Устройство для измерения усилий

(22) Заявлено 14.09.77 (21) 2528092/18-10с присоединением заявки РЙ -(5). л. С 011/12 Государственный комитет ср ао делам нэобратоннй н открытой(53) УДК 531, ,781(088,8) Дата опубликования описания 15. 10.79 т1(71) Заявитель Ижевский механический институт(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ Изобретение касается измерения неэлектрических величин и может бытьиспользовано для построения преобразсвателей усилия в электрический сигнал,Известны магнитоупругие преобразователи, основанные на изменении магнит 5ной проницаемости ферромагнитных телв зависимости от возникающих в нихмеханических напряжений, обусловленныхвоздействием на ферромагнитные тела0измеряемых усилий 1)Для достижения удовлетворительнойточности измерения в таких преобразователях необходимы сердечники сложнойформы, а также ферромагнитные материалы с ярко выраженной анизотропиеймагнитных свойств. Кроме того, выходной сигнал в таких преобразователяхможет быть только аналоговым (ток илинапряжение), что значительно сужаетобласть их применения,Известны преобразователи усилия нааффекте Баркгаузена, в основе которыхлежит зависимость параметров скачков 2Баркгаузена, возникающих при перемагничивании ферромагнетика от механических напряжений, Преобразователь на эффекте Баркгаузена содержит ферромагнитный сердечник в виде струны с равномерной измерительной обмоткой, источник равномерного перемагничивающего поля и устройство регистрации. Перемагничивающее поле, в простейшем случае изменяющееся во времени по синусоидальному закону, вызывает в измерительной об мотке случайные импульсы электродвижущей силы (ЭДС соответствующие скачкам намагниченности, Устройство регистрации осуществляет функции усиления и выделения информативного параметра среднее число выбросов, средняя мощнасть и т.п.) 21.К недостаткам таких преобрааователей следует отнести ярко выраженную периодическую нестационар ность выходного сигна 1 ла измерительной обмотки, что усложняет устройство регистрации, а также неудовлетворительную дннамическую точность, 3 69обусловленную низкой частотой перематничивающего поля, Последнее обстоятельство не позволяет измерять быстропротекающие процессы, например вибрации.Наиболее близким по техническойсущности к предложенному являетсяустройство, предназначенное для измерения скоростей, в котором ферроматнетик перемагничивается градиентнымизонами бегущего поля. Устройство содержит 1-фазный линейный статор, ферромагнитный сердечник, снабженный равномерной измерительной обмоткой, иблок регистрации, подключенный к ней,Статор создает бегущее магнитное поле,которое перемагничивает сердечник,вследствие чего в измерительной обмотке возникает ЭДС. Эта ЭДС содержитпериодическую составляющую с частотойскольжения поля относительно сердечника и сг чайную составляющую скачки Баркгаузепа). Информацию о внутренних напряжениях. в ферромагнетикев основном несет случайная составляющая3.Недостатком этого устройства является наличие в выходном сигнале периодической составляющей. Для максимального подавления периодической помехи необходимо, чтобы на длине измерительной катушки укладывалось целое число полюсных делений статора.Несмотря на то, что можно изготовитьстатор и измерительную катушку весьматочно при изменении температуры ивоздействии различных неблагоприятныхфакторов величина помехи возрастает,:.тоснижает точность измерения при любоминформативном параметре. Так при частотном выходе среднее число выбросовза уровень селекции) аддитивная составляющая помехи нарушает нормальнуюработу порогового устройства, что приводит к искажению статистических характеристик преобразователи. Мульти:пликативная составляющая увеличиваетдисперсию показаний счетчика выбросови, как следствие, время счета что ухудшает динамическую точность,Цель изобретения - повышение точности измерения,Это достигается тем, что в устройство, содержащее о-фазный линейныйстатор, равномерную измерительную обмотку, ферромагнитный сердечник, воспринимающий измеряемое усилие, и блокрегистрации, введены включенные после озз 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 довательно фильтр фазовый детектор,источник управляемого тока и две подмагничиваюшие обмотки, соединенные подифференциальной схеме и расположенныес возможностью взаимной ориентации относительно статора, причем, вход фильтраподключен к измерительной обмотке.