×
29.05.2018
218.016.589b

Датчик измерения механических деформаций

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик конструктивно объединяет магниточувствительный элемент и электронное измерительное устройство. Магниточувствительный элемент представляет собой вытянутую планарную растяжимую полимерную пластину, на которой с двух концов закреплен аморфный ферромагнитный микропровод, проходящий через измерительную катушку в виде встречно соединенных соленоидов из медной проволоки, которая, в свою очередь, размещена внутри соленоида. Электронное измерительное устройство объединяет генератор синусоидального электрического тока I частотой f, соединенный с аморфным ферромагнитным микропроводом, источник постоянного тока, соединенный с соленоидом, усилитель, соединенный с измерительной катушкой. Для формирования цепи обратной связи в электронное измерительное устройство введены генератор частоты 2f, синхронный детектор, усилитель обратной связи и ключ замыкания обратной связи. С помощью соленоида создают начальное магнитное поле Н, направленное вдоль оси аморфного ферромагнитного микропровода и намагничивающее его до насыщения. Через аморфный ферромагнитный микропровод пропускают синусоидальный электрический ток I частотой f. Усиливают и детектируют сигнал дифференциальной измерительной катушки на удвоенной частоте генератора 2f и определяют величину деформации за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи и измерения сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к аморфному ферромагнитному микропроводу для удержания фиксированного значения выходного напряжения дифференциальной измерительной катушки. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает расширение функциональных возможностей датчика, а именно линеаризация передаточной характеристики датчика за счет введения стабилизирующей цепи связи по воздействующему магнитному полю и соответствующее повышение точности в области малых деформаций. 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля материалов и может быть использовано в качестве датчика измерения малых деформаций.

Известен композитный датчик измерения механических напряжений (Gore J., Fixter L., Eaton S., Horkins M., West R., Stinger L., Composite sensor. Pat. WO 2010055282, G01L 1/22, G01R 33/09, G01M 5/00, publ. 20.05.2010), выполненный из полимерной матрицы и армирующих элементов. Внутри массива полимерной матрицы размещен, по меньшей мере, один слой электропроводной ткани. В слое расположен, по меньшей мере, один магнитомягкий аморфный ферромагнитный провод (АФМ). Через АФМ пропускают переменный ток и регистрируют напряжение на АФМ. При приложении механической нагрузки к материалу импеданс АФМ может изменяться вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта. Изменение импеданса АФМ приводит к изменению регистрируемого напряжения.

Недостатком этого устройства является сложность измерения локальных механических нагрузок, поскольку датчик имеет протяженный размер и измеряет сигнал, пропорциональный механическим нагрузкам, приложенным по всей длине АФМ. Кроме этого, вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса, указанный композитный датчик может реагировать на приложенные внешние магнитные поля, которые будут искажать эффект, связанный с воздействующей механической нагрузкой.

Прототипом предложенного изобретения является датчик измерения механических деформаций (Гудошников С.А., Попова А.В., Фатеев В.М., Игнатов А.С., Тарасов В.П., Гореликов Е.С.) Датчик измерения механических деформаций Заявка на изобретение RU 2016145963, G01L 1/12, G01B 7/24.). Датчик представляет собой прямоугольную пластину из полимерного материала с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении. На верхней поверхности пластины выполнено посадочное место в виде центрально-симметричного углубления. Внутри посадочного места размещен миниатюрный соленоид, в котором расположена дифференциальная измерительная катушка с магниточувствительным элементом в виде АФМ, причем АФМ расположен внутри дифференциальной катушки. Концы АФМ соединены с первой парой контактных площадок, расположенных на противоположных концах прямоугольной пластины, дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок, а миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок. При этом все три пары контактных площадок соединены с электронным измерительным устройством, которое содержит источник переменного тока частоты ƒ, источник постоянного тока, усилитель сигналов на удвоенной частоте переменного тока 2ƒ. При этом источник переменного тока соединен с контактными площадками АФМ, источник постоянного тока соединен с контактными площадками миниатюрного соленоида, а вход усилителя сигналов на удвоенной частоте соединен с контактными площадками измерительной катушки и через аналого-цифровой преобразователь соединен с персональным компьютером.

