Преобразователь угловых перемещений

ПИСА БРЕТЕНИЯ К РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ хн браз ах к Кудрявцев В,Б илохин Н.Т., Ти ые частотные пр изированных сис ения. М., Энерг Лысенко А.П.,енко Н,М. Прецизиообразователи автом гоа. ем контроляя, 1974. пр ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ(21) 3630239/24-21 (22) 26.07.83 (46) 15.07,85. Бюл. Р 26 (72) Н.Н.Евтихиев, С.А.Погожев В,Л.Преображенский и Н,А,Эконо (71) Московский институт радио электроники и автоматики(53) 621.318,38(088.8) (56) Кудрявцев В,Б., Лысенко А Тищенко Н.М. Прецизионные прео ватели электрических сигналов угловых перемещений на принцип товой магнйтометрии. М., Энерг(54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий магнитнуюсистему и датчик магнитного поля,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности, расширения пределов измерений и упрощенияконструкции, датчик магнитного полявыполнен на основе магнитострикционного микрорезонатора из монокристалла антиАерромагнетика с анизотропией типа "легкая плоскость" и размщен в зазоре магнитной системы,содержащей постоянный магнит и имеющей подвижный регулятор изменениясоставляющей напряженности магнитнополя -на базисную плоскость кристалл11 б 7421 2. Преобразователь по и. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью упрощения конструкции, подвижный регулятор выполнен в видедвух цилиндрических полых магнитныхэкранов, вращающихся относительнодруг друга, на внутренней сторонеодного из которых закреплен постоянный магнит, а на другом - датчик магнитного поля.3. Преобразователь по и. 1,. о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью расширения диапазона измерений,подвижный регулятор выполнен в видецилиндрического полого магнитного Изобретение относится к областиэлектрических измерений угловых перемещений и может быть использовано вавтоматике, телемеханике и приборостроении.Цель изобретения - расширение пределов и увеличение точности измеренияи упрощение конструкции преобразователя угловых перемещений за счетиспользования в датчике магнитногополя эффекта резкой зависимости скорости звука в монокристаллах антиферромагкетиков с анизотропией типалегкая плоскость" (в качестве материала может быть использован примергематит или борат железа ГеВО) отвеличины составляющей напряженностивнешнего магнитного поля на базиснуюплоскость кристалла, а также определенным выполнением подвижного регулятора изменения составляющей набазисную плоскость кристалла датчика,На Фиг: 1 показан преобразовательугловых перемещений с подвижным регулятором составляющей напряженностимагнитного поля; на фиг. 2 - то же,экранированием подвижным регулятором, на фиг. 3 - то же, с нокиуснымподвижным регулятором,Преобразователь угловых перемещений (фиг. 1) содержит подвижныйрегулятор, выполненный из 2-х магнитных экранов 1 и 2 в виде цилиндрических полых стаканов из магнитомягкого материала вращающихся друг экрана с окном на боковой поверхно-:сти, внутри которого размещен датчикмагнитного поля. 4, Преобразователь по и. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения точности измерений,подвижный регулятор выполнен в видедиска, на котором по периметру закреплено четкое число постоянных магнитов, намагниченных во взаимно противоположнык направлениях, а датчикмагнитного поля укреплен между двумянеподвижными полюсными наконечникамимагнитной системы. относительно друга, постоянного магнита 3, например из материала БшСо, расположенного на внутренней сторонеэкрана 1, датчика 4 магнитного поля 5 на основе магнитострикционного микрорезонатора из антиферромагнетикас анизотропией типа легкая полость", жестко закрепленного с помощью стойки 5 на экране 2.Магнитострикционный резонаторявляется соста.