RU2343645C2

RU2343645C2 - Magnetostriction motion sensor

Info

Publication number: RU2343645C2
Application number: RU2007106533/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Дигузов (RU); Александр Николаевич Дигузов; Андрей Николаевич Шеркутов (RU); Андрей Николаевич Шеркутов; Виктор Николаевич Прошкин (RU); Виктор Николаевич Прошкин
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2009-01-10
Also published as: RU2007106533A

Abstract

FIELD: physics; measurements.

SUBSTANCE: present invention pertains to measurement and controlling angular displacements of objects in monitoring and control systems. Magnetostriction motion sensor consists of linear acoustic wave guide, the ends of which are damped using current conducting dampers, an acoustical-electrical transducer, fitted in line with the waveguide, and displacement setting device in form of one coil of magnetic helical line on the surface of a cylinder, which is lies parallel the waveguide and capable of rotating about its axis.

EFFECT: wider range of measurement of angular displacement of a rotating object.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля угловых перемещений объекта.The invention relates to measuring technique and can be used to measure and control the angular displacements of an object.

Известно устройство для измерений и перемещений, содержащее вращающийся барабан с эластичными демпфирующими канавками в виде объемной винтовой спирали, в которые помещен звукопровод из магнитомягкого ферромагнитного материала. Свободный конец звукопровода проходит через неподвижные передающую и приемную катушки с постоянными магнитами смещения и соединен с перемещающимся объектом [1].A device for measurements and displacements is known, comprising a rotating drum with elastic damping grooves in the form of a three-dimensional helical spiral, into which a sound duct made of soft magnetic ferromagnetic material is placed. The free end of the sound duct passes through the stationary transmitting and receiving coils with permanent bias magnets and is connected to a moving object [1].

Известное устройство можно использовать для измерения углового положения вращающегося барабана как функцию линейного перемещения свободного конца звукопровода, но данное устройство имеет следующие недостатки:The known device can be used to measure the angular position of a rotating drum as a function of linear movement of the free end of the sound pipe, but this device has the following disadvantages:

- сложная конструкция преобразователя за счет наличия в его составе двух катушек с постоянными магнитами, узла натяжения звукопровода в виде пружины;- the complex design of the Converter due to the presence in its composition of two coils with permanent magnets, the node tension of the sound duct in the form of a spring;

- низкая надежность и помехоустойчивость за счет наличия в его составе трущихся элементов конструкции (механические взаимодействия звукопровода с внутренней поверхностью каркасов передающей и приемной катушек), способные привести к формированию в акустическом тракте шумовых сигналов. Такие сигналы шумов механической природы из объекта перемещения через недемпфированный конец звукопровода свободно смогут перейти в приемный тракт преобразователя и исказить измерительную информацию;- low reliability and noise immunity due to the presence of rubbing structural elements (mechanical interactions of the sound duct with the inner surface of the frames of the transmitting and receiving coils), which can lead to the formation of noise signals in the acoustic path. Such signals of mechanical noise from the object of movement through the non-damped end of the sound pipe can freely pass into the receiving path of the transducer and distort the measurement information;

- ограниченные скоростные режимы при выдвижении или складывании свободного конца звукопровода. В случае интенсивного перемещения конца звукопровода в сторону катушки считывания механическая спираль вращающегося барабана неспособна скомпенсировать постоянное натяжение звукопровода, в результате чего звукопровод может принять любую произвольную форму. А при интенсивном выдвижении в обратном направлении увеличивается механическое напряжение в звукопроводе, способное привести к уменьшению или полному исчезновению информационного сигнала.- limited speed modes when extending or folding the free end of the sound duct. In the case of an intensive movement of the end of the sound duct towards the read coil, the mechanical spiral of the rotating drum is unable to compensate for the constant tension of the sound duct, as a result of which the sound duct can take any arbitrary shape. And with intensive extension in the opposite direction, the mechanical stress in the sound duct increases, which can lead to a decrease or complete disappearance of the information signal.

Известно устройство для измерения угловых положений объекта [2], содержащее кольцевой звукопровод, акустический поглотитель (демпфер), установленный на звукопроводе, сосредоточенный элемент считывания (катушка считывания), поляризатор (магнитный элемент позиционирования).A device for measuring the angular positions of an object [2], containing an annular sound duct, an acoustic absorber (damper) mounted on the sound duct, a concentrated reading element (read coil), a polarizer (magnetic positioning element).

