датчик положения и скорости перемещения быстродвижущихся тел

Формула изобретения

Датчик положения и скорости перемещения быстродвижущихся тел, включающий корпус из высокоомного немагнитного материала, магнитопровод, измерительные катушки и источник постоянного магнитного поля, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в форме закрытой буквы Ш, средний стержень которого имеет воздушный зазор, через который проходит измерительный канал, магнитопровод расположен в плоскости, перпендикулярной оси измерительного канала, симметрично относительно его оси в неэлектропроводном материале, например мастике, измерительные катушки намотаны на концах среднего стержня магнитопровода, примыкающих к измерительному каналу, постоянные магниты присоединяются к противоположным концам среднего стержня одноименными полюсами относительно оси стержня, но противоположными полюсами относительно измерительного канала, причем толщина стенки корпуса датчика, отделяющей средний стержень магнитопровода от измерительного канала, выбирается из условия

где - толщина стенки корпуса датчика, отделяющей средний стержень магнитопровода от измерительного канала, м;

- удельное электрическое сопротивление материала стенки, Ом·м;

а - толщина среднего стержня магнитопровода в направлении оси канала, м;

u_max - максимальная измеряемая скорость движущегося тела, м/с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к бесконтактным датчикам фиксации положения и скорости движения объектов, метаемых из ствольных систем различного типа (пневматических, пороховых или легкогазовых баллистических установок).

Известно устройство измерительного датчика [1], состоящего из Ш-образного сердечника, на боковых стержнях которого расположены соединенные последовательно катушки возбуждения, питаемые переменным током, на среднем укороченном стержне - измерительная катушка. В отсутствие электропроводящего объекта, скорость которого измеряется, магнитный поток замыкается через воздушный зазор между крайними стержнями сердечника. При вхождении в этот зазор электропроводного объекта магнитный поток вытесняется из зазора, и часть его замыкается через укороченный средний стержень, создавая ЭДС сигнала в измерительной катушке.

Известны датчики дульной скорости, в которых скорость снаряда измеряется по сигналам с расположенных соосно со стволом измерительных катушек при пролете сквозь них снаряда [2, 3, 4].

Описанные выше датчики имеют следующие недостатки:

- низкий уровень сигнала;

- ограничение по диапазону измеряемых скоростей;

- большая погрешность измерения.

Известен датчик, в котором положение и скорость снаряда, несущего один или два магнита, измеряется с помощью катушки, расположенной перпендикулярно оси ствола [5], причем катушка помещена в корпус из немагнитной нержавеющей стали. Недостатком такого датчика является низкий уровень сигнала, причем он может регистрировать скорость снаряда только с вмонтированными в него магнитами.

Известны датчики, в которых измерительная катушка намотана на ферромагнитный стержень, один торец которого обращен к перемещаемому телу, а ко второму торцу прикреплен постоянный магнит [6, 7]. Недостатком такого датчика является то, что катушка намотана по всей длине ферромагнитного стержня. Это снижает уровень полезного сигнала и требует использования дополнительной аппаратуры для усиления регистрируемого сигнала.

Известен датчик [8], включающий в себя: корпус из высокоомного немагнитного материала, магнитопровод, в разрыв которого помещен измерительный канал, измерительные катушки и источник постоянного магнитного поля. Магнитопровод выполнен из двух ферритовых стержней, расположенных на одной прямой, перпендикулярной оси измерительного канала. Измерительные катушки намотаны на магнитодиэлектрические стержни заподлицо с торцами, обращенными к измерительному каналу, а постоянные магниты одним из своих полюсов прикреплены к противоположным торцам магнитодиэлектрических стержней, противоположные полюса магнитов замыкаются через воздушное пространство. В описанной конструкции датчика постоянное магнитное поле, исходящее от постоянных магнитов, замыкается не только через измерительный канал, но и через воздушное пространство от незамкнутых полюсов магнитов, что приводит к размытости магнитного барьера и, следовательно, к значительной ошибке в определении положения и скорости метаемого тела. В случае, когда в окрестности датчика находятся ферромагнитные материалы, например при выстреле в баллистическую трассу, магнитное поле может быть искажено настолько значительно, что использование данного датчика теряет смысл.

Наиболее близким по технической сущности и условиям применения является датчик положения и скорости снаряда для высокоскоростных метательных комплексов [9], выбранный за прототип. Датчик [9] включает С-образный магнитопровод с намотанными на него измерительной катушкой и катушкой возбуждения или с вмонтированным в него постоянным магнитом. Измерительный канал помещается в воздушный зазор С-образного магнитопровода и отделяется от него высокоомной немагнитной вставкой.

Принцип работы такого датчика основан на замыкании (движущееся тело - ферромагнетик) или размыкании (движущееся тело - диамагнетик) магнитной цепи магнитопровода, что приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе и, в свою очередь, появлению ЭДС на измерительной катушке.

Описанный выше датчик с С-образным магнитопроводом имеет следующие недостатки:

- недостаточно высокий уровень полезного сигнала, так как измерительная катушка удалена от места, где реализуется максимальное изменение магнитного потока;

- несимметричность магнитного поля в воздушном зазоре, что приводит к ошибкам в случаях, когда метаемое тело мало по сравнению с диаметром измерительного канала.

