Преобразователь угловых перемещений

 

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий магнитную систему и датчик магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, расщирения пределов измерений и упрощения конструкции, датчик магнитного поля выполнен на основе магнитострикционного микрорезонатора из монокристалла антиферромагнетика с анизотропией типа легкая плоскость и размещен в зазоре магнитной системы, содержащей постоянный магнит и имеющей подвижный регулятор изменения составляющей напряженности магнитного поля на базисную плоскость кристалла. (Л с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„167421 ($>)< <: 01 В 7/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3630239/24-21 (22) 26.07.83 (46) 15.07.85. Бюл. Р 26 (72) Н.Н.Евтихиев, С.A.Ïîãîæåâ, В.Л.Преображенский и H.À,Ýêîíîìîâ (71) Московский институт радиотехники, электроники и автоматики (53) 621.318.38(088.8) (56) Кудрявцев В.Б., Лысенко А.П., Тищенко Н.М, Прецизионные преобразователи электрических сигналов и угловых перемещений на принципах квантовой магнйтометрии. М., Энергия, 1977.

Кудрявцев В.Б,, Лысенко A.Ï., Милохин Н.Т., Тищенко Н.М. Прецизионные частотные преобразователи автома" тизированных систем контроля и управления. М., Энергия, 1974. (54) (57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЬ1К

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий магнитную систему и датчик магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, расширения пределов измерений и упрощения конструкции, датчик магнитного поля выполнен на основе магнитострикционного микрорезонатора из монокристалла антиАерромагнетика с анизотропией типа "легкая плоскость" и размещен в зазоре магнитной системы, содержащей постоянный магнит и имеющей подвижный регулятор изменения составляющей напряженности магнитного поля -на базисную плоскость кристалла.

11б7421

2. Преобразователь по и. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, подвижный регулятор выполнен в виде двух цилиндрических полых магнитных экранов, вращающихся относительно друг друга, на внутренней стороне одного из которых закреплен постоянный магнит, а на другом — датчик магнитного поля.

3. Преобразователь по и. i, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, подвижный регулятор выполнен в виде цилиндрического полого магнитного

Изобретение относится к области электрических измерений угловых перемещений и может быть использовано в автоматике, телемеханике и приборостроении.

Цель изобретения — расширение пределов и увеличение точности измерения и упрощение конструкции преобразователя угловых перемещений за счет использования в датчике магнитного поля эффекта резкой зависимости скорости звука в монокристаллах антиферромагнетиков с анизотропией типа легкая плоскость" (в качестве материала может быть использован пример гематит или борат железа FeBO ) от величины составляющей напряженности внешнего мзгнитнсго поля на базисную плоск ос rü кристалх:a, а также Опреде.-сенным выполнением подвижного регулятора изменения составляющей на базисную плоскость кристалла датчика.

11а фиг: 1 показан преобразователь угловых перемещений с подвижным регулятором составляющей напряженности магнитного поля; на фиг. 2 — то же, экранированием подвижным регулятором, ка фиг. 3 — то же, с нокиусным подвижным регулятором.

Преобразователь угловых перемещений (фиг. 1) содержит подвижный регулятор, 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 датчик магнитного поля.

4. Преобразователь по и. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, подвижный регулятор выполнен в виде диска, на котором по периметру закреплено четкое число постоянных магнитов, намагниченных во взаимно противоположнык направлениях, а датчик магнитного поля укреплен между двумя неподвижными полюсными наконечниками магнитной системы. относительно друга, постоянного магнита 3, например из материала SmCo расположенного на внутренней стороне экрана 1, датчика 4 магнитного поля

5 на основе магнитострикционного микрорезонатора из антиферромагнетика с анизотропией типа легкая полость", жестко закрепленного с помощью стойки 5 на экране 2.

Магнитострикционный резонатор является соста.вной частью устройства для измерения магнитной индукции и состоит из сердечника внутри медной рамки, выполненного в виде пластины, параллельной базисной плоскости кристалла антиферромагнетика (например, монокристалла гематита), закрепленного в геометрическом центре большой грани к корпусу медной рамки с помощью жесткого стержня, а также из индукционных обмоток возбуждения и съема акустических резонансных колебаний сердечника (за счет прямого и обратного эффекта магнито— стрикции), расположенных на медной рамке.

Для сердечника резонатора в форме диска с радиусом R (порядка 2-3 мм)

30 зависимость резонансной частоты с от величины составляющей подмагничивающего поля Н на базисную плоскость кристалла определяется выражением

w= 2,36 Е C„!о ;

1167431

2с = ((Г„-с, ) с „ -2ciq I (1 — y, /

„=2Н Н,п (wÄ/у) 3 Ъ2 Н е(2В м) /МОС Ф(so /7) где C;I — модули упругости кристалла;

Р— плотность кристалла; 10

Н вЂ” напряженность эффективного обменного поля;

Ншз — эффективное поле спонтанной стрикции;

 — магнитоупругая постоянная кристалла, ui — частота антиферромагнитного резонанса, аз = у(Н(Н+Н )+2Н Н,,1з )

H* поле Дзялошинск ого»

20 г — гидромагнитное отношение, Экспериментально реализованы следующие параметры магнитострикционного резонатора: перестройка резонансной частоты в 1,7 раза в диапазоне подмагничивающих полей от II = 30 Э до Н = 2 кЭ, добротность до 10 частотный диапазон работы 100-1 МГц» коэффициент магнитомеханической связи, характеризующий эффективность индукционного возбуждения, до 3%.