У известного устройства ограниченный диапазон измерения угла наклона (менее 360 градусов) из-за продольных габаритных размеров демпфера, отражателя и катушки считывания. Для реальных измерительных систем длина демпфера составляет не менее 60 мм, длина катушки считывания - не менее 20 мм, длина конструкции отражателя - не менее 20 мм. Кроме того, в районе катушки считывания существует так называемая "мертвая зона" - это участок звукопровода, в пределах которого распознавание магнитоакустической волны невозможно приемным трактом. В реальных измерительных системах "мертвая зона" составляет не менее 70 мм [3]. Также недостатком является то, что контроль угловых отклонений объекта осуществляется строго от вертикального положения.The known device has a limited range of measurement of the angle of inclination (less than 360 degrees) due to the longitudinal overall dimensions of the damper, reflector and read coil. For real measuring systems, the length of the damper is at least 60 mm, the length of the read coil is at least 20 mm, and the length of the reflector structure is at least 20 mm. In addition, in the area of the read coil there is a so-called “dead zone” - this is a section of the sound duct within which recognition of a magnetoacoustic wave is impossible by the receiving path. In real measuring systems, the "dead zone" is at least 70 mm [3]. Another disadvantage is that the control of the angular deviations of the object is carried out strictly from a vertical position.

Известно устройство для измерения и контроля угловых положений объекта [4], содержащее четыре кольцевых звукопровода (волновода) из магнитострикционного материала с элементами крепления и фиксации, четыре электроакустических преобразователя (обмотки катушек) и элементы обработки результатов измерения вторичного преобразователя.A device for measuring and monitoring the angular position of an object [4], containing four annular sound ducts (waveguides) of magnetostrictive material with fastening and fixing elements, four electro-acoustic transducers (coil windings) and processing elements of the measurement results of the secondary transducer.

Недостатками данного устройства является сложная конструкция первичного преобразователя и технология его изготовления, а также сложная обработка результатов измерения. Устройство эффективно для измерения параметров только высокоскоростных вращающихся объектов. Это видно по формуле

Подставляя в приведенные формулы значения скорости продольной волны в звукопроводе из сплавов 44НХТЮ, 42НХТЮ и им подобные ν≈5000 м/c, скорость вращения контролируемого технического объекта ν_x<1 м/с, радиус кольцевых звукопроводов R=0,1 м, получим ΔT=Т₁-T₂≤5·10^-9 с. Для измерения временного интервала ΔТ с требуемой точностью нужен эталонный генератор с частотой не менее 1 ГГц.The disadvantages of this device is the complex design of the primary Converter and its manufacturing technology, as well as the complex processing of the measurement results. The device is effective for measuring the parameters of only high-speed rotating objects. This is seen by the formula

Substituting the values of the velocity of the longitudinal wave in the sound duct of alloys 44НХТЮ, 42НХТУ and the like ν≈5000 m / s into the above formulas, the rotation speed of the controlled technical object is ν _x <1 m / s, the radius of the ring sound ducts is R = 0.1 m, we obtain ΔT = T ₁ -T ₂ ≤5 · 10 ^-9 s. To measure the time interval ΔT with the required accuracy, we need a reference generator with a frequency of at least 1 GHz.

Известно другое устройство для измерения перемещений объекта [5], выбранное в качестве прототипа, содержащее линейный магнитострикционный звукопровод (акустический волновод), концы которого помещены в токопроводящие демпферы, приемник перемещений (катушка считывания или акустоэлектрический преобразователь), задатчик линейного перемещения (постоянный магнит или магнитный элемент позиционирования).There is another device for measuring the displacement of an object [5], selected as a prototype, containing a linear magnetostrictive sound guide (acoustic waveguide), the ends of which are placed in conductive dampers, a displacement receiver (read coil or acoustoelectric transducer), a linear displacement transducer (permanent magnet or magnetic positioning element).

Данное устройство предназначено для измерения линейных перемещений. Для измерения угловых перемещений следует придать волноводу кольцевую форму, но диапазон измерения будет также ограничен, как и у приведенного выше аналога [2], и составит менее 360 градусов.This device is designed to measure linear movements. To measure angular displacements, the waveguide should be given a circular shape, but the measurement range will also be limited, as in the analogue above [2], and will be less than 360 degrees.

