CC BY
84
УДК 621.371
Китаев В.Н., Дремков М.А., Уралев А.А.
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия
ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ДВИЖЕНИЯ
В различных системах технических объектов могут применяться датчики перемещений. Представляется перспективной разработка датчика перемещения по схеме пассивного виброизмерительного преобразователя, реализуемого как магнитоэлектрическое устройство для измерения параметров вибрации (перемещения, скорости, ускорения). Виброизмерительные преобразователи перемещения работают в диапазоне частот, лежащем выше низшей, но ниже второй собственной частот. Наиболее распространенными приборами этого типа являются сейсмографы. В приборах измеряются перемещения от долей микрометра до десятков миллиметров [1, 2, 3].
В индукционных (или магнитоэлектрических) датчиках для преобразований механических колебаний используется явление электромагнитной индукции. В датчиках может быть подвижными как катушки с обмотками, так и магниты. Э.Д.С., индуцированная в обмотках катушек, пропорциональна скорости перемещения подвижного элемента (катушек или магнита), точнее пропорциональна числу витков в катушках, среднему диаметру витка, магнитной индукции в зазоре и скорости перемещения.
Наиболее предпочтительной, для датчика движения, является схема с подвижным элементом в виде постоянного магнита. Основными достоинствами такой схемы является относительная простота конструкции и возможность получения очень низкой частоты собственных колебаний, а при использовании современных высокоэнергетических магнитов, например, из материала КС37 или КС25ДЦ [4] - высокой
чувствительности. А самое главное при таком техническом решении не требуется организовывать электрические цепи для снятия сигнала с подвижного элемента.
Практически отсутствие трения в конструкциях датчиков достигается использованием упругих подвесов обычно в виде плоскопараллельных пружин, которые обеспечивают перемещения подвижного элемента вдоль требуемой измерительной оси и максимально исключают перемещения вдоль других осей. При таком техническом решении подвижный элемент непосредственно не контактирует с элементами конструкции датчика.
Конструкция одноосевого датчика перемещений с подвижным элементом из двух цилиндрических высокоэнергетических магнитов, закрепленных на упругом маятнике, показана на рисунке 1. В датчике применен оригинальный упругий подвес в виде двойного маятника, показанный на рисунке 2, обеспечивающий увеличенные перемещения подвижного элемента вдоль продольной оси и практически исключающий перемещения в поперечных направлениях. Дополнительные магниты, установленные с каждого торца, обеспечивают магнитную левитацию подвижного элемента. Использование двух катушек позволяет дополнительно увеличить чувствительность датчика перемещения путем включения их обмоток, например, по мостовой измерительной схеме.
Общая компоновка датчика перемещения показана на рисунке 3.
Для обеспечения сферической диаграммы чувствительности необходимо использование трех подобных датчиков, установленных взаимно ортогонально.
Сферическая диаграмма может быть реализована и в одном датчике перемещений. Разработанная конструктивная схема такого датчика показана на рисунке 4.
Рис. 1 - Конструкция одноосевого датчика перемещения
Рис. 2 - Упругий подвес в виде двойного маятника
Компоновка одноосевого датчика перемещения
Рис. 4 - Конструктивная схема датчика перемещения со сферической диаграммой чувствительности
(корпус не показан)
Основная особенность датчика - применение высокоэнергетического магнита в виде полой сферы с радиальным намагничиванием. Внешняя сферическая поверхность магнита представляет собой, например, северный полюс. Установка шести постоянных магнитов из материала, аналогичного материалу сферического магнита, по сторонам описанного куба позволяет организовать бесконтактный подвес подвижного элемента - сферического магнита. Создание такого датчика перемещения возможно после разработки и освоения технологии изготовления сферического магнита с радиальным намагничиванием, являющемся ноу-хау предложенной конструкции.
В предлагаемом датчике перемещения подвижный элемент также непосредственно не контактирует с элементами конструкции датчика даже при значительных ударных воздействиях, то есть исключается возможность разрушения магнитов и других элементов конструкции датчика, кроме того при этом отсутствуют какие-либо шумы даже при применении датчика на подвижных объектах.
На основе созданных конструкций проводятся разработки малогабаритных датчиков перемещения с высоким уровнем выходного сигнала, достаточной чувствительностью, относительной простотой конструкций и высокой надежностью.
Ранее разработанные на предприятии методики [5, 6] по оптимизации конструкций приборов с маг-
нитными и электромагнитными цепями позволят обеспечить требуемые технические параметры датчиков.
Возможная область применения датчиков перемещений - различные автомобильные системы (охраны, безопасности).
Датчик перемещения со сферической диаграммой чувствительности также может применяться в качестве источника электроэнергии для зарядки аккумуляторов мобильных устройств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Карцев Е.А. Измерительные преобразователи. (Основы расчета и конструирования). Уч. Пособие.
- М.: Изд-во МИЭМ, 1986. - 160 с.
2. Иориш Ю.И. Виброметрия. Измерения вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы/ Ю.И. Иориш. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машгиз, 1979. - 722 с.
3. Датчики: Справочное пособие/ Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера,
2012, - 624 с., ISBN 978-5-94836-516-5.
4. ГОСТ 21559-76. Материалы магнитотвердые спеченные. Марки. - М.: Изд-во стандартов.
5. Китаев В.Н., Дремкова Н.Л., Иконникова Н.А. Оптимизация магнитных цепей приборов. Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - 1 т. - 398 с., с. 90-91.
6. Китаев В.Н., Иконникова Н.А., Перебатов В.Н. Использование метода конечно-элементного анализа для расчета и оптимизации виброчастотных приборов. Надежность и качество - 2010: труды Международного симпозиума: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010. - 1 т. - 532 с., с. 462-465.