вной частью устройства для измерения магнитной индукции исостоит из сердечника внутри меднойрамки, выполненного в виде пластины,параллельной базисной плоскостикристалла антиферромагкетика (например, монокристалла гематита), закрепленного в геометрическом центребольшой грани к корпусу медной рамкис помощью жесткого стержня, а такжеиз индукционных обмоток возбужденияи съема акустических резонансныхколебаний сердечника (за счет прямого и обратного эффекта магкитострикции), расположенных на медной рамке Для сердечника резонатора в формедиска с радиусом К (порядка 2-3 мм) ЗО зависимость резонансной частоты ы отвеличины составляющей подмагничивающего поля Н на базисную плоскость кристалла определяется выражением)1 -2 Н Н(юУ) - Н(2 Б) /МоС)1+( ы о /у) где С; - модули упругости кристалла;Р - плотность кристалла; 1 ОНе - напряженность эффективногообменного поля;Н - эффективное поле спонтаннойстрикции;В 1 - магнитоупругая постояннаякристалла;и)з, - частота антиферромагнитногорезонанса,щзо = уГН(Н+Нд)+2 ННщ Д ";поле Дзялошинского20у - гидромагнитное отношение,Экспериментально реализованы следующие параметры магцитострикционногорезонатора перестройка резонанснойчастоты в 1,7 раза в диапазоне подмагничивающих полей от Н = 30 Эдо Н = 2 кЭ, добротность до 10частотный диапазон работы 100-1 МГц,коэффициент магнитомеханической связи, характеризующий эффективность ЗО.индукционного возбуждения, до 3%.Закон управления ю (Н) имеет безгистерезисцый характер. Резонаторсохраняет свои параметры при неоднородности подмагничивающего поля Н 35до 90% на 0,5 см. Расположение базисной плоскости монокристалла резонатора (Фиг, 1) в виде квадрата совпадает с плоскостью чертежа.Датчик магнитного поля выполнен 40по автогенераторцой схеме. При изменении подмагцичивающего поля Н от30 Э до 2 кЭ частота автоколебацийизменяется в 1,7 раза. Высокая стабильность частоты автоколебаний 45(менее 10 ) обеспечивается большой- 6акустической добротностью резонатора,включенного в цепь положительной обратной связи автогецератора,Внешнее подмагничивающее поле в 50преобразователе угловых перемещенийсоздается постоянным магнитом изматериала БшСо, размером 5 х 10 х 10 мм,который обеспечивает максимальнуюмагнитную индукцию в датчике магнитного поля до 0,2 Тл.Преобразователь угловых перемеще-ний работает следующим образом. фПри повороте экрана 1 относительно экрана. 2 изменяется ориентация вектора напряженности магнитного поля магнита 3 относительно базисной плоскости кристалла датчика 4 магнитного поля. Соответственно изменяется составляющая подмагничивающего поля Н, параллельная базисной плоскости крис" талла резонатора датчика 4 магнитного поля от максимальной (порядка 2 кЭ) при взаимно коллениарной ориентации до минимальной (порядка 30 Э) при взаимно ортогональной ориентации, а также изменяется частота автогенераторной схемы датчика 4 магнитного поля в 1,7 раза.Внешнее помеховое магнитное поле фактически не ограничивает чувствительность и точность измерения углового положения, поскольку появляется возможность использовать высокоэффективнь)е магнитные экраны от внешних полей (датчик магнитного поля работает в сильно неоднородных полях), а также возможность увеличить максимальную напряженность магнитного поля, создаваемую постоянным магнитом более чем ца порядок по сравнению с магнитной системой на кольцах Гельмгольца (соответственно возрастает чувствительность преобразователя углового положения).Использование малогабаритного постоянного магнита позволяет упростить Функциональную схему и конструкцию магнитной системы преобразователя угловых перемещений, при этом исключается прецизионный источник питания магнитной системы, а также отпадает необходимость Функционального усложнения преобразователя для компенсации внешних магнитных помех,1 роме того, снимается ограничение на диапазон измерений углового положения, поскольку датчик магнитного поля может работать в сильно неоднородных магнитных полях, а сильная связь с внешними электрическими цепями магнитострикциоцного микрорезоцато 1)а из антиферромагнетика (коэффициент магнитомеханической связи 3%) позволяет упростить схему активного элемента автогецераторного датчика магнитного поля (требуется одцотрацзисторцый апериодический усилитель с коэффициентом усиления порядка 10, автогенератор имеет узкую спектральнуюлинию и соотношение сигнал/421 5 1167шум не ограничивает точность и быст-родействие преобразователя),Диапазон измерений углового положения определяется однозначным соответствием зависимости угол - величинаподмагничивающего поля Н и составляет 90; точность - определяется высокой крутизной характеристики о(Н)датчика магнитного поля и максимальной напряженностью внешнего магнит Оного поля постоянного магнита (при Нмаксимальном2 кЭ) и составляет0,6 угловых секунд,Если