Задачей изобретения является расширение диапазона угловых перемещений.The objective of the invention is to expand the range of angular displacements.

Решение поставленной задачи достигается тем, что магнитострикционный преобразователь перемещений содержит прямолинейный акустический волновод, концы которого демпфированы с помощью токопроводящего демпфера, акустоэлектрический преобразователь, установленный соосно на волноводе, задатчик перемещения, который выполнен в виде одного витка магнитной винтовой линии геликоидального вида, размещенного одноименным магнитным полюсом наружу на поверхности цилиндра. Цилиндр расположен параллельно волноводу и выполнен с возможностью вращения вокруг его оси, начало и конец магнитной винтовой линии соответствуют началу и концу рабочей зоны измерения на линейном участке звукопровода. Математически форма винтовой линии может быть представлена уравнением в параметрической форме:The solution of this problem is achieved by the fact that the magnetostrictive displacement transducer contains a rectilinear acoustic waveguide, the ends of which are damped with a conductive damper, an acoustoelectric transducer mounted coaxially on the waveguide, a displacement transducer, which is made in the form of a single coil of a helicoidal helical line placed by the same magnetic pole outward on the surface of the cylinder. The cylinder is located parallel to the waveguide and is made to rotate around its axis, the beginning and end of the magnetic helix correspond to the beginning and end of the measurement working zone on a linear section of the sound duct. Mathematically, the shape of a helix can be represented by an equation in parametric form:

здесь x, у, z - координаты декартовой системы координат, центром которой является точка пересечения оси цилиндра с перпендикуляром, восстановленным в точке начала рабочей зоны 8, причем ось OZ совпадает с осью цилиндра;here x, y, z are the coordinates of the Cartesian coordinate system, the center of which is the point of intersection of the cylinder axis with the perpendicular restored at the beginning of the working zone 8, and the axis OZ coincides with the axis of the cylinder;

R - радиус цилиндра;R is the radius of the cylinder;

l_рз - длина рабочей зоны измерения угловых перемещений цилиндра;l _rz - the length of the working zone for measuring the angular displacements of the cylinder;

φ - угол поворота вращающего объекта (цилиндра).φ is the angle of rotation of the rotating object (cylinder).

На фигуре 1 изображен предлагаемый магнитострикционный датчик перемещений.The figure 1 shows the proposed magnetostrictive displacement sensor.

На фигуре 2 показаны перемещения, точки взаимодействия магнитной винтовой линии с акустическим волноводом в рабочем диапазоне.The figure 2 shows the movement, the interaction point of the magnetic helix with the acoustic waveguide in the operating range.

На фигуре 3 показан вариант технической реализации магнитной винтовой линии геликоидального вида на поверхности цилиндра.The figure 3 shows an embodiment of a technical implementation of a helical magnetic helix on the surface of a cylinder.

Магнитострикционный датчик перемещений (фигура 1) содержит линейный акустический волновод 1 из магнитострикционного материала, концы которого демпфированы с помощью токопроводящих демпферов 2, акустоэлектрический преобразователь 3, установленный соосно на звукопроводе 1, задатчик 4 перемещений в виде одного витка магнитной винтовой линии геликоидального вида, размещенного на поверхности цилиндра 5, а ось цилиндра 5 механически связана с объектом вращения. Начало 6 и конец 7 магнитной винтовой линии 4 соответствуют началу 8 и концу 9 рабочей зоны измерения на линейном участке волновода 1.The magnetostrictive displacement sensor (figure 1) contains a linear acoustic waveguide 1 made of magnetostrictive material, the ends of which are damped with conductive dampers 2, an acoustoelectric transducer 3 mounted coaxially on the sound duct 1, and a displacement transducer 4 in the form of a single coil of a helicoidal magnetic helix placed on the surface of the cylinder 5, and the axis of the cylinder 5 is mechanically connected with the object of rotation. The beginning 6 and the end 7 of the magnetic helix 4 correspond to the beginning 8 and the end 9 of the working measurement zone in the linear section of the waveguide 1.

Магнитострикционный датчик перемещений работает следующим образом.Magnetostrictive displacement sensor operates as follows.

Первоначально датчик (фигура 1) находится в исходном состоянии.Initially, the sensor (figure 1) is in its original state.

