двухкоординатный преобразователь механических усилий

Формула изобретения

1. Двухкоординатный преобразователь механических усилий, содержащий магнитоупругий чувствительный элемент, внутри которого расположены обмотка возбуждения и обмотки измерения, отличающийся тем, что плоскость, в которой расположена обмотка измерения горизонтальной компоненты вектора силы, лежит на оси вертикальной компоненты вектора силы и повернута относительно оси горизонтальной компоненты вектора силы на угол 45^o, а плоскость, в которой расположена обмотка измерения вертикальной компоненты вектора силы, лежит на оси горизонтальной компоненты вектора силы и повернута относительно оси вертикальной компоненты вектора силы на угол 45^o, вектор нормали плоскости, в которой расположена обмотка возбуждения, параллелен линии пересечения плоскостей измерительных обмоток.

2. Двухкоординатный преобразователь механических усилий по п.1, отличающийся тем, что магнитоупругий чувствительный элемент состоит из пакета пластин электротехнической стали, скрепленного с обеих сторон крышками с вырезными полостями для обмотки возбуждения и обмоток измерения.

3. Двухкоординатный преобразователь механических усилий по п.2, отличающийся тем, что крышки выполнены цельными для повышения чувствительности, линеаризации выходной характеристики и являются предохранителями от механических перегрузок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вектора механической силы в двухкоординатной плоскости.

Известно устройство "Многокомпонентный стенд для измерения силомоментных нагрузок" (А. С. N 1633296 СССР, МПК, G 01 L 5/16, Бюллетень N 9, 1991 г.), содержащий основание с установленными на нем симметрично осям координат четырьмя равножесткими упругими элементами, шарнирно соединенными попарно двумя жесткими перемычками. Четыре двухшарнирные тяги, связывающие своими концами силомоментную раму с упругими элементами, вместе образуют пространственный параллелограмм-качалку. Между силоприемной рамой и основанием в геометрическом центре установлен преобразователь двух взаимно перпендикулярных сил.

Недостатком этого устройства является очень сложная система передачи сил, что уменьшает чувствительность и надежность измерительной системы.

Известно устройство "Трехмерный датчик для измерения магнитоупругих сил" (патент US N 5394756, МПК, G 01 L 1/12, РЖ ИСМ вып. 82, N 7, 1996 г.), содержащий полость для датчика, имеющую цилиндрический корпус круглого сечения и полусферические торцы. В корпус помещен магнитоупругий материал. Корпус имеет три зоны для измерения сил, равноотстоящие от центральной оси и симметрично распределенные внутри корпуса, каждая зона имеет отверстия, через которые проходят обмотки возбуждения и измерения.

Недостатками этого устройства являются большие габаритные размеры и материалоемкость, сложная конструкция.

Наиболее близким по технической сущности является устройство "Двухкоординатный измеритель натяжения" (А. С. N 1377631, СССР, G01L1/12, G01L5/04, МПК, Бюллетень N 8, 1988 г.), содержащий основание, на котором расположены магнитоупругие чувствительные элементы, выполненные в виде рамок, между которых находится измерительный ролик и силопередающий цилиндр. На сторонах рамок попарно размещены обмотки возбуждения и обмотки измерения, измеряющие горизонтальные и вертикальные компоненты вектора силы.

Недостатками прототипа являются большие габаритные размеры и сложность устройства.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение габаритных размеров и повышение надежности за счет упрощения конструкции.

Поставленная задача достигается двухкоординатным преобразователем механических усилий, содержащим магнитоупругий чувствительный элемент, одну обмотку возбуждения и две обмотки измерения горизонтальной и вертикальной компоненты вектора силы, в котором в отличие от прототипа плоскость, в которой расположена обмотка измерения горизонтальной компоненты вектора силы, лежит на оси вертикальной компоненты вектора силы и повернута относительно оси горизонтальной компоненты вектора силы на угол 45^o, а плоскость, в которой расположена обмотка измерения вертикальной компоненты вектора силы, лежит на оси горизонтальной компоненты вектора силы и повернута относительно оси вертикальной компоненты вектора силы на угол 45^o.

Магнитоупругий чувствительный элемент может состоять из пластин электротехнической стали и быть скреплен с обеих сторон крышками с вырезными полостями для обмотки возбуждения и обмоток измерения.

Крышки могут быть выполнены цельными, для повышения чувствительности, линеаризации выходной характеристики и служить предохранителями от механических перегрузок.

