Датчик критических упругих растягивающих напряжений на аморфной металлической ленте

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники для измерения критических значений упругих растягивающих напряжений в различных областях промышленности и может найти применение функциональной электронике, акустоэлектронике, в технических устройствах дефектоскопии и контроля критических механических напряжений. Технический эффект - возможность контроля критической величины упругих растягивающих напряжений. Датчик упругих растягивающих напряжений, содержит каркас, с обмоткой, внутри каркаса расположен упругий держатель, являющийся передатчиком внешних растягивающих напряжений, с прикрепленным к нему чувствительным элементом с электрическими выводами, держатель жестко закреплен с конструкцией из жестких стоек, соединенных с упругой пластиной из немагнитного материала, приклеенной к контролируемой поверхности, а чувствительный элемент, выполнен в виде узкой полоски, вырезанной из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты с наведенной осью легкого намагничивания, намотанной на него медной катушкой индуктивности, а обмотка выполнена в виде соленоида, создающего постоянное магнитное поле, выходы которого соединены с регулируемым источником постоянного электрического тока.

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники для измерения критических значений упругих растягивающих напряжений в различных областях промышленности и может найти применение функциональной электронике, акустоэлектронике, в технических устройствах дефектоскопии и контроля критических механических напряжений.

Известен магнитоупругий датчик для измерения механических напряжений /Патент РФ 2050530 G01L 1/12, 1995 содержащий неметаллический каркас, состоящий из двух частей. В одной части каркаса выполнена наружная резьба для закрепления его в корпусе и паз, в котором размещено ферритовое кольцо с обмоткой. В другой части каркаса выполнен кольцевой выступ, в котором установлена пружина с возможностью регулирования коэффициента жесткости.

Известен тензодатчик для измерения усилий /Патент США 5076375, 177/45, G01G 23/18, G01L 1/22.1991, содержащий герметичный корпус, состоящий из двух соединенных между собой чашек, каждая из которых имеет центральное отверстие, расположенный вдоль оси корпуса силовоспринимающий элемент в виде стержня, имеющего два концевых участка, пропущенных через центральные отверстия чашек имеющего два концевых участка, пропущенных через центральные отверстия чашек и герметично соединенных с ними, и расположенный между ними центральный участок, на котором закреплены тензорезисторы, и гермовывод для подключения датчика к регистрирующей аппаратуре. Датчик снабжен трубкой для продувки полости корпуса очищенным газом с последующей ее герметизацией.

Известен датчик для измерения усилий /патент РФ на полезную модель 53774 G01L 1/22 2006 г/, содержащий герметичный корпус, имеющий цилиндрический кожух и два торцевых элемента, по меньшей мере, один из которых выполнен в виде кольцевой гофрированной мембраны, упругий силовоспринимающий элемент с тензорезисторами, воспринимающими продольные и поперечные деформации, установленный внутри корпуса, и гермовывод для подключения к регистрирующей аппаратуре, при этом полость корпуса заполнена гидрофобным диэлектриком, отличающийся тем, что в качестве гидрофобного диэлектрика использован герметизирующий морозостойкий диэлектрический гель.

Ближайшим аналогом является магнитоупругий датчик для измерения механических напряжений /А.С. СССР 1515076 G01L 1/12, 15.10.1989/ содержащий ферритовое кольцо с равномерно нанесенной на его окружности обмоткой, которое в свою очередь размещено внутри кольца из упругого материала. На торцовые поверхности и во внутреннюю полость ферритового кольца нанесен схватывающий раствор цемента с наполнителем из сыпучего немагнитного материала, имеющего коэффициент теплового расширения больший, чем у феррита. При воздействии нагрузки на крышку датчика давление передается на раствор и через него - на ферритовое кольцо, что приводит к изменению индуктивного сопротивления обмотки. При изменении температуры изменение магнитной проницаемости кольца компенсируется обратным изменением этой величины от изменения давления раствора на поверхность кольца.

Недостатком известных датчиков является невозможность контроля критической величины растягивающих напряжений

Задачей предлагаемой полезной модели является создание датчика критических упругих растягивающих напряжений, позволяющего контролировать их критическую величину, путем индукционной регистрации скачкообразного изменения намагниченности чувствительного элемента из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты на основе железа при достижении этой критической величины.

Поставленная задача достигается тем, что в датчике упругих растягивающих напряжений, содержащий каркас, с обмоткой, внутри каркаса расположен упругий держатель, являющийся передатчиком внешних растягивающих напряжений, с прикрепленным к нему чувствительным элементом с электрическими выводами, держатель жестко закреплен с конструкцией из жестких стоек, соединенных с упругой пластиной из немагнитного материала, приклеенной к контролируемой поверхности, а чувствительный элемент, выполнен в виде узкой полоски, вырезанной из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты с наведенной осью легкого намагничивания, намотанной на него медной катушкой индуктивности, а обмотка выполнена в виде соленоида, создающего постоянное магнитное поле, выходы которого соединены с регулируемым источником постоянного электрического тока.