Электрические импульсы тока возбуждения i_итв (фигура 1) через токопроводящие демпферы 2 проходят в среду акустического волновода 1 и возбуждают в нем под ближайшей точкой 10 взаимодействия магнитной винтовой линии 4 с волноводом 1 (фигура 2) упругие крутильные волны (эффект Видемана). Эта волна в следующий момент времени распространяется в обе стороны волновода 1 со скоростью ν_акв. Достигнув демпферов 2, эта волна поглощается ими и затухает. При прохождении акустоэлектрического преобразователя упругая волна 3 наводит в нем ЭДС (эффект Виллари) через время

от момента подачи импульса тока возбуждения i_итв в волноводе 1.Electric pulses of the excitation current i _ITV (figure 1) pass through the conductive dampers 2 into the medium of the acoustic waveguide 1 and excite elastic torsional waves (the Wiedemann effect) under the nearest point 10 of the interaction of the magnetic helix 4 with the waveguide 1 (figure 2). This wave at the next instant of time propagates on both sides of waveguide 1 at a speed of ν _aqu . Having reached the dampers 2, this wave is absorbed by them and damped. With the passage of the acoustoelectric transducer, the elastic wave 3 induces an emf in it (Villari effect) through time

from the moment of supplying the pulse of the excitation current i _ITV in the waveguide 1.

Интервал времени t_x между импульсами тока возбуждения и считывания пропорционален определенному перемещению l_x, определяемому ближайшей точкой 10 взаимодействия магнитной винтовой линии 4 с волноводом 1.The time interval t _x between the pulses of the excitation and read currents is proportional to a certain displacement l _x determined by the closest point 10 of the interaction of the magnetic helix 4 with the waveguide 1.

При вращении цилиндра 5 от 0° до 360° ближайшая точка 10 взаимодействия магнитной винтовой линии 4 с волноводом последовательно проходит начало 8 и конец 9 рабочей зоны измерения на линейном участке волновода 1.When the cylinder 5 rotates from 0 ° to 360 °, the closest point 10 of the interaction of the magnetic helical line 4 with the waveguide successively passes through the beginning of 8 and the end of 9 of the working measurement zone in the linear section of the waveguide 1.

На фигуре 2 в качестве примера показаны перемещения точки 10 магнитной винтовой линии 4 вдоль волновода 1 с интервалом φ_х=90° угла вращения цилиндра 5.Figure 2 shows, by way of example, the displacement of point 10 of the magnetic helix 4 along waveguide 1 with an interval φ _x = 90 ° of the angle of rotation of cylinder 5.

Техническая реализация заявленного устройства:Technical implementation of the claimed device:

- акустический волновод 1 - проволока из ферромагнитного сплава, например 44НХТЮ сечением 1,0 мм;- acoustic waveguide 1 - wire of a ferromagnetic alloy, for example 44NHTY with a cross section of 1.0 mm;

- токопроводящие демпферы 2 - электропроводящий полимерный композит с высокими демпфирующими свойствами [6];- conductive dampers 2 - conductive polymer composite with high damping properties [6];

- акустический преобразователь 3 - обмотка катушки из провода ПЭВ - 0,063 мм;- acoustic transducer 3 - coil winding from the wire sew - 0,063 mm;

- магнитная винтовая линия 4 может быть выполнена с использованием различных технологий, например путем нанесения магнитного (ферромагнитного) покрытия на внешнюю поверхность цилиндра 5 и намагничивания одноименным полюсом наружу, как принято при нанесении магнитной памяти в энергонезависимых внешних запоминающих устройствах на цилиндрических магнитных барабанах [7, 8] или при нанесении магнитной пленки 4 на немагнитную эластичную прямоугольную поверхность 11 (фигура 3а). Высота h прямоугольной поверхности 11 равна длине окружности у основания цилиндра 5, длина прямоугольной поверхности 11 равна длине рабочей зоны измерения. Затем прямоугольную поверхность 11 с линейной магнитной пленкой 4 приклеивают на цилиндр 5 (фигура 3б), в результате чего линейная магнитная пленка 4 преобразуется на цилиндре 5 в винтовую линию геликоидального вида.- a magnetic helix 4 can be performed using various technologies, for example, by applying a magnetic (ferromagnetic) coating to the outer surface of the cylinder 5 and magnetizing the same pole to the outside, as is customary when applying magnetic memory in non-volatile external storage devices on cylindrical magnetic drums [7, 8] or when applying a magnetic film 4 to a non-magnetic elastic rectangular surface 11 (figure 3A). The height h of the rectangular surface 11 is equal to the circumference at the base of the cylinder 5, the length of the rectangular surface 11 is equal to the length of the working measurement zone. Then, the rectangular surface 11 with the linear magnetic film 4 is glued to the cylinder 5 (Figure 3b), as a result of which the linear magnetic film 4 is converted on the cylinder 5 into a helical helix.