Задачей изобретения является повышение уровня полезного сигнала.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном датчике положения и скорости, включающем корпус из высокоомного немагнитного материала, магнитопровод, измерительные катушки и источник постоянного магнитного поля, магнитопровод выполнен в форме закрытой буквы Ш, средний стержень которого имеет воздушный зазор, через который проходит измерительный канал, магнитопровод расположен в плоскости, перпендикулярной оси измерительного канала, симметрично относительно его оси в неэлектропроводном материале, например мастике, измерительные катушки намотаны на концах среднего стержня магнитопровода, примыкающих к измерительному каналу, а на противоположных концах среднего стержня присоединяются постоянные магниты одноименными полюсами относительно оси стержня и разноименными полюсами относительно оси измерительного канала, причем толщина стенки корпуса датчика, отделяющей средний стержень магнитопровода от измерительного канала, выбирается из условия

где - толщина стенки корпуса датчика, отделяющей средний стержень магнитопровода от измерительного канала (м);

- удельное электрическое сопротивление материала стенки (Ом·м);

а - толщина среднего стержня магнитопровода в направлении оси канала (м);

u_max - максимальная измеряемая скорость движущегося тела (м/с).

На чертеже приведен пример конкретного исполнения заявляемого датчика.

Датчик состоит из корпуса 1, изготовленного из немагнитного высокоомного материала (например, из титана или немагнитной нержавеющей стали), магнитопровода 2, выполненного из ферритовых стержней, постоянных магнитов 3, измерительных катушек 4, термостойкой и неэлектропроводной мастики 5, удерживающей конструкцию в корпусе и предохраняющей от вибрации. Все элементы датчика расположены симметрично относительно измерительного канала 6.

В качестве прототипа выбран датчик с С-образным магнитопроводом [9].

Датчик работает следующим образом: при пролете в измерительном канале ферромагнитного или диамагнитного тела изменяется магнитное сопротивление воздушного промежутка между ферритовыми стержнями, составляющими средний стержень магнитопровода 2, что приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе и появлению ЭДС в измерительных катушках 4. Выполнение магнитопровода в форме закрытой буквы Ш позволяет, с одной стороны, увеличить величину стационарного магнитного потока, с другой - создать симметричное относительно оси измерительного канала магнитное поле в воздушном зазоре среднего стержня магнитопровода, что способствует увеличению амплитуды сигнала с измерительных катушек 4 и меньшей его зависимости от положения метаемого тела относительно оси измерительного канала для малых, по сравнению с его диаметром, тел.

Толщина стенки корпуса датчика (см. чертеж), отделяющей средний стержень магнитопровода от измерительного канала при известном удельном электрическом сопротивлении немагнитного материала корпуса, должна удовлетворять неравенству

где - удельное электрическое сопротивление материала стенки (Ом·м);

а - толщина среднего стержня магнитопровода в направлении оси канала (м);

u_max - максимальная измеряемая скорость движущегося тела (м/с).

Величина , рассчитанная по формуле (1), измеряется в метрах.

При выполнении неравенства (1) изменения магнитного поля, вызванные пролетом метаемого тела в воздушном зазоре, успеют диффундировать через стенку при ширине магнитного потока, равного 4а, что следует из решения уравнения магнитной индукции [10] типа тепловой волны [11] при пренебрежении отличием магнитной проницаемости материала стенки от магнитной проницаемости вакуума.

Справедливость неравенства (1) подтверждена экспериментально для датчиков с измерительными каналами диаметров 5÷34 мм. Уровень полезного сигнала в зависимости от материала корпуса, размеров и материала метаемого тела изменяется в диапазоне 0,7÷30 В и может использоваться для запуска регистрирующей аппаратуры без дополнительного усиления. Использование двух катушек в одном измерительном сечении позволяет повысить надежность регистрации времени пролета тела через измерительное сечение, а при оснащении измерительного канала двумя измерительными сечениями, на расстоянии, кратно превосходящем протяженность зоны чувствительности датчика, равной примерно 4а, возможно измерение скорости метаемого тела.

Источники информации

1. Заявка ФРГ №2425872, МКИ G01Р 3/42, 13/00, 1979 г.

2. Патент США №3824463, МКИ G01Р 3/66, 16.07.1974 г.

3. Патент Великобритании №1178572, МКИ G01Р 3/50, 21.01.1970 г.

4. Заявка ФРГ №2038733, МКИ G01Р 3/66, 1972 г.

5. D.W.Bogdanoff, С.Knowlen, D.Murakami, I.Stonich. Magnetic Detector for Projectiles in Tubes // AIAA Jornal, vol.28. №11, 1990, p.1942-1944.

6. Патент США №5483156, МКИ G01Р 3/48, 09.01.1996 г.

7. Патент США №5486758, МКИ G01Р 3/48, 23.01.1996 г.

8. Патент Российской Федерации №2193207, МКИ G01Р 3/42, 02.02.1999 г.

9. Синяев С.В. Датчик скорости для высокоскоростных метательных комплексов // Тезисы докл. Межд. науч.-техн. конф. "Динамика систем механизмов и машин". Омск, 1995. Кн.1. С.54.

10. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1976. - 616 с.

11. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: ГИТТЛ, 1952. - 392 с.