Датчик угла отклонения от вертикали

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК УГЛА ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ВЕРТИКАЛИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Датчик угла отклонения от вертикали, содержащий немагнитный корпус с крышкой,установленный в нем на шаровом подвесе маятник с постоянным магнитом, магниточувствительную микросхему, размещенную в непосредственной близости от указанного магнита, отличающийся тем, что корпус содержит демпфирующие механические колебания маятника вещества жидкость или инертный газ, например масло или гелий соответственно,причем снаружи указанный корпус охвачен многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, а шар шарового подвеса маятника выполнен магнитным из материала с высоким значением удельной магнитной энергии, например изили 5 с намагниченностью, параллельной или антипараллельной вектору силы тяжести, а указанная магниточувствительная микросхема выполнена на основе полупроводниковой структуры типа, Фиг. 1 91852013.04.30 обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой с возможностью генерации частотно-импульсного сигнала при величине индукции магнитного поля в области расположения указанной полупроводниковой структуры, превышающей 50 мТл, и аналогового сигнала при меньшей величине индукции магнитного поля.(56) 1. Свидетельство на полезную модель 15603 1, МПК 701 9/12, 2000. 2. Патент 202192, МПК 60 25/00, 1994. 3. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с.(прототип). 4. Приборы на основе управляемой скачковой проводимости. Электронный ресурс. Сайт в интернете // 5. А.с.1739402, МПК 01 29/06, 1992. 6. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 224. Заявляемая полезная модель относится к приборостроению и предназначена для измерения углов отклонения от вертикали различных устройств и объектов, например, в системах безопасности различных платформ, для измерения углов наклона гидротехнических сооружений, в системах мониторинга различных зданий и сооружений, в том числе в условиях внешних электромагнитных помех Из уровня техники известен электронный датчик угла наклона 1 маятникового типа,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 этого датчика является узкий диапазон измеряемых углов наклона, не превышающий 0,5, что обусловлено расположением магнитов конструкции,которые ограничивают перемещение (угол поворота) маятника, а также низкая помехозащищенность в условиях внешних электромагнитных помех. Известен противоугонный датчик положения транспортного средства 2 маятникового типа, содержащий корпус, груз-маятник и электромагнитный узел фиксации подвеса,снабжен арретиром маятника. Арретир выполнен в виде электромагнита с подпружиненным сердечником, а груз-маятник - двуплечим. Шарнир корпуса датчика в месте крепления его с корпусом транспортного средства является шаровым подвесом. Оба электромагнита в дежурном режиме обесточены. При отклонении транспортного средства от вертикального положения маятник замыкает электрический контакт, что вызывает формирование тревожного сигнала и блокировку двигателя стартера. 2 91852013.04.30 Недостатком датчика положения транспортного средства 2 является отсутствие непрерывности измерения угла отклонения от вертикали, т.к. срабатывание устройства осуществляется дискретно при достижении установленного значения угла отклонения транспортного средства от вертикали. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является магнитный датчик наклона 3 (прототип) маятникового типа. Управляющим элементом датчика служит постоянный магнит, укрепленный в корпусе на шаровом подвесе, а в качестве чувствительного элемента использована магнитоуправляемая интегральная микросхема, функционирующая на эффекте Холла. При повороте контролируемого объекта на уголот вертикали магнит всегда будет стремиться занять строго вертикальное положение. Совпадение осей магнита и вертикали приводит к срабатыванию (или отпусканию) микросхемы. При использовании магниточувствительной интегральной микросхемы схемы данное устройство также может быть использовано в качестве электронного уровня. Недостатком прототипа является отсутствие демпфирования маятника, что приводит к значительному увеличению времени измерения, а также узкий диапазон измерения углов отклонения от вертикали, обусловленный неоднозначностью зависимости угла поворота корпуса на уголот величины индукции магнитного поля в месте расположения магниточувствительной микросхемы. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является расширение диапазона измерения угла отклонения от вертикали и повышение помехоустойчивости в условиях внешних сильных квазистатических электромагнитных помех. Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция датчика угла отклонения от вертикали. Датчик угла отклонения от вертикали содержит немагнитный корпус с крышкой, установленный в нем на шаровом подвесе маятник с постоянным магнитом, магниточувствительную микросхему, размещенную в непосредственной близости от указанного магнита. Он отличается тем, что корпус содержит демпфирующие механические колебания маятника вещества жидкость или инертный газ, например масло или гелий соответственно,причем снаружи указанный корпус охвачен многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, а шар шарового подвеса маятника выполнен магнитным из материала с высоким значением удельной магнитной энергии, например изили 5 с намагниченностью, параллельной или антипараллельной вектору силы тяжести, а указанная магниточувствительная микросхема выполнена на основе полупроводниковой структуры типа,обладающей -эффектом 4, 5 и -образной вольт-амперной характеристикой с возможностью генерации частотно-импульсного сигнала при величине индукции магнитного поля в области расположения указанной полупроводниковой структуры, превышающей 50 мТл, и аналогового сигнала при меньшей величине индукции магнитного поля. По мнению авторов, полезная модель содержит ряд указанных выше новых элементов,позволяющих реализовать решение поставленной задачи. Также, в отличие от прототипа и известных аналогов, предлагаемая конструкция датчика угла отклонения от вертикали обладает повышенной помехозащищенностью от внешних магнитных и электромагнитных полей из-за выполнения внешней стороны корпуса датчика с электромагнитным экраном в виде чередующихся немагнитных и ферромагнитных слоев, обладающих соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. 