На фиг. 1 изображена функциональнаясхема предложенного устройства для измерения усилия; на фиг. 2 - распределение напряженности поля по длине сердечника для случая, когда расстояниемежду дополнительными обмотками равнополюсному делению статора,Устройство содержит линейный статор1, в котором коаксиально установленсиловоспринимающий ферромагнитный сердечник 2 с равномерной измерительнойобмоткой 3, подключенной к блоку регистрации 4. Соосно сердечнику 2, на расстоянии одна от другой расположены дополнительные обмотки 5 и 6, включенные между собой встречно. Обмотки 5и 6 соединены в последовательную цепьс источником ретулируемого тока 7,фазовым детектором 8 и фильтром нижних частот 9, вход которого подключенк измерительной обмотке 3. Устройство работает следующим о разом.Линейный статор 1 создает магнич- ное поле вдоль сердечника 2, распределенное по синусоидальному закону.Поле движется относительно сердечника с некоторой постоянной скоростью. Вследствие перемагничивания сердечника в измерительной обмотке индуцируется случайный поток импульсов ЭДС, обусловленный скачками намагниченности, Параметры случайного потока, например, среднее число выбросов за уровень селекции, однозначно зависят от величины усилия, приложенного к ферромагнитному сердечнику Блок регистрации 4 включает усилитель, амплитудный селектор и счетчик. Таким образом, измеряемое усилие преобразуется в код. Помимо случайного импульсного потока с измерительной обмотки снимается также периодическая ЭДС с частотой тока питания статора (обычно 50 гц). Величина этой ЭДС определяется тем, насколько выполняеч- ся условие равенства длины измерительной обмотки целому числу полюсных делений статора, Фильтр нижних частот 9 выделяет периодический сигнал, поступающий далее на фазовый детектор 8.5 690 На опорный вход фазового детектора 8 поступает опорное напряжение П, от источника (не показан) питания линейного статора.Постоянное напряжение на выходе фааового детектора пропорционально входному напряжению, а знак его определяется фазовым сдвигом входного напряжения относительно опорного. Выходное напряжение с фазового детектора пс е ступает на вход источника управляемого тока, При входном напряжении, равном нулю, источник создает в обмотках 5 и 6 постоянный ток определенной величины (это значение тока может плавно регу лироваться при юстировке устройства). При положительной полярности входного сигнала выходной ток увеличивается, при отрицательной - уменьшается. Таким образом, величина тока в обмотках 5 и 6 20 зависит от величины периодической ЭДС на входе фазового детектора и фааового сдвига этой ЭДС. Действие устройства основано на том, что для уменьшения величины паразитной периодической помехи автоматически изменяется не попюсное деление статора и не длина измерительной обмотки, а длина зоны перемагничивания сердечника 2, Если определенный участок сердечника намагнитить до насыщения, то потокосцеппение витков измерительной катушки с полем статора на этом участке будет очень малым по сравнению с остальными витками. Отсюда следует, что изменение длины перемагничиваемой зоны сердечника эквивалентно изменению длиьпы измерительной обмотки. Для реализации указанного алгоритма измерительная обмотка выпопнена так, что ее длина несколько превышает длину полюсного деления статора 1. Ток, протекающий по обмоткам 5 и 6, создает постоянное магнитное поле, которое насыщает участ 45 ки сердечника, расположенные под этими обмотками, Ненасыщенная часть сердечника равна полюсному делению статсра 