Закон управления ы (Н) имеет безгистерезисный характер. Резонатор сохраняет свои параметры при неоднородности подмагничивающего поля Н 35 до 90% на 0»5 см. Расположение базисной плоскости монокристалла резонатора (фиг. 1) в виде квадрата совпадает с плоскостью чертежа.

Датчик магнитного поля выполнен 40 по автогенераторной схеме. При изменении подмагничивающего поля Н> от

30 Э до 2 кЭ частота автоколебаний изменяется в 1,7 раза. Высокая стабильность частоты автоколебаний 45 (менее 10 ) обеспечивается большой — 6 акустической добротностью резонатора, включенного в цепь положительной обратной связи автогенератора.

Внешнее подмагничивающее поле в 50 преобразователе угловых перемещений создается постоянным магнитом из материала SmCo<, размером 5х10х10 мм, который обеспечивает максимальную магнитную индукцию в датчике магнит- 55 ного поля до 0,2 Тл.

Преобразователь угловых перемеще- ний работает следующим образом.

При 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 кристалла резонатора датчика 4 магнит-. ного 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 на 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 магнитострикционного микрорезонатора из антиферромагнетика (коэффициент магнитомеханической связи 3%) позволяет упростить схему активного элемента автогенераторного датчика магнитного поля (требуется однотранзисторный апериодический усилитель с коэффициентом усиления порядка 10, автогенератор имеет узкую спектральнуюлинию и соотношение сигнал/

421

S 1167 шум не ограничивает точность и быст- родействие преобразователя).

Диапазон измерений углового положения определяется однозначным соответствием зависимости угол — величина подмагничивающего поля Н и составляет 90; точность - определяется высокой крутизной характеристики N(H) датчика магнитного поля и максимальной напряженностью внешнего магнит- 10 ного поля постоянного магнита (при Н максимальном 2 кЭ) и составляет

0,6 угловых секунд.

Если датчик 4 магнитного поля закреплен не в центре экрана 2 (показано на фиг. 1 пунктиром), то при повороте экрана 1 относительно экрана 2 изменяется не только взаимная ориентация вектора напряженности магнитного поля магнита 3 и базисной 20 плоскости микрорезонатора датчика 4 магнитного поля, но и модуль вектора напряженности магнитного поля из-за изменения расстояния между магнитом 3 и датчиком 4 магнитного поля. Таким 25 образом, подбирая расположение датчика 4 магнитного поля на плоскости экрана 2 можно изменять закон преобразования угол - величина подмагничивающего поля Н, а следовательно, и ,закон преобразования угол - частота преобразователя углового положения.

Устройство преобразователя угловых перемещений согласно фиг. 2 содержит подвижный регулятор, выпол35 ненный в виде цилиндрического полого стакана 6 с щелочью на боковой поверхности из магнитомягкого материала, магнитного экрана 2 любой формы иэ магнитомягкого материала, расположенного на внутренней стороне стакана 6, постоянного магнита 3 из материала SmCo, расположенного внутри экрана 7 автогенераторного датчика 4 магнитного поля на основе магнитострикционного микрорезонатора из антиферромагнетика с анизотропией типа "легкая плоскость", жестко эак" репленного с помощью стойки 5 на экране 2.

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 боковой стороне.

Преобразователь работает следующим образом.

При повороте полого стакана 6 иэ меняется степень экранирования поля постоянного магнита 3, величина подмагничивающего поля Н в датчике 4 магнитного поля, а следовательно, изменится частота автогенераторного датчика 4 магнитного поля. Подбором конфигурации и площади окна можно

1 изменить закон преобразования угол - величина подмагничивающего поля Й, I / а следовательно, и закон угол — частота преобразователя угловых перемещений. По сравнению с преобразова,телем угловых перемещений на фиг. 1 диапазон измерения угловых переме-. щений, определенный однозначным соответствием угол — величина подмагничивающего поля, расширяется до

180 С. Магнитный экран 7 может быть выполнен в отличие от первого случая любой формы.

Преобразователь угловых перемещений по фиг. 3 содержит подвижный регулятор 81 выполненный в виде диска-основания, четного числа N постоянных магнитов 9 из материала

SmCo, намагниченных во взаимно противоположных направлениях и закрепленных равномерно на основании 8 по периметру, автогенераторного датчика 4 магнитного поля