На фиг. 1 изображен общий вид датчика критических растягивающих напряжений.

Датчик представляет собой бескорпусное устройство. Датчик содержит тонкий полый цилиндрический диэлектрический каркас 1, в котором находится плоский упругий держатель 2 из немагнитного материала с прикрепленным к нему чувствительным элементом 3 в виде узкой полоски длиной 0,03-0,05 м, вырезанной из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты на основе железа (например, Fe₆₄Co₂₁ B₁₅ или Fe_81,5B_13,5Si₃ C₂). Длина цилиндрического каркаса 1 составляет около двух длин чувствительного элемента 3. На чувствительный элемент 3 в его центральной части навита медная катушка индуктивности 4, соединенная через отверстия в каркасе с триггерным устройством 5, срабатывающим при превышении определенного значения электрического напряжения. На цилиндрический каркас вдоль всей его длины навит медный соленоид 6, выходы которого соединены с регулируемым источником постоянного электрического тока 7. Упругий держатель 2, выполненный из немагнитного материала жестко закреплен с обоих сторон при помощи крепежных устройств 8 с жесткими неупругими стойками 9, которые соединены через 10 с упругой пластиной из немагнитного материала 11, приклеенной к контролируемой поверхности 12.

Устройство работает следующим образом:

С целью устранения влияния процессов структурной релаксации и достижения стабильной работы чувствительного элемента представляется целесообразным проведение низкотемпературной обработки аморфной ленты без внешнего магнитного поля. Ось легкого намагничивания чувствительного элемента 3 наводится проведением дополнительной термомагнитной обработки в вакууме 10^-3-10^-5 мм. рт.ст. при приложении постоянного (переменного) магнитного поля под углом 75°-45° по отношению к направлению перпендикулярному длине полоски в интервале температур между температурой Кюри и температурой начала процесса кристаллизации. Обработка чувствительного элемента в указанном интервале температур позволяет произвести в нем релаксацию внутренних закалочных напряжений и создать выраженную одноосную анизотропию с заданной ориентацией оси легкого намагничивания и величиной поля наведенной анизотропии.

Первоначально чувствительный элемент 3 находится в постоянном магнитном поле, ориентированном вдоль его длины. Значение первоначального магнитного поля определяется величиной критического поля упругих растягивающих напряжений поверхности. С ростом значения упругих растягивающих напряжений, действующих на поверхность 11 в упругой части датчика также возникают растягивающие напряжения, которые при помощи неупругих стоек 9 и держателя аморфной ленты 2 передаются на чувствительный элемент 3. При этом ось легкого намагничивания изменяет ориентацию, а величина поля наведенной анизотропии линейно уменьшается. Величина уменьшения поля наведенной одноосной анизотропии чувствительного элемента и угол поворота оси легкого намагничивания при приложении внешних упругих растягивающих напряжений определяется их величиной, константой магнитострикции аморфной металлической ленты, а также первоначальным значением угла между осью легкого намагничивания и линией приложения напряжений. Величина критических упругих растягивающих напряжений срабатывания готового датчика определяется силой тока в соленоиде 6, задаваемой регулируемым источником постоянного электрического тока 7.

Скачкообразное изменение намагниченности ленты, возникающее при достижении критической величины упругих растягивающих напряжений, регистрируется индукционным методом при помощи катушки индуктивности 4 и может фиксироваться при помощи триггерного устройства 5 (при достижении критической величины растягивающих напряжений происходит однократное резкое изменение ЭДС на выводах индукционной катушки 4).

,

где - регистрируемая ЭДС, - магнитный поток, проходящий через поперечное сечение катушки индуктивности. Точность срабатывания датчика критической величины внешних упругих растягивающих напряжений определяется точностью измерений порогового значения напряжения триггерным устройством 5.

Нижняя граница интервала работы датчика определяются величиной поля наведенной анизотропии, заданием первоначальной ориентации оси легкого намагничивания и может варьироваться в широком интервале внешних упругих растягивающих напряжений. Верхняя граница интервала работы датчика по величине прикладываемых растягивающих напряжений должна не превышать предела упругости чувствительного элемента из аморфной металлической ленты

Технический эффект - возможность контроля критической величины упругих растягивающих напряжений.

Датчик критических упругих растягивающих напряжений на аморфной металлической ленте, содержащий каркас, с обмоткой, отличающийся тем, что внутри каркаса расположен упругий держатель, являющийся передатчиком внешних растягивающих напряжений, с прикрепленным к нему чувствительным элементом с электрическими выводами, держатель жестко закреплен с конструкцией из жестких стоек, соединенных с упругой пластиной из немагнитного материала, приклеенной к контролируемой поверхности, а чувствительный элемент выполнен в виде узкой полоски, вырезанной из высокомагнитострикционной аморфной металлической ленты с наведенной осью легкого намагничивания, намотанной на него медной катушкой индуктивности, а обмотка выполнена в виде соленоида, создающего постоянное магнитное поле, выходы которого соединены с регулируемым источником постоянного электрического тока.