датчик 4 магнитного полязакреплен не в центре экрана 2 (показано на Фиг. 1 пунктиром), то приповороте экрана 1 относительно экрана 2 изменяется не только взаимнаяориентация вектора напряженностимагнитного поля магнита 3 и базисной 20плоскости микрорезонатора датчика 4магнитного поля, но и модуль векторанапряженности магнитного поля из-заизменения расстояния между магнитом 3и датчиком 4 магнитного поля. Таким 25образом, подбирая расположение датчика 4 магнитного поля на плоскостиэкрана 2 можно изменять закон преобразованияугол - величина подмагничи,вающего поля Н, а следовательно, и,закон преобразования угол - частотапреобразователя углового положения,Устройство преобразователя угловых перемещений согласно фиг. 2 содержит подвижный регулятор, выпол 35ненный в виде цилиндрического пологостакана 6 с щелочью на боковой поверхности из магнитомягкого материала, магнитного экрана 2 любой формыиэ магнитомягкого материала, расположенного на внутренней сторонестакана 6, постоянного магнита 3из материала ЯшСо 5, расположенноговнутри экрана 7 автогенераторногодатчика 4 магнитного поля на основемагнитострикционного микрорезонатораиз антиферромагнетика с анизотропиейтипа легкая плоскость жестко закрепленного с помощью стойки 5 наэкране 2.50 Расположение базисной плоскости микрорезонатора датчика 4 магнитного поля (показано на Фиг. 2 в виде квадрата) совпадает с плоскостью чертежа. В полом стакане 6 прорезано окно по 55 боковой стороне.Преобразователь работает следующим образом. При повороте полого стакана 6 иэменяется степень экранирования поляпостоянного магнита 3, величина подмагничивающего поля Н в датчике 4магнитного поля, а следовательно,изменится частота автогенераторногодатчика 4 магнитного поля. Подборомконфигурации и площади окна можно1изменить закон преобразования угол -величина подмагничивающего поля Й,/ ,/а следовательно, и закон угол - частота преобразователя угловых перемещений. По сравнению с преобразова,телем угловых перемещений на фиг. 1диапазон измерения угловых переме-.щений, определенный однозначнымсоответствием угол - величина подмагничивающего поля, расширяется до180 С. Магнитный экран 7 может бытьвыполнен в отличие от первого случаялюбой Формы.Преобразователь угловых перемещений по Фиг. 3 содержит подвижныйрегулятор 8 выполненный в видедиска-основания, четного числа Ипостоянных магнитов 9 из материалаЯшСо, намагниченных во взаимнопротивоположных направлениях и закрепленных равномерно на основании 8по периметру, автогенераторногодатчика 4 магнитного поля на основемагнитострикционного антиферромагнитного резонатора, закрепленного спомощью стойки 5 между двумя неподвижными полюсными наконечниками 10из магнитомягкого материала,Полюсные наконечники использованыв качестве концентраторов магнитногополя постоянных магнитов 9 в датчике4 магнитного поля, Боковые размерыполюсных наконечников выбирают равнымбоковым размерам магнита 9. Резонатор датчика 4 магнитного поля расположен симметрично относительно боковой поверхности полюсных наконечников 10. Расположение базисной плоскости резонаторов, показанное ввиде квадрата на Фиг. 3, совпадаетс плоскостью чертежа. Преобразователь работает следующим образом.При повороте подвижного регулятора 8 изменяется величина подмагничивающего поля Н в датчике 4 магнитного поля от максимального значения, когда один из полюсных магнитов 9 расположен точно между полюсными наконечниками 10, до минимального,1167421 Фи Составитель А. КомисРедактор М. Келемеш ТехредЖ.Кастелевич Корректор О. Луго аказ 4423/38 Подписно ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Раукомитета СССоткрытийкая наб., д,"Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,иал когда площади перекрытия между полю. сными наконечниками 10 и двумя постоянными магнитами 9 одинаковы. Повороту подвижного регулятора Ма угол 360 соответствует число полых пери 6одов изменения подмагничивающего поля Н в датчике магнитного поля М раз. По сравнению с преобразователями угловых перемещений, представленными на фиг. 1 и 2, точность измерения углового положения увеличивается в Я раз. Для измерения углового положения 5 в пределах 360 регулятор соединяется с грубым датчиком углового положения,имеющего низкую точность идиапазон измерения угла в диапазоне 360