Устройство для измерения линейных перемещений

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее немагнитный корпус,в котором установлены магнитопроводы, расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров, магниточувствительный преобразователь измеряемого сигнала, расположенный неподвижно 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 немагнитный шток внутри конусообразной втулки и намагничен перпендикулярно оси перемещения указанного штока, отличающееся тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен в виде полупроводниковой структуры типа проводимости, обладающей-эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотноимпульсным выходными сигналами, которая подключена через нагрузочное электросопротивление к источнику питающего напряжения, выполненному с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к -области, а указанные корпус и шток выполнены содержащими многослойные чередующиеся тонкопленочные слои немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно.(56) 1. Патент 10450, МПК 01 7/00, 2004. 2. Патент 6381, МПК 01 7/00, 2004 (прототип). 3. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 4. А.с. СССР 1739402, МПК 01 29/06, 1992. 5. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196, 200. Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при разработке и функционировании автоматических систем управления механизмами и технологическими процессами, в том числе при автоматизированных измерениях линейных перемещений в сложных эксплуатационных условиях, например,при сильных уровнях электромагнитных помех. Известно устройство для измерения линейных перемещений, содержащее корпус, закрепленный в корпусе магниточувствительный элемент и расположенный с возможностью перемещения вдоль корпуса постоянный магнит 1. 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, причем 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. При этом усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь размещены в корпусе устройства с минимальным удалением от датчика Холла. Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость к внешним электромагнитным полям. Элемент Холла имеет малое изменение выходного сигнала,функционирует в аналоговом режиме, следовательно, обладает крайне низкой помехоустойчивостью к внешним электромагнитным полям и требует использование усилителя сигнала. Кроме того, само устройство вызывает высокий уровень наводимых магнитных помех, обусловленных магнитными полями рассеяния, вызванных незамкнутостью силовых линий магнитного поля цилиндрического магнита. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство для измерения линейных перемещений 2 (прототип), 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. Прототип 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 магни 2 101632014.06.30 топроводами, 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 прототипа является недостаточно высокая чувствительность вследствие небольшой величины выходного сигнала с элемента Холла, требующего применения схемы усиления сигнала. Кроме того, функционирование в аналоговом режиме характеризуется низкой помехоустойчивостью к внешним электромагнитным (помехам), особенно квазистатическим магнитным полям, и может вызвать ложный сигнал, что снижает надежность устройства в целом. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение надежности функционирования в сложных эксплуатационных условиях при сильных уровнях электромагнитных помех и значительное повышение помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Устройство для измерения линейных перемещений содержит немагнитный корпус, в котором установлены магнитопроводы, расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров, магниточувствительный преобразователь измеряемого сигнала, расположенный неподвижно 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 немагнитный шток внутри конусообразной втулки и намагничен перпендикулярно оси перемещения указанного штока. Оно отличается тем, что магниточувствительный преобразователь выполнен в виде полупроводниковой структуры типа проводимости, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая подключена через нагрузочное электросопротивление к источнику питающего напряжения, выполненному с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к р-области, а указанные корпус и шток выполнены содержащими многослойные чередующихся тонкопленочные слои немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно. 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. 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 поперечном разрезе. На фиг. 2 - электрическая схема подключения магниточувствительного преобразователя, обладающего -эффектом. 3 101632014.06.30 На фиг. 3 приведена зависимость частоты частотно-импульсного сигнала с магниточувствительного преобразователя от величины магнитной индукциии измеряемого перемещения по осисоответственно. Устройство для измерения линейных перемещений содержит немагнитный корпус 1, в котором установлены магнитопроводы 2, расположенные с возможностью образования их концами широкого и узкого зазоров, магниточувствительный преобразователь 3 с электрическими выводами 4, расположенный неподвижно в узком зазоре, постоянный магнит 5,выполненный со скошенными к узкому зазору углами, и фиксатор 6 магнитопровода 2,причем фиксатор магнитопровода выполнен из немагнитного материала в форме конусообразной втулки, магнитопроводы 2 размещены в направляющих посадочных прорезях,расположенных на диаметрально противоположных сторонах наружной поверхности конусообразной втулки, а постоянный магнит 5 посажен на подвижный немагнитный шток 7 внутри конусообразной втулки и намагничен перпендикулярно оси перемещенияштока 7. На внешнюю сторону корпуса 1, часть штока 7 и немагнитную прокладку 8 нанесены многослойные покрытия 9 (электромагнитный экран), состоящие из тонкопленочных немагнитных и магнитных чередующихся слоев, обладающих соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. Число слоев 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. Магнит 5 намагничен перпендикулярно перемещению штока 7, а малочувствительный преобразователь 3 выполнен в виде полупроводниковой структуры типа, обладающей-эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая расположена в узком зазоре магнитопроводов 2. Источник питающего напряжения малочувствительного преобразователя 3 выполнен с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питанияп подключен к -области. Выходной сигнал вых снимается с электросопротивления нагрузки н, величина которого выбирается исходя из параметров магниточувствительного преобразователя 3. Устройство для измерения линейных перемещений работает следующим образом. Вначале устройство калибруется. Для этого с помощью средств крепления штока 7 к перемещаемому механизму (не изображены) смещают шток 7 с магнитом 5 до оси(на максимальный рабочий ход штока), в этом положении величина индукции магнитного поля 0 в месте расположения магниточувствительного преобразователя 3 должна превышает 30 мТл (для некоторых типов преобразователей 50 мТл, чего добиваются, например,изменением ширины магнита или марки), т.е. устанавливают такую величину 0, при которой преобразователь 3 находится в режиме генерации частотно-импульсного сигнала(при меньшей величине индукции магнитного поля сигнал аналоговый) 3. Это явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) 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 магниточувствительного преобразова 4 101632014.06.30 теля 3 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. При перемещении штока 7 внутри фиксатора 6, выполненного в форме конусообразной втулки из немагнитного материала, изменяется величина зазора между постоянным магнитом 5 и магнитопроводами 2, что влечет за собой изменение индукции магнитного поля в узком зазоре магнитопровода 2 между его концами, что, в свою очередь, приводит к изменению частотывыходного сигнала с магниточувствительного преобразователя 3. На фиг. 3 изображена типичная зависимость частотывыходного сигнала от индукции магнитного поля в зазоре 0 и от величины перемещения магнита по оси . По величинеоднозначно определяется величина перемещения . Таким образом, использование в предложенной конструкции устройства магниточувствительного преобразователя 3, обладающего -эффектом, с большой амплитудой частотно-импульсного сигнала, не требующего усиления, а также экрана с многослойными чередующимися слоями с указанными физическими свойствами в комплексе обеспечивает повышение надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям, в том числе к квазистатическим магнитным. Этот вывод следует из того,что из литературных источников известен, например, многослойный пленочный экран,состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по 0,1 мкм, который обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 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 устройства 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 5. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивают возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана, что является кардинальным решением по обеспечению помехоустойчивости за счет электромагнитного экранирования или сверхэффектом. Следовательно, применение в конструкции устройства экрана, 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. В предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного преобразователя с -эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования, что исключает ложное срабатывание устройства при автоматическом измерении перемещений. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной комплексной задачи по повышению надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Заявляемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при разработке и функционировании автоматических систем управления механизмами и технологическими процессами, в том числе при автоматизированных из 5 101632014.06.30 мерениях линейных перемещений в сложных эксплуатационных условиях, например при сильных уровнях электромагнитных помех. 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 заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6