Датчик линейных перемещений

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Датчик линейных перемещений, содержащий магнитную систему и магниточувствительный измерительный преобразователь, выполненные с возможностью взаимного перемещения относительно друг друга, причем магнитная система содержит две пары постоянных магнитов, установленных со встречно-параллельным направлением магнитных осей, с заданным промежутком и с одинаковым воздушным зазором между каждой парой магнитов, внутри которого расположен магниточувствительный измерительный преобразователь, который содержит бистабильный магнитный элемент, выполненный в виде проволоки Виганда, расположенный в цилиндрической перемагничивающей катушке с электрическими проводами, подключенными к генератору периодического пилообразного сигнала, и измерительную катушку, выполненную с возможностью магнитной связи с указанным бистабильным магнитным элементом, расположенную параллельно перемагничивающей катушке в непосредственной близости от нее или намотанную на указанную 18627 1 2014.10.30 перемагничивающую катушку, причем измерительная катушка подключена к фазометру совместно с источником опорного напряжения генератора магнитная система и магниточувствительный преобразователь выполнены в едином немагнитном корпусе, поверх которого нанесен многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными и ферромагнитными слоями, обладающими соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью, а внешний слой экрана заземлен. Заявляемое изобретение относится к приборостроению, а именно к области измерений миллиметровых и сантиметровых перемещений, и предназначено для преобразования линейного перемещения в пропорциональный ему фазовый сдвиг между выходным напряжением и опорным напряжением генератора. Известен датчик перемещений 1, содержащий информационную линейку, состоящую из магнитопровода с зубцами равной длины, магнитный шунт из ферромагнитного материала, способный перемещаться вдоль магнитопровода. На зубцы магнитопровода уложены три обмотки, активные стороны которых расположены параллельно оси информационной линейки. Количество витков одной из обмоток изменяется по синусоидальному закону в зависимости от порядкового номера зубца. Количество витков второй обмотки изменяется по косинусоидальному закону. Количество витков третьей обмотки одинаково на всех зубцах, и она охватывает количество зубцов, равное периоду укладки синусной и косинусной обмотки. Две обмотки - синусная и косинусная - подключены к шинам двухфазного источника синусоидального напряжения. Третья обмотка является выходной и подключена к выходным шинам датчика. Начальная фаза синусоидального напряжения на шинах выходной обмотки изменяется пропорционально перемещению магнитного шунта. Приведены формулы расчета количества витков в зависимости от порядкового номера зубца. При практической реализации обмоток расчетное количество витков, которое чаще всего является дробным числом (как признают авторы 1), округляется до целого значения. Описанный датчик перемещений обладает низкой точностью измерений из-за дискретности зубцов магнитопровода и невозможности реализации изменения количества витков строго по гармоническому закону и практически является очень сложным изделием при его изготовлении и калибровке. Из уровня техники известен датчик линейных перемещений 2, который функционирует на эффекте Виганда. Он содержит неподвижную немагнитную полую трубку, вдоль которой проходит проволока Виганда, и намотанные поверх трубки три катушки из обыкновенной проволоки. Перемещаемый в непосредственной близости от трубки электромагнит создает переменное магнитное поле (60 Гц), вызывающее локальное перемагничивание сегментов проволоки Виганда. Поскольку перемагничивание проволоки Виганда происходит скачком, то в соответствующей катушке под полюсами электромагнита генерируется за один цикл перемагничивания два больших импульса ЭДС (один положительной полярности и один отрицательной полярности) и соответственно два разнополярных импульса маленькой амплитуды, которые при обработке электронной схемой сигналов не используются. В одном варианте электронной схемы могут находиться светодиоды, загорающиеся от сигнала соответствующей катушки при прохождении электромагнита. В одном из вариантов используется выполнение немагнитной трубки подвижной. Этот датчик имеет низкую помехоустойчивость от магнитных полей, соосных оси трубки, поскольку проволока Виганда длинная, а значит, обладает низким размагничивающим фактором, т.е. сердцевина проволоки способна значительно усиливать случайное магнитное поле помехи, соосное трубке, что может вызвать ложное срабатывание. Точность измерений низкая из-за дискретного количества измерительных катушек. 