На основании проведенных патентных исследований не обнаружено технических решений с совокупностью признаков и решаемых задач, схожих с заявляемым устройством, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения "неочевидность".Based on the patent research, no technical solutions were found with a combination of features and tasks that were similar to the claimed device, which allows us to conclude that it meets the criteria of the invention of "non-obviousness".

Предлагаемый магнитострикционный датчик перемещений позволяет расширить диапазон измерения угловых перемещений и область его применения. Это существенно отличает предложенное устройство от аналогов и прототипа.The proposed magnetostrictive displacement sensor allows you to expand the range of measurement of angular displacements and its scope. This significantly distinguishes the proposed device from analogues and prototype.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. АС СССР №592022, кл. H04R 15/00, 1978. Бюл. 5. Артемьев Э.А.1. AS of the USSR No. 592022, class H04R 15/00, 1978. Bull. 5. Artemiev E.A.

2. АС РФ №1811265, кл. G01C 9/18, 1995. Бюл. 17. Демин С.Б.2. AS of the Russian Federation No. 1811265, cl. G01C 9/18, 1995. Bull. 17. Demin S.B.

3. Демин С.Б. Информационные измерительные системы с использованием магнитострикционных приборов. Диссертация доктора технических наук. - Пенза, 2003. - 443 с. Для служебного пользования.3. Demin S.B. Information measuring systems using magnetostrictive devices. The dissertation of a doctor of technical sciences. - Penza, 2003 .-- 443 p. For administrative use.

4. Патент РФ №2032179, кл. G01P 3/481, 1995. Демин С.Б.4. RF patent No. 2032179, cl. G01P 3/481, 1995. Demin S.B.

5. АС СССР №1630456, кл. G01B 17/00, 1983. Гуль В.Е. Шенфиль Л.З. Электропроводящие полимерные композиции. - М., Химия. 1984-240 с.5. USSR AS No. 1630456, class G01B 17/00, 1983. Gul V.E. Shenfil L.Z. Conductive polymer compositions. - M., Chemistry. 1984-240 p.

6. Майоров С.А. и др. Введение в микро ЭВМ;6. Mayorov S.A. et al. Introduction to microcomputers;

7. Майоров С.А., Кириллов В.В. Приблуда А.А. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1988. - с.154-162.7. Mayorov S.A., Kirillov V.V. Pribluda A.A. - L .: Engineering, Leningrad Branch, 1988. - p. 154-162.

8. Сергеев Н.П., Вашкевич Н.П. Основы вычислительной техники. - М.: Высшая школа, 1988. - с.184-193.8. Sergeev N.P., Vashkevich N.P. Fundamentals of computer technology. - M.: Higher School, 1988 .-- p.184-193.

Claims

Магнитострикционный датчик перемещений, содержащий прямолинейный акустический волновод, концы которого демпфированы с помощью токопроводящих демпферов, акустоэлектрический преобразователь, установленный соосно на волноводе, задатчик перемещений, отличающийся тем, что задатчик перемещений выполнен в виде одного витка магнитной винтовой линии геликоидального вида, размещенного одноименным магнитным полюсом наружу на поверхности цилиндра, причем цилиндр расположен параллельно волноводу и выполнен с возможностью вращения вокруг его оси. A magnetostrictive displacement transducer comprising a rectilinear acoustic waveguide whose ends are damped with conductive dampers, an acoustoelectric transducer mounted coaxially on the waveguide, a displacement transducer, characterized in that the displacement transducer is made in the form of a single coil of a helical helical line placed with the same magnetic pole to the outside on the surface of the cylinder, the cylinder being parallel to the waveguide and configured to rotate around its axis.