1, так что периодическая ЭДС на выходе . измерительной обмотки близка к нулю50 При увеличении ЭДС возрастает сигнал на выходе, фильтра 9 и изменяется напряжение на выходе фазового детектора 8, что приводит к иаменению тока в обмотках 5 и 6 Изменение тока выаываетуменьшение или увеличение длины насыщенных участков сердечника. Вследствие непрямоугопьности петли гистере-аиса материала ферромагнитного сердечника между ееасыщенееым н перемагннчивдемым участками сердечника су- ществует всегда эона, где сердечнеек перемагничивается по частньем ценлам. Ширина этой зоны завнсит от величиееы тока в обмотках 5 и 6 иа-за переменной крутизны распределения их ноля вдоль оси. Б случае согласного включения обмоток 5 и 6 паразнтная периодическая помеха не устраняется, так как переходные зоны имеют значительную прстяженность и одинаковое направление постоянного поля. Дифференциальное включение обмоток 5 и 6 позволяет практически устранить влияние переходных аон на работу устройства, Упрощенная картина распредепепия напряженности поля ф вдоль ссн сердечника показана на фиг. 2, где обозначены Н - напряженность поля дополнительных обмоток 5 и 6, Н ксэрцитивная сила материала сердечника, Х - попюснсе деление статора, На участке Х сердечник перемагничивается, так как амплитуда нанряженности поля арфе бспьше Н, а знак напряженности периодически изменяется. За пределами учас 1 ка Х сердечник не перемагничивается ввиду того, что знак напряженности поля не меняется, а минимальное значение мупее напряженности поля остается больше ксэрцитнвной сипы, Расстояние между крайнег.н витками дополнительных обмоток 5 и 6 должно равняться полюснсму делению статсра Х, так как у края обмотки крутизна зависимости напряженности поля от координаты Х максимальна. что поедспределяет минимальную ширину переходных эон и позволяет уменьшить общий коэффициент усиления в цепи обратной свяэее (фильтр, фазсвь 1 й детектор источник тока). При прсеезвохьнсм расположении обмоток 5 и 6, помеха не компенсируется, т.е. пспсхжтепьный эффект не дсстеегается, Необходимость введення Фазового детектора обусловлена те:, что дпя компенсации помехи нужна информация сб иэмснении длины попюснсгс деления статора, чтобы соответственно наменять ток в обмот,ках 5 и 6, а, следовательно, и длину перемагничнваемого участка сердечника 2,Поедпсженное устройство обладает повышенной точностью измерения по сравнению с ранее нэвестнымн аналогичными устройствами, так как ЭДСпомехи автоматически поддерживается6903 15 20 Фиг. 1 Н на минимальном уровне. Экономическийэффект в случае внедрения предложенного устройства выразится как в расщирении температурного диапазона измерительных систем, так и повьпденииинформационной надежности,. Необходимо также указать на возможность использования предложенного устройствав качестве генератора случайных электрических сигналов с заданной нестационарностью. формула изобретения Устройство для измерения усилий, содержащее е-разный линейный статор, равномерную измерительную обмотку, ферромагнитный сердечник, всспринимающий измеряемое усилие, и блок регистрации, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены 35 8включенные последовательно фильтр, фазовый детектор, источник управляемоготока и две подмагничивающие обмотки,соединенные по дифференциальной схемеи расположенные с возможностью взаимной ориентации относительно статора,причем вход фильтра подключен к измерительной обмотке.Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1, Литвинов Н, Н., Электрическиеизмерения механических величин. М.Энергия, 1970, с. 37 р. 20,2, Штин А, АБарсуков Б, К. Овозможностях построения измерительныхпреобразователей усилия на основе эффекта Боркгаузена. Тезисы докладаконференции Физические основы построения первичных измерительных преобразователей", ч. 2, Киев, 1977, с, 77.3, Авторское свидетельство СССР(прототип) НИИПИ Заказ 5952/38Тираж 1090 Подписное филиал ППП фПатентф,г.Ужгород,ул. Проектная, 4