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 задачи в заявляемой полезной модели. Анализ уровня техники, включающий поиск по па 3 91852013.04.30 тентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого датчика, показал, что заявляемый датчик соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображен датчик угла отклонения от вертикали. На фиг. 2 приведена функциональная электрическая схема подключения полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом. На фиг. 3 приведена зависимость аналогового выходного сигнала и частотно-импульсного сигнала частотойот величины угла отклоненияот вертикали (чувствительность к магнитному полю в аналоговом режиме 50 /Тл и зависит от напряжения питания, а в частотно-импульсном режиме 100 кГц/Тл соответственно). Магнит изс удельной энергией 40 радиусом 10 мм. Полупроводниковая структура расположена на расстоянии 2 мм от поверхности шарового магнита. Датчик угла отклонения от вертикали содержит герметичный немагнитный корпус 1 в виде полого цилиндра с крышкой 2. Внутри корпуса 1 находится демпфирующее механические колебания вещество 3 жидкость или инертный газ, например масло или гелий соответственно. Снаружи корпус 1 с крышкой 2 охвачен многослойным пленочным электромагнитным экраном с чередующимися немагнитными 4 и ферромагнитными слоями 5,обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. В крышке 2 установлен герморазьем 6 для вывода электрических проводов. К крышке 2 неподвижно крепится держатель 7, оканчивающийся установленной магниточувствительной микросхемой на основе полупроводниковой структуры 8 -типа, обладающей -эффектом 4, 5 и -образной вольт-амперной характеристикой. Способ формирования - и -областей полупроводниковой структуры подробно описан в 5. Такие структуры поставляются фирмой, Россия, г. Москва (Институт проблем управления). Полупроводниковая структура, обладающая -эффектом, через тонкопленочный резистор нагрузки н подключена к источнику постоянного питающего напряжения п (источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС, обычно 5-25 ) с соблюдением полярности, как представлено на фиг. 2. Плюс источника питания подключен к -области. На стойках 9, крепящихся к корпусу 1 установлен шаровой подвес, состоящий из шара 10 и стержня 11. Стержень 11 и груз 12,выполненный с возможностью установки на определенной длине стержня 11 и его фиксации, образуют маятник. Шар 10 шарового подвеса маятника выполнен магнитным из материала с высоким значением удельной магнитной энергии, например изили 5 с намагниченностью , параллельной или антипараллельной вектору силы тяжести . Основание корпуса 1 снабжено установочными опорными винтами 13 для установки начального горизонтального положения при калибровке, когда поверхность 14 (на стенде) строго горизонтальна, а осьвертикальна. Полупроводниковая структура 8 установлена так, чтобы плоскость раздела областей была перпендикулярна , что соответствует нулевому значению выходного сигнала вых, поскольку при вертикальном расположении осизначение индукции магнитного поля 0, амаксимально. Датчик угла отклонения от вертикали работает следующим образом. При наклоне датчика на угол , т.е. когда осьсоставляет с вертикалью (вектором ) угол , колебания маятника демпфируются жидкостью или газом 3, наполняющим корпус 1. После установления равновесия и малых углах отклонения от вертикали выходной сигнал вых является аналоговым при 50 мТл и пропорциональным величине , поскольку полупроводниковая структура 8 чувствительна к этой компоненте индукции магнитного поля и практически нечувствительна к . По величине вых (или ) определяется искомый уголв соответствии с фиг. 3. При увеличении 50 мТл (измеряемого угла ) функционирование полупроводниковой структуры 8 переходит в режим генерации частотноимпульсного сигнала с частотой , пропорциональной . При чувствительности к маг 4 91852013.04.30 нитному полю 100 Гц/Тл начальная частота составляет 5 кГц и конечная ограничивается 100 кГц. При 1000 мТл частотапрактически не зависит от величины , следовательно, измерение угланевозможно. При (501000)мТл частотапропорциональна, по величине которой определяется угол отклонения от вертикали, т.е. угол . Следует отметить, что 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 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольтамперной 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 полупроводниковой структуры 8 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем, что позволяет ее рассматривать как магниточувствительную микросхему. Следовательно, решение поставленной задачи достигается за счет двух эффектов. В предложенном датчике вследствие применения магниточувствительной микросхемы с-эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования, а использованная конструкция шарообразного магнита, выполняющего функцию шарового подвеса, позволяет создать сильное магнитное поле, на несколько порядков превышающее уровни электромагнитных помех. Кроме того, используется принцип эффективного экранирования электромагнитных помех, в том числе квазистатических за счет использования чередующихся слоев, выполненных из ферромагнитного и немагнитного материалов. Известно 6, что 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 устройстве многослойного экрана,содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью,обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению его помехозащищенности от внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля, а следовательно, повышается надежность устройства в целом. Из литературных источников известно, что многослойный пленочный экран обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м - не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-1000000 Гц - не менее 30-40. 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6