2 18627 1 2014.10.30 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик малого перемещения сканирующего объекта 3. Устройство содержит магнитную систему, установленную на сканирующем объекте сканера, и магниточувствительный измерительный преобразователь (элемент Холла), выполненные с возможностью взаимного перемещения относительно друг друга, и блок обработки измерительной информации(блок электроники), подключенный к выходу магниточувствительного измерительного преобразователя, а магнитная система содержит две пары постоянных магнитов со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, причем магниты расположены с заданным промежутком между парами магнитов и с одинаковым воздушным зазором между каждой парой магнитов, внутри которого перпендикулярно к магнитным осям расположен магниточувствительный измерительный преобразователь на элементе Холла. На выходе элемента Холла генерируется аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию смещения элемента Холла в магнитной системе, поскольку в ее центральной области градиент индукции магнитного поля практически постоянен. Описанное устройство (прототип) при его использовании в качестве датчика линейных перемещений обладает низкой помехоустойчивостью к квазистатическим магнитным полям, например полям рассеяния, из-за того, что подвижные и неподвижные части устройства разъедены и не экранизированы, а также на ЭДС полупроводникового элемента Холла влияют изменения температуры, давления, некоторые виды излучений и другие факторы, что снижает точность измерения аналогового сигнала. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение помехоустойчивости и точности измерений. Датчик линейных перемещений содержит магнитную систему и магнитоустойчивый измерительный преобразователь, выполненные с возможностью взаимного перемещения относительно друг друга, причем магнитная система содержит две пары постоянных магнитов, установленных со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей с заданным промежутком и с одинаковым воздушным зазором между каждой парой магнитов, внутри которого расположен магниточувствительный измерительный преобразователь. По мнению авторов, он отличается тем, что магниточувствительный измерительный преобразователь содержит бистабильный магнитный элемент, выполненный в виде проволоки Виганда, расположенный в цилиндрической перемагничивающей катушке с электрическими проводами, подключенными к генератору периодического сигнала, и измерительную катушку, выполненную с возможностью магнитной связи с указанным бистабильным магнитным элементом, расположенную параллельно перемагничивающей катушке в непосредственной близости от нее или намотанную на указанную перемагничивающую катушку, причем измерительная катушка подключена к фазометру совместно с источником опорного напряжения генератора, магнитная система и магниточувствительный преобразователь выполнены в едином немагнитном корпусе, поверх которого 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 линейных перемещений содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению помехоустойчивости и точности измерений перемещения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию новизна. Решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие эффекта Виганда в измерительной катушке генерируется выходной периодический электрический сигнал в виде двух разнополярных импульсов высокой амплитуды 5-7 В, временной интервал между которыми является линейной функцией величины напряженности (индукции) магнитного поля, создаваемой магнитной системой в 3 18627 1 2014.10.30 месте расположения бистабильного магнитного элемента, т.е. линейное перемещение преобразуется в пропорциональный ему фазовый сдвиг между выходным напряжением и опорным напряжением генератора. Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного экрана. Известно 4, что при экранировании магнитной напряженности низкочастотных электромагнитных полей 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 чередующимися, 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 положения зуба зубчатого колеса 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. 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 100-1000 000 Гц не менее 30-40. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемого изобретения, 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 изобретения. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции дискретного 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 заявляемом изобретении, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 схематично изображен датчик линейных перемещений с электрической схемой подкючения. На фиг. 2 представлена схема формирования импульсов ЭДС Виганда и перемагничивающего поля(амплитудой ) при перемагничивании бистабильного магнитного элемента как функция времени(т.е. принцип преобразования магнитного поля магнитов во временной интервал ). На фиг. 3 приведен выходной сигнал, поступающий на фазометр от измерительной катушки. Датчик линейных перемещений содержит немагнитный корпус 1, поверх которого нанесен (например, электролитическим методом) многослойный пленочный экран с чередующимися немагнитными 2 и ферромагнитными слоями 3, обладающими соответст 4 18627 1 2014.10.30 венно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью,причем внешний слой экрана заземлен (изображено несколько слоев, причем толщина слоя 3-5 мкм, а их рекомендуемое число не менее 30). Внутри корпуса 1 размещена неподвижно магнитная система, состоящая из двух пар постоянных магнитов 4, 5 и 6, 7 со встречно-параллельным направлением своих магнитных осей, причем магниты расположены с заданным промежутком между парами магнитови с одинаковым воздушным зазороммежду каждой парой магнитов, внутри которого расположен на поводке (не