На фиг. 1 представлен общий вид двухкоординатного преобразователя усилий.

На фиг. 2 показан магнитоупругий чувствительный элемент с отверстиями для обмотки возбуждения и обмоток измерения.

На фиг. 3 показано расположение обмотки возбуждения и обмоток измерения.

На фиг. 4 показаны плоскости расположения обмотки возбуждения и обмоток измерения.

На фиг. 5 показаны вектора, характеризующие магнитное поле в преобразователе при отсутствии внешних механических сил.

На фиг. 6 показаны вектора, характеризующие магнитное поле в преобразователе при воздействии внешних механических сил.

На фиг. 7 показаны проекции на плоскость XOY векторов, характеризующих магнитное поле в преобразователе при воздействии внешних механических сил.

Двухкоординатный преобразователь механических усилий содержит магнитоупругий чувствительный элемент 1, имеющий контактные площадки 2 и 3 в виде выступов, для направленной передачи горизонтальной F_X и вертикальной F_Z компонент. В магнитоупругом чувствительном элементе 1 имеются два отверстия 4 для обмотки возбуждения 5, два отверстия 6 для обмотки измерения 8 горизонтальной компоненты F_X и два отверстия 7 для обмотки измерения 9 вертикальной компоненты F_Z. Плоскость 10, в которой расположена обмотка измерения 8 горизонтальной компоненты F_X лежит на оси вертикальной компоненты F_Z и повернута относительно оси горизонтальной компоненты F_X на угол _WX = 45 (фиг. 4), а плоскость 11, в которой расположена обмотка измерения 9 вертикальной компоненты F_Z лежит на оси горизонтальной компоненты F_X и повернута относительно оси вертикальной компоненты F_Z на угол _WZ = 45, линия AB, перпендикулярная плоскости 12, в которой расположена обмотка возбуждения 5 лежит на линии пересечения плоскостей 10 и 11 измерительных обмоток 8 и 9. Чувствительный элемент 1 может быть скреплен с обоих сторон крышками 13.

Двухкоординатный преобразователь механических усилий работает следующим образом.

В основе принципа действия предлагаемого устройства лежит анизотропия магнитных свойств, возникающая в материале под действием внешних механических сил.

Обмотка возбуждения 5, питаемая переменным электрическим током, в магнитопроводе, состоящем из магнитоупругого чувствительного элемента 1 и крышек 13, возбуждает переменное электромагнитное поле, которое по своему воздействию на измерительные обмотки 8 и 9 может быть охарактеризовано вектором магнитной индукции B (фиг. 5), который при равных нулю измеряемых горизонтальной F_X и вертикальной F_Z компонент, лежит на линии AB пересечения плоскостей 10 и 11, расположения измерительных обмоток 8 и 9. При этом проекции B_1EX и D_1EZ вектора магнитной индукции B на нормали к плоскостям 10 и 11, расположения измерительных обмоток 8 и 9, равны нулю по модулю. Это означает, что ЭДС не наводится в измерительных обмотках при отсутствии измерительных компонент F_X и F_Z.

При приложении горизонтальной компоненты F_X или вертикальной компоненты F_Z (фиг. 6), к соответствующим контактным площадкам 2 или 3, изменяются магнитные проницаемости в направлении осей X, Y и Z, в продольном и поперечных направлениях, относительно направлений прилагаемых сил. При этом изменение магнитной проницаемости в направлении прилагаемой силы больше, чем в направлениях, перпендикулярных направлению прилагаемой силы. Вследствие этого происходит поворот результирующего вектора магнитной индукции B в пространстве преобразователя (фиг. 6). Таким образом, изменяются величины проекций B_1EX (фиг. 7) и B_1EZ результирующего вектора магнитной индукции B на нормали к соответствующим обмоткам измерения 8 и 9. Проекции B_1EX и B_1EZ результирующего вектора магнитной индукции B наводят ЭДС в измерительных обмотках.

Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения вектора механической силы в двухкоординатной плоскости, в системах управления, сигнализации и телеизмерения, где необходима высокая надежность устройства и малые габаритные размеры измерительного преобразователя.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство для измерения вектора механических усилий в двухкоординатной плоскости имеет следующие преимущества:

1) меньшие геометрические размеры устройства и материалоемкость;

2) повышение надежности устройства за счет уменьшения количества обмоток.