Недостатком этого устройства является нелинейная зависимость между измеряемой деформацией Δl и выходным напряжением датчика: U2f ~ 1/(Δl+H0)2 (где H0 - приложенное к датчику магнитное поле, создаваемое соленоидом), что, с одной стороны, требует сложной обработки сигнала, а с другой стороны, снижает точность измерений в области малых деформаций.

В предложенном изобретении достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей датчика, а именно в линеаризации передаточной характеристики датчика за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи по воздействующему магнитному полю и соответствующем повышении точности в области малых деформаций.

Технический результат достигается следующим образом.

В конструкцию датчика для измерения механических деформаций, состоящего из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, и с посадочным местом в виде центрально-симметричного углубления для миниатюрного соленоида, содержащего дифференциальную измерительную катушку с размещенным внутри нее магниточувствительным элементом, выполненным из аморфного ферромагнитного провода, трех пар контактных площадок, а также источника постоянного тока, генератора переменного тока частоты f и усилителя, дополнительно введены генератор переменного напряжения удвоенной частоты 2f, синфазный с генератором частоты f, синхронный детектор сигнала удвоенной частоты 2f и усилитель обратной связи, при этом дополнительно введенный генератор частоты 2f соединен с первым входом дополнительно введенного синхронного детектора сигнала частоты 2f, второй вход которого, в свою очередь, соединен с выходом усилителя, а его выход соединен с дополнительно введенным усилителем обратной связи, при этом усилитель обратной связи напрямую подключен к аналого-цифровому преобразователю, а обратная связь замыкается при включении ключа обратной связи через источник постоянного тока, записывающий миниатюрный соленоид.

В отличие от прототипа, в котором осуществляется прямое измерение амплитуды выходного сигнала датчика, в предложенном техническом решении осуществляется измерение сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к АФМ для удержания фиксированного значения выходного напряжения измерительной катушки U0. Благодаря измерению величины тока, создающего дополнительно прикладываемое магнитное поле, линеаризуется передаточная характеристика датчика в широком диапазоне деформаций, при этом измеряемое напряжение пропорционально изменению приложенной деформации.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема датчика измерения механических деформаций, на фиг. 2 изображено семейство кривых малоуглового вращения вектора намагниченности (МВВН) АФМ, измеренных под действием приложенных растягивающих деформаций, на фиг. 3 показан результат измерений растягивающих деформаций с помощью предлагаемого датчика.

На фигуре 1 показаны крепежные отверстия 1, прямоугольная пластина 2, посадочное место 3, АФМ 4, дифференциальная измерительная катушка 5, миниатюрный соленоид 6, первая пара контактных площадок 7, вторая пара контактных площадок 8, третья пара контактных площадок 9, источник постоянного тока 10, генератор переменного сигнала частоты f 11, усилитель 12, генератор переменного напряжения удвоенной частоты 2f 13, синхронный детектор сигнала удвоенной частоты 2f 14, усилитель обратной связи 15 и ключ замыкания обратной связи 16. Буквенные обозначения Н0 и U0 соответствуют начальным значениям поля подмагничивания, создаваемого миниатюрным соленоидом, и фиксированному значению выходного напряжения на измерительной катушке.

На фигуре 2 показана зависимость выходного напряжения датчика измерения деформаций от воздействующего магнитного поля при отключенной с помощью ключа 16 цепи обратной связи и различных растягивающих деформациях. Деформацию создают за счет подвешивания к АФМ грузов различной массы. Пересчет величины деформации АФМ в зависимости от величины подвешенного к АФМ груза происходит в соответствии с выражением: Δl=(0.5/30)*Δm, где: Δl величина деформации в миллиметрах, Δm - масса подвешиваемого груза в граммах.

