнены соприкасающимися друг с другом и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине датчика Холла. 17574 1 2013.10.30 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на корпус нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, причем внешний слой экрана заземлен. Заявляемое изобретение относится к маятниковым электронным датчикам наклона,построенным по компенсационному типу и предназначенных для контроля горизонтальности поверхности, в том числе в условиях внешних вибраций. Из уровня техники известен датчик наклона 1, конструкция которого состоит из герметичного корпуса, на крышке которого при помощи свободного подвеса укреплен постоянный магнит, выполняющий функцию маятника. Под действием сил притяжения земли магнит занимает строго вертикальное положение. На основании корпуса расположен датчик Холла (ДХ). Внутренняя полость корпуса заполнена демпфирующей жидкостью, в качестве которой используется силиконовое масло. При наклоне датчика относительно поверхности земли происходит поворот постоянного магнита на уголотносительно нормали к пластине Холла, что приводит к изменению величины индукции магнитного поля и, следовательно, к изменению (или появлению) сигнала. Недостатками этого датчика являются низкая точность определения угла наклона особенно при малых его значениях вследствие незначительного изменения индукции магнитного поля в этой области углов, значительная нелинейность выходной характеристики датчика и ее временная нестабильность из-за большого времени демпфирования колебаний жидкостью и практически невозможность проведения измерений в условиях внешних вибраций. Наиболее близким к заявляемому является электронный датчик наклона 2 маятникового типа (прототип), который предназначен для контроля горизонтальности поверхностей в пределах малых (менее 0,5) углов наклона. Он содержит герметичный корпус в виде полого цилиндра с крышкой и основанием, подвешенный в нем на плоской подвеске маятник, на нижнем конце которого размещены два постоянных магнита, которые расположены разноименными полюсами навстречу друг другу с зазором, а датчик Холла помещен в зазоре между магнитами. Основание имеет полость, в которой размещена плата со схемой обработки сигнала датчика Холла. С целью ослабления влияния колебаний маятника относительно положения равновесия корпус заполнен демпфирующей жидкостью,например маслом. Основание снабжено установочными опорными винтами для установки начального горизонтального положения. Схема обработки сигнала подключена к регистрирующему прибору, например к аналого-цифровому преобразователю. При изменении наклона контролируемой поверхности магниты смещаются относительно датчика Холла,в результате чего последний вырабатывает сигнал, который обрабатывается схемой и подается на регистрирующий прибор. При малых углах наклона он является линейной функцией угла наклона. Основным недостатком прототипа является низкая точность определения угла наклона из-за временной нестабильности выходной характеристики датчика вследствие большого времени демпфирования колебаний жидкостью и практически невозможность проведения измерений в условиях внешних вибраций. Кроме того, невозможно контролировать углы наклона, превышающие 0,5, что обусловлено расположением магнитов конструкции, которые ограничивают перемещение (угол поворота) маятника. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерения угла наклона. Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция датчика наклона. Датчик наклона содержит корпус в виде полого цилиндра с крышкой и основанием,подвешенный в нем на плоской подвеске маятник, на нижнем конце которого размеще 2 17574 1 2013.10.30 ны два постоянных магнита, и размещенный в корпусе датчик Холла с платой обработки сигнала. Он отличается тем, что в в средней части маятника в плоскости его колебаний размещен удлиненный цилиндрический магнит, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками, которая закреплена в корпусе неподвижно и через измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока, который через операционный усилитель подключен к плате обработки сигнала с датчика Холла, причем два постоянных магнита выполнены соприкасающимися друг с другом и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине датчика Холла. Также датчик отличается тем, что на корпус нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью,причем внешний слой экрана заземлен. По мнению авторов, датчик содержит ряд новых элементов, позволяющих реализовать значительное повышение точности измерения угла наклона. Анализ предлагаемого решения и известных показывает, что конструкция датчика позволяет осуществить компенсационный принцип измерения угла наклона, что и позволяет повысить точность измерений. А именно выводы катушки через измерительный резистор подключены к регулируемому источнику тока, который регулируется платой обработки сигнала с датчика Холла, и поэтому ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит таким образом, что при наклоне оно удерживает маятник в одной точке над датчиком Холла, соответствующей переходу индукции магнитного поля, вызванного полюсами двух магнитов, расположенных в нижней части маятника, через нуль. При этом осуществляется компенсация составляющей силы тяжести маятника силовым взаимодействием тока катушки и удлиненного цилиндрического магнита в ней. Сигнал снимается с измерительного резистора. При этом демпфирование колебаний маятника за счет использования электроники является более лучшим(активное демпфирование), чем механическое или жидкостное демпфирование, что в итоге позволяет использовать датчик при наложении внешних вибраций. Кроме того, в отличие от прототипа и известных аналогов предлагаемая конструкция датчика наклона обладает повышенной помехозащищенностью от внешних магнитных и электромагнитных полей, что также значительно увеличивает точность измерений. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого датчика, показал, что заявляемый датчик соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Рассмотрим подробно причины, лежащие в основе увеличения помехозащищенности,что в комплексе с компенсационным принципом измерения позволяет получит сверхэффект, т.е. значительно увеличить точность измерений. В соответствии с известными рекомендациями по проектированию экранирующих оболочек и конструкций 3 их необходимо заземлять, что и предусмотрено в предложенном техническом решении, особенно если датчик наклона эксплуатируется в устройствах с транспортными энергоустановками, так как в противном случае сама оболочка может явиться источником помехонесущего электромагнитного поля нежелательного частотного диапазона (при невозможности заземления осуществляется электрическое соединение с корпусом транспортного средства). Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного экрана. Известно 3, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей большой интенсивности применяются многослойные экраны как с целью повышения эффективности экранирования, так и с целью более рационального их конструирования (уменьшения массы и габаритов экрана). Слои из ферромагнитного и немагнитного материалов выполнены че 3 17574 1 2013.10.30 редующимися, поскольку чередование слоев с разными волновыми сопротивлениями приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в поперечном сечении стенок. В экране датчика используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов, и происходит вытеснение магнитных силовых линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный. Следует отметить, что форма экрана сравнительно мало влияет на его экранирующие функции. Таким образом, применение в датчике наклона многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает значительное повышение его помехозащищенности от внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля, что в итоге обеспечивает решение поставленной задачи по увеличению точности измерений. Из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран из 15-20 слоев обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м - не менее 8-10 а коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000 000 Гц - не менее 30-40. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции датчика 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 обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 представлено изображение датчика наклона в разрезе вдоль оси симметрии корпуса. На фиг. 2 изображено распределение нормальной составляющей индукции магнитного поляот двух постоянных магнитов, размещенных на нижнем конце маятника вдоль оси колебанийпри расстоянии до датчика Холла 0,5 мм. Длина, ширина и высота магнитов равна 5 мм. Магниты - марки 5 с удельной энергией 20. Координата- точка перехода индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е.0. Рабочая область колебаний маятника находится вблизи точки Хо и не выходит за область линейности функции . На фиг. 3 приведена электронная функциональная схема датчика наклона. При этом ЭДС, снимаемая с датчика Холла , подается на операционный усилитель 1, выход которого подключен к регулируемому источнику тока (усилителю мощности на транзисторах 1 и 2). Датчик содержит корпус 1 в виде полого цилиндра с крышкой 2 и основанием 3, подвешенный в нем на плоской подвеске 4 (лента из бериллевой бронзы толщиной не более 0,1 мм) маятник 5 на Т-образной планке 6, на нижнем конце маятника 4 размещены два миниатюрных постоянных магнита 7 и 8, которые соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине Холла. Датчик Холла 9 размещен в корпусе на электронной плате обработки сигнала 10, установленной на основании корпуса 3. В средней части маятника 5 в плоскости его колебаний размещен удлиненный цилиндрический магнит 11, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки 12 с витками (число витковнаходится в диапазоне 1000-2000), которая закреплена в корпусе 1 неподвижно и через измерительный резистор м подключена к регулируемому источнику тока (усилителю мощности на транзисторах 1 и 2) в соответствии с электронной функциональной схемой датчика наклона, изображенной на фиг. 3,который регулируется платой обработки сигнала с датчика Холла 9 при помощи операци 4 17574 1 2013.10.30 онного усилителя ОУ. На корпус 1 нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися ферромагнитными 13 и немагнитными 14 слоями, обладающими соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, причем внешний слой экрана заземлен. (На фиг. 1 изображено только два слоя 13 и 14, но реальное их количество составляет около 20). Чередующиеся слои легко изготавливаются электролитическим осаждением, например из пермаллоя состава 80 -20(слой 13) и- следующий слой и т.д., толщиной не менее 0,1 мм. Выбор материалов чередующихся слоев магнитный - немагнитный может быть и другим, но он ограничивается требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью. Основание 3 снабжено установочными опорными винтами 15 для установки начального горизонтального положения. Датчик работает следующим образом. Вначале установочными опорными винтами 15 устанавливается начальное горизонтальное положение, при этом выходной сигнал ,снимаемый с измерительного резистора м, соответствует величине, установленной при калибровке датчика на горизонтальном стенде, и без ограничения общности можно считать 0, а маятник находится над датчиком Холла в точке . При наклоне датчика на угол , т.е. когда вектор силы тяжестисоставляет с вертикалью (осью цилиндрического корпуса) угол , на маятник воздействует отклоняющая сила, пропорциональная . При отклонении маятника от исходного состояния с координатойдатчик Холла 9 вырабатывает ЭДС разбаланса , которая подается на операционный усилитель 1, и после усиления с помощью транзисторов 1 и 2 регулируется ток комп. Таким образом, управляющий ток комп, вырабатываемый платой 10, проходящий через катушку с витками 12, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит 11 таким образом, что при наклоне оно удерживает после быстрого затухания колебаний маятник 5 в одной точке с координатойнад датчиком Холла,соответствующей переходу индукции магнитного поля через нуль, по линии смены полюсами двух магнитов, расположенных в нижней части маятника. При этом осуществляется полная компенсация составляющей силы тяжести маятника силовым взаимодействием тока катушки и удлиненного цилиндрического магнита 11 в ней. Следует отметить, что демпфирование колебаний маятника за счет использования электроники является более предпочтительным, чем механическое или жидкостное демпфирование. Сигнал, снимаемый с измерительного резистора м, пропорционален , т.е. при небольших углахв диапазоне от -15 до 15 является достаточно линейным. При больших углах наклона целесообразно использовать микропроцессорную обработку выходного сигнала датчика наклона. Исходя из вышеизложенного, для заявленного датчика в том виде, как он охарактеризован в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. Принципы функционирования основных изделий микромагнитоэлектроники / Под общей ред. доктора физ.-мат. наук,профессора В.Н.Мордковича. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с., ил. 2. Свидетельствона полезную модель 15603 1, МПК 701 9/12, 2000 (прототип). 3. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196-200. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6