изображен) магниточувствительный измерительный преобразователь 8, выполненный с возможностью перемещения относительно магнитов. Магниточувствительный измерительный преобразователь 8 состоит из бистабильного магнитного элемента, выполненного в виде проволоки Виганда 9 или аналогичного аморфного микропровода (Бисер-3, разработка Ижевского государственного технического университета РФ), расположенный в цилиндрической перемагничивающей катушке 10 с электрическими проводами,подключенными к генератору периодического пилообразного сигнала(создающий напряженность перемагничивающего поля амплитудой ), и измерительную катушку 12,находящуюся в магнитной связи с указанным бистабильным магнитным элементом 9,расположенную параллельноперемагничивающей катушке 10 в непосредственной близости от нее или намотанную на указанную перемагничивающую катушку 10, причем измерительная катушка 12 (число витков 2000-3000) подключена к фазометру 13 совместно с источником опорного напряжения оп генератора 11. Датчик линейных перемещений работает следующим образом. При перемещении магниточувствительного измерительного преобразователя 8 вдоль координатынапряженность внешнего магнитного поля , создаваемого двумя парами магнитов 4, 5 и 6, 7 по оси , в месте расположения проволоки Виганда 9 линейно зависит от координаты , поскольку данная магнитная система характеризуется постоянным градиентом магнитного полямежду указанными парами магнитов, следовательно, выполняется условие. Перемагничивающая катушка 10 подключена к генератору периодического пилообразного сигнала 11, т.е. сигнала, линейным образом зависящего от времени. Поэтому бистабильный магнитный элемент 9 перемагничивается магнитным полем генератора, линейным образом зависящим от времени . В случае когда 0 (это выполняется в центре симметрии магнитной системы при 0), скачки перемагничивания происходят при одном и том же значении напряженности перемагничивающего поля, равной полю старта, что изображено на фиг. 2. Время между моментами положительного и отрицательных скачков имеет определенную фиксированную величину. При наложении магнитного поля магнитной системыв зависимости от его направления по оси(параллельно либо антипараллельно) скачки перемагничивания будут происходить чуть раньше или позже, и временной интервал между ними соответственно изменится. Поскольку перемагничивание выполняется по линейному закону, то зависимость времениот величины напряженности магнитного полябудет также линейной. Направление изменения времени указывает о знаке . В этом случае положительномубудет соответствовать отрицательное (- ), а отрицательному положительное ( ). Формула взаимосвязей в соответствии с 5 будет следующая/(4), где- амплитуда перемагничивающего поля,- период перемагничивающего поля,- измеряемое время. Это уравнение можно записать в виде/(4), где(4)-1, а- известная частота перемагничивающего поля (1/). Временной интерваллегче всего измерять при помощи фазометра 13, например, как сдвиг фаз колебаний относительно опорного напряжения оп генератора 11, которое может быть импульсным прямоугольным и знакопеременным. Возможны и другие варианты измерений сдвига фаз между выходным напряжением в измерительной катушке 12 и опорным напряжением генератора 11. На фиг. 3 приведен выходной сигнал, поступающий на фазометр от измерительной катушки, состоящий из двух разнополярных импульсов амплитудой , вырабатываемых 5 18627 1 2014.10.30 перемагничиванием элемента 9 и ЭДС наводки от перемагничивающей катушки 10. Как известно, в основе генерирования импульса ЭДС Виганда лежит перемагничивание проволоки Виганда большими скачками намагниченности Баркгаузена. Таким образом, решение поставленной комплексной задачи достигается тем, что в предложенном устройстве вследствие эффекта Виганда в измерительной катушке генерируется выходной периодический электрический сигнал в виде двух разнополярных импульсов высокой амплитуды 5-7 В, временной интервал между которыми является линейной функцией величины напряженности (индукции) магнитного поля, создаваемой магнитной системой в месте расположения бистабильного магнитного элемента, т.е. линейное перемещение преобразуется в пропорциональный ему фазовый сдвиг между выходным напряжением и опорным напряжением генератора. Кроме того, высокая помехозащищенность датчика обеспечивается применением многослойного экрана. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризованно в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в изобретении или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый дискретный датчик перемещений соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патент 2272244, МПК 01 7/00, 2006. 2. Патент 9954685, МПК 01 5/14, 1999. 3. Моисеев П.П., Рожавский Э.И., Драпезо А.П. Применение малогабаритных датчиков углового положения в сканирующих устройствах космического назначения // Известия ОрелГТУ. - Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орел ОрелГТУ, 2006. - Ч. 1. С. 15. 4. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отделениение, 1988. - 224 с. 5. Каримова Г.В. Бистабильный литой аморфный микропровод из -, сплавов в стекольной оболочке и его применение в магнитометрии Автореф. дис.канд. физ.-мат. наук. - Ижевск, 2006. - 21 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7