На фигуре 3 приведены результаты измерений выходного напряжения датчика (Uon-U) от величины приложенных деформаций Δl.

Перед использованием датчик предварительно настраивается.

В ходе настройки датчика размыкают ключ обратной связи 16. Для регистрации сигналов датчика, связанных с приложенными деформациями, через АФМ 4 пропускают возбуждающий переменный ток амплитудой I0 (в пределах 5-10 мА) и частотой f (в пределах 5-10 кГц), создаваемый генератором переменного сигнала 11. Также к АФМ 4 прикладывают постоянное магнитное поле Н0, которое создается миниатюрным соленоидом 6 при протекании через него постоянного тока от источника постоянного тока 10. Создаваемое постоянное магнитное поле Н0 (величиной в пределах 10-12 Э), направленное вдоль оси АФМ, должно превышать в несколько раз значение поля анизотропии АФМ.

При воздействии возбуждающего переменного тока и постоянного магнитного поля на дифференциальной измерительной катушке 5 появляется переменный сигнал ЭДС на частоте 2f, который усиливается усилителем 12 и детектируется синхронным детектором 14 на частоте опорного сигнала 2f, создаваемого генератором удвоенной частоты 13. Выходной сигнал синхронного детектора 14 подключен через усилитель обратной связи к аналого-цифровому преобразователю.

В отсутствие воздействующей механической деформации на датчик, амплитуда сигнала электродвижущей силы на измерительной катушке 5 (соответствует точке пересечения нижней кривой МВВН (0.01 мм) и вертикальной линии Н0), фиксирована и имеет минимальное значение. При механическом растяжении исследуемого объекта (датчика) происходит увеличение амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 5 (соответствует точке пересечения сдвинутой кривой МВВН (0.17 мм) и вертикальной линии Н0), за счет сдвига кривой малоуглового вращения вектора намагниченности в область значений больших магнитных полей. При еще большем механическом растяжении датчика (0.34 мм) сигнал дифференциальной измерительной катушки 5 достигает значения, соответствующего величине U0 и т.д. Величина деформации l0, соответствующая сигналу ЭДС дифференциальной измерительной катушки U0, соответствует условному начальному растяжению датчика и должна находиться примерно в центре между минимальной (0.01 мм) и максимальной (в нашем случае 0.67 мм) деформациями. Для сигнала дифференциальной измерительной катушки U0 определяют соответствующее значение выходного напряжения синхронного детектора 14 и подстраивают Uon так, чтобы оно сравнялось по величине с выходным напряжением синхронного детектора. Если после указанных установок замкнуть ключ обратной связи 16, то за счет действия цепи обратной связи амплитуда сигнала дифференциальной измерительной катушки будет удерживаться на уровне U0. При этом выходным сигналом, поступающим на вход АЦП, будет разностный сигнал (Uon-U), пропорциональный изменению величины деформации на Δl относительно исходной деформации l0. Следует отметить, что после установления указанных настроек и замыкания обратной связи, датчик начинает работать автоматически при включении питания схемы регистрации. При этом выходное напряжение датчика будет соответствовать текущему значению деформации (растяжению или сжатию) датчика относительно величины l0. В качестве примера на фигуре 3 приведены результаты измерений выходного напряжения датчика (Uon-U) от величины приложенных деформаций Δl с шагом 7.5 микрометров в широком диапазоне приложенных деформаций.

Таким образом, в предложенном датчике технический результат, заключающийся в линеаризации передаточной характеристики датчика и повышении точности в области малых деформаций, достигается за счет введения стабилизирующей цепи обратной связи и измерения сигнала обратной связи, пропорционального изменению дополнительного магнитного поля, которое прикладывается к АФМ для удержания фиксированного значения выходного напряжения дифференциальной измерительной катушки.

Датчик измерения механических деформаций, состоящий из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, и с посадочным местом в виде центрально-симметричного углубления для миниатюрного соленоида, содержащего дифференциальную измерительную катушку с размещенным внутри нее магниточувствительным элементом, выполненным из аморфного ферромагнитного микропровода, подключенного к первой паре контактных площадок, при этом дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок, а миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок, в свою очередь, генератор переменного тока частоты f соединен с первой парой контактных площадок, вход усилителя сигналов дифференциальной измерительной катушки соединен со второй парой контактных площадок, а источник постоянного тока соединен с третьей парой контактных площадок, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор переменного тока удвоенной частоты 2f, синфазный с генератором частоты f, синхронный детектор сигнала удвоенной частоты 2f, усилитель обратной связи и ключ замыкания обратной связи, причем дополнительно введенный генератор частоты 2f соединен с дополнительно введенным синхронным детектором сигнала удвоенной частоты, который, в свою очередь, соединен с усилителем и с дополнительно введенным усилителем обратной связи с другой стороны, а усилитель обратной связи подключен к аналого-цифровому преобразователю и через дополнительно введенный ключ замыкания обратной связи - к источнику постоянного тока.
Датчик измерения механических деформаций
Датчик измерения механических деформаций
Датчик измерения механических деформаций
Датчик измерения механических деформаций
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 322.
20.06.2016
№217.015.03df

Оправка прошивного стана

Изобретение относится к области обработки металлов давлением на станах винтовой прокатки. Оправка имеет переменный профиль. Возможность удаления дефектов непрерывнолитой заготовки, уменьшение разностенности получаемых гильз обеспечивается за счет того, что в оправке с переднего торца,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587702
Дата охранного документа: 20.06.2016
10.04.2016
№216.015.2b53

Способ изготовления струеформирующих сопел

Изобретение относится к области производства струеформирующих сопел, которые могут быть использованы для очистки поверхностей, удаления покрытий, создания шероховатости на поверхности, для резки и разделения материалов. Способ включает формирование рабочего отверстия в композиционном алмазном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579598
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2b79

Усиливающий сверхпроводящий метаматериал

Использование: для сверхмалошумящего усиления слабых радиотехнических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что усиливающий сверхпроводящий метаматериал состоит из гальванически связанных элементарных ячеек, смещенных постоянным током и проявляющих эффект квантовой интерференции с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579813
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2c52

Способ акустического каротажа

Изобретение относится к горному делу и предназначено для определения координат трещиноватых зон, пересекающих измерительную скважину, пробуренную в кровле выработки. Способ основан на экспериментально установленной закономерности влияния трещиноватой зоны на корреляционные характеристики...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579820
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2cca

Способ извлечения золота из руд

Изобретение относится к области цветной металлургии. Способ извлечения золота включает цианирование руды при измельчении. В мельницу последовательно подают при соотношении твердой фазы к жидкой фазе от 3:2 до 2:1 предварительно дробленную до крупности фракций от 2 мм до 4 мм руду, добавку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579858
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2cd6

Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали перед его нагревом в методической печи под прокатку

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке слябов из низколегированных сталей перед нагревом под прокатку. Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали при прокатке включает напыление алюминиевого газотермического покрытия на широкие грани...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579866
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2d7d

Способ получения деформированных полуфабрикатов из сплава на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Fe-Si в виде тонколистового проката, фольги, листов, плит, прессованных профилей, проволоки и др. Из деформированных полуфабрикатов могут быть получены изделия, предназначенные для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579861
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.2e9d

Способ определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при проектировании зданий и сооружений для определения количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах. Для этого осуществляют бурение скважин с отбором керна, оттаивают полученный образец замороженного грунта и определяют суммарное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580316
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.3217

Способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом

Изобретение относится к медицине. Описан способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом, который включает электроискровую обработку поверхности подложки обрабатывающим электродом, следующего состава (вес. %):биоактивная добавка - 5-40,антибактериальная металлическая добавка...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580628
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.321e

Способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом, включающий электроискровую обработку поверхности токопроводящей подложки обрабатывающим электродом, состоящим из биоактивной добавки в количестве 5-40 вес.%;...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580627
Дата охранного документа: 10.04.2016
Показаны записи 1-10 из 32.
10.04.2014
№216.012.b877

Способ формирования биосовместимой полимерной структуры

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и к биотехнологии, и может быть использовано для формирования биосовместимой полимерной структуры в костных тканях. Для этого обеспечивают пункционный доступ к заполняемой полости в костных тканях. Далее вводят в полость полимерную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002512950
Дата охранного документа: 10.04.2014
27.07.2014
№216.012.e5c8

Способ увеличения прочности цементов для медицины

Изобретение относится к области медицины и касается цементных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Описаны кальцийфосфатные цементные материалы, которые получают на основе порошков тетракальциевого фосфата и/или трикальцийфосфата. В качестве цементной жидкости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002524614
Дата охранного документа: 27.07.2014
20.11.2014
№216.013.0765

Способ переработки сульфидного никелевого сырья

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности никеля, и может быть использовано для переработки сульфидного никелевого сырья, в том числе концентратов и файнштейнов, содержащих в качестве примесей медь и кобальт, с получением чистых металлов или их солей. Способ включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002533294
Дата охранного документа: 20.11.2014
27.01.2015
№216.013.20ea

Способ получения оксидной шихты, пригодной для производства цветных кристаллов корунда

Изобретение относится к способу получения оксидной шихты, пригодной для производства цветных кристаллов корунда, включающему анодное растворение сплава на основе алюминия высокой чистоты в водном растворе, содержащем катионы , Na или их смеси, отделение гидроксильного осадка, его промывку и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539874
Дата охранного документа: 27.01.2015
10.06.2015
№216.013.507b

Датчик измерения механических напряжений

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических напряжений. Датчик включает прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой сделано углубление, в котором помещается детектор, при этом внутри прямоугольной пластины вдоль...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552124
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.01.2016
№216.013.a041

Установка для металлотермического восстановления щелочно-земельных металлов

Изобретение относится к металлургии. Установка включает реакционную камеру, с противоположных сторон которой расположены камера загрузки сырьевых брикетов и камера разгрузки обработанных брикетов. Теплоизоляционный корпус реакционной камеры соединен с первым механизмом вертикального перемещения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002572667
Дата охранного документа: 20.01.2016
27.04.2016
№216.015.38b9

Способ моделирования ожирения в эксперименте

Изобретение относится к медицине, в частности к патологической физиологии, и касается моделирования ожирения в эксперименте. Моделирование проводят в условиях гиподинамии животного. При этом кормление производят высококалорийным кормом на фоне инъекционного введения инсулина. Кормление...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582826
Дата охранного документа: 27.04.2016
12.01.2017
№217.015.5d1e

Способ измерения величины и пространственного распределения локальных магнитных полей, возникающих вследствие протекания коррозионных процессов на металлической поверхности в проводящем растворе

Использование: для проведения коррозионных in-situ исследований материалов в различных проводящих средах. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый образец помещают в кювету с проводящим раствором, в котором требуется исследовать коррозионное поведение материала образца, после...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002591027
Дата охранного документа: 10.07.2016
13.01.2017
№217.015.7e29

Способ получения постоянных магнитов на основе сплавов редкоземельных металлов с железом и азотом

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам изготовления постоянных магнитов из магнитотвердых материалов, на основе соединений редкоземельных металлов и может быть использовано в электротехнической, автомобильной, приборостроительной и других областях промышленности. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601149
Дата охранного документа: 27.10.2016
13.01.2017
№217.015.863f

Способ получения сплава неодим-железо и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электролитическому получению сплавов. Получают сплав неодим-железо, содержащий 78-96 мас.% неодима. В электролизер загружают оксид неодима, железо в виде стружки, расплав солевой смеси в качестве электролита через загрузочный карман, в котором устанавливают температуру...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603408
Дата охранного документа: 27.11.2016
+ добавить свой РИД