Вибро и помехоустойчивый датчик линейного перемещения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ВИБРО- И ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Вибро- и помехоустойчивый датчик линейного перемещения, содержащий немагнитный корпус, в нем крепление в виде кронштейна из немагнитного материала, закрепленный в корпусе магниточувствительный преобразователь Холла и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит, вектор намагниченности которого параллелен направлению перемещения, причем корпус выполнен с направляющими, в которых расположен с возможностью осевого перемещения внутри корпуса цилиндрический измерительный шток из немагнитного материала, на котором размещен указанный постоянный магнит упомянутый преобразователь Холла связан с усилителем и аналого-цифровым преобразователем сигнала, механически жестко закреплен над центром симметрии постоянного магнита, а усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь размещены в корпусе датчика с минимальным удалением от преобразователя Холла, отличающийся тем, что датчик преобразователь Холла размещен на среднем выступе Ш-образного магнитомягкого концентратора магнитного потока, выполненного с двумя круглыми проушинами по бокам, охватывающими указанный измерительный шток,а у полюсов упомянутого постоянного магнита расположены два дискообразных магнитопровода, скрепленных со штоком и выполненных с возможностью перемещения внутри проушин указанного Ш-образного концентратора, причем длина магнита равна расстоянию между проушиной и средним выступом концентратора, а ширина дискообразного 101312014.06.30 магнитопровода вдоль оси перемещения равна ширине проушины концентратора и ширине среднего выступа концентратора соответственно на корпус датчика нанесен многослойный пленочный экран, содержащий чередующиеся тонкопленочные ферромагнитные и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью.(56) 1. Патент 6381, МПК 01 В 7/00, 2004. 2. Патент 10450, МПК 01 В 7/00, 2008. 3. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988 - С. 196, 200. Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при разработке и функционировании в автоматических системах управления механизмами и технологическими процессами, в том числе при автоматизированных измерениях линейных перемещений в сложных эксплуатационных условиях,например при сильных уровнях электромагнитных помех и вибрационных воздействий. Известно устройство для измерения линейных перемещений 1, содержащее корпус, в котором установлены магнитопроводы, расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров, преобразователь Холла с усилителем измеряемого сигнала, расположенный в узком зазоре, постоянный магнит и фиксатор магнитопровода,причем фиксатор магнитопровода выполнен из немагнитного материала в форме конусообразной втулки, магнитопроводы размещены в направляющих посадочных прорезях,расположенных на диаметрально противоположных сторонах наружной поверхности конусообразной втулки, а постоянный магнит посажен на подвижный шток внутри конусообразной втулки. Устройство работает следующим образом. При включении напряжения питания через преобразователь Холла протекает электрический ток. Под действием магнитного поля в узком зазоре между концами магнитопровода на холловских выходах преобразователя Холла возникает ЭДС Холла, которая является измеряемым сигналом. При перемещении штока внутри фиксатора, выполненного в форме конусообразной втулки из немагнитного материала, изменяется величина зазора между указанным постоянным магнитом и магнитопроводами, что влечет за собой изменение индукции магнитного поля в узком зазоре магнитопровода между его концами, что, в свою очередь, приводит к изменению величины выходного сигнала с преобразователя Холла. Недостатком 1 является недостаточно высокая чувствительность, обусловленная низким значением градиента индукции магнитного поля в направлении перемещения штока с магнитом. Кроме того, отсутствие электромагнитного экранирования не позволяет устройству корректно функционировать в условиях сильных электромагнитных помех,особенно наводимых квазистатическими магнитными полями. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения линейных перемещений 2, содержащее корпус, закрепленный в корпусе магниточувствительный элемент и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит, причем 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 маг 2 101312014.06.30 ниточувствительный элемент выполнен в виде преобразователя Холла, который связан с усилителем и аналого-цифровым преобразователем сигнала, размещен на кронштейне из немагнитного материала над центром симметрии постоянного магнита, а усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь размещены в корпусе устройства с минимальным удалением от преобразователя Холла (прототип). Недостатком прототипа является низкая чувствительность, обусловленная малым значением градиента индукции магнитного поля в направлении перемещения штока с магнитом. Отсутствие электромагнитного экранирования не позволяет устройству корректно функционировать в условиях сильных электромагнитных помех, особенно наводимых квазистатическими магнитными полями. Кроме того, виброперемещения вдоль нормали к пластине преобразователя Холла вызывают значительные изменения выходного сигнала вследствие люфта поперек перемещения штока и, соответственно, изменения величины компоненты индукции магнитного поля, воздействующего на преобразователь Холла. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение чувствительности к перемещению, расширение рабочего диапазона и увеличение вибро- и помехоустойчивости датчика. Вибро- и помехоустойчивый датчик линейного перемещения содержит немагнитный корпус, в нем крепление в виде кронштейна из немагнитного материала, закрепленныйв корпусе магниточувствительный преобразователь Холла и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит, вектор намагниченности которого параллелен направлению перемещения, причем корпус выполнен с направляющими, в которых расположен с возможностью осевого перемещения внутри корпуса цилиндрический измерительный шток из немагнитного материала, на котором размещен указанный постоянный магнит упомянутый преобразователь Холла связан с усилителем и аналогоцифровым преобразователем сигнала, механически жестко закреплен над центром симметрии постоянного магнита, а усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь размещены в корпусе датчика с минимальным удалением от преобразователя Холла. Он отличается тем, что преобразователь Холла размещен на среднем выступе Ш-образного магнитомягкого концентратора магнитного потока, выполненного с двумя круглыми проушинами по бокам, охватывающими указанный измерительный шток, а у полюсов упомянутого постоянного магнита расположены два дискообразных магнитопровода, скрепленных со штоком и выполненных с возможностью перемещения внутри проушин указанного Ш-образного концентратора, причем длина магнита равна расстоянию между проушиной и средним выступом концентратора, а ширина дискообразного магнитопровода вдоль оси перемещения равна ширине проушины концентратора и ширине среднего выступа концентратора соответственно на корпус датчика нанесен многослойный пленочный экран, содержащий чередующиеся тонкопленочные ферромагнитные и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью. 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 датчике, изложенных в формуле. Следовательно, 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 в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. 101312014.06.30 По мнению авторов, вибро- и помехоустойчивый датчик линейного перемещения 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 изображен предложенный вибро- и помехоустойчивый датчик линейного перемещения (функциональная схема). На фиг. 2 представлено сечение концентратора магнитного потока в плоскости, перпендикулярной оси перемещения штока. На фиг. 3 представлен график зависимости магнитной индукции , измеряемой преобразователем Холла, от перемещения величины перемещения магнита , перпендикулярной оси симметрии . Длина магнита 15 мм,3 мм. Вибро- и помехоустойчивый датчик линейного перемещения содержит немагнитный корпус 1 с крышкой 2, в нем крепление в виде кронштейна из немагнитного материала 3,закрепленный в корпусе магниточувствительный преобразователь Холла 4 и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит 5, вектор намагниченности которого параллелен направлению перемещения (оси ), причем корпус 1 выполнен с направляющими (не изображены), в которых расположен с возможностью осевого перемещения внутри корпуса цилиндрический измерительный шток из немагнитного материала 6, на котором размещен постоянный магнит 5 преобразователь Холла 4 связан с усилителем 7 и аналого-цифровым преобразователем сигнала 8, механически жестко закреплен над центром симметрии постоянного магнита 5, а усилитель сигнала 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 размещены в корпусе датчика 1 с минимальным удалением от преобразователя Холла 4. Преобразователь Холла 4 размещен на среднем выступе Ш-образного магнитомягкого концентратора магнитного потока 9, выполненного с двумя круглыми проушинами по бокам, охватывающими измерительный шток 6, а у полюсов постоянного магнита 5 расположены два дискообразных магнитопровода 10, скрепленных со штоком и выполненных с возможностью перемещения внутри проушин Ш-образного концентратора 9, причем длина магнита 5 равна расстоянию между проушиной и средним выступом концентратора 9, а ширина дискообразного магнитопровода 10 вдоль оси перемещенияравна ширине проушины концентратора 9 и ширине среднего выступа концентратора соответственно на корпус датчика 1 нанесен многослойный пленочный экран 11, содержащий чередующиеся тонкопленочные ферромагнитные и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью. Следует отметить, что число тонкопленочных слоев пленочного экрана 11 должно быть не менее 20 и может ограничиваться только технологией нанесения. Чередующиеся слои легко изготавливаются известной технологией электролитического осаждения, например,и пермаллоя соответственно. Выбор материалов чередующихся слоев немагнитный магнитный может быть и другим, но он ограничивается только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных слоев (нанослоев),обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования электромагнитного поля и практически не влияющие на массу экрана в целом. Кроме того, из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран 11, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев толщиной по 0,1 мкм, обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 101312014.06.30 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-100000 Гц не менее 30-40. Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. 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 3. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивают возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана 11,что является кардинальным решением по обеспечению помехоустойчивости за счет электромагнитного экранирования, в том числе квазистатических магнитных полей, или сверхэффектом. Вибро- и помехоустойчивый датчик линейного перемещения работает следующим образом. При симметричном расположении магнита относительно оси симметриивыходной сигнал с преобразователя Холла 4 равен нулю, поскольку индукция магнитного поля ,направленная по нормали к пластине преобразователя Холла 4, равна нулю. Если измерительный шток 6, связанный с механизмом (не изображено), перемещение которогонеобходимо контролировать, смещается вместе с магнитом 5 по оси , величина индукции магнитного поля В соответственно увеличивается или уменьшается линейным образом в соответствии с фиг. 3. При смещении на величину (/2) величина индукции магнитного поля В принимает соответственно максимальное и минимальное значения. Следовательно,рабочая область измерения линейного перемещения датчика ограничивается диапазоном от - досоответственно. Сигнал с преобразователя Холла 4 поступает в усилитель 7, с которого в аналого-цифровой преобразователь 8, размещенный в корпусе датчика 1 с минимальным удалением от преобразователя Холла 4. Далее выходной сигнал может быть подан, например, на вход компьютера или другого регистрирующего цифрового прибора(не изображено). По величине сигнала с преобразователя Холла 4 определяется искомое перемещение . В итоге применение в конструкции датчика многослойного экрана 11, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению помехоустойчивости за счет пассивного подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля, а использование магнитомягкого концентратора магнитного потока 9 позволяет значительно увеличить градиент индукции магнитного поля по сравнению с прототипом, следовательно, и чувствительность предложенного датчика к перемещению и расширить рабочий диапазон контролируемого перемещения без увеличения длины магнита 5. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной комплексной задачи по повышению магнитной чувствительности (вследствие применения концентратора магнитного потока, значительно повышающего градиент магнитного поля) и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям (из-за экрана 11), а также расширению рабочего диапазона измеряемого линейного перемещения до 2, значительному уменьшению зависимости выходного сигнала от вибровоздействий,в том числе перпендикулярных оси перемещения . Последнее обусловлено тем, что при смещении измерительного штока 6 по оси(худший вариант вибровоздействий), магнитная проводимость между магнитом 5 и проушиной концентратора магнитного потока 9 не изменяется вследствие того, что увеличение одного отрезка по осив проушине ком 5 101312014.06.30 пенсируется уменьшением другого отрезка, расположенного в проушине диаметрально противоположно. Аналогичный эффект наблюдается и при других направлениях виброперемещений. Поэтому заявляемая полезная модель может быть эффективно использована при разработке и функционировании в автоматических системах управления механизмами и технологическими процессами, в том числе при автоматизированных измерениях линейных перемещений в сложных эксплуатационных условиях, например при сильных уровнях электромагнитных помех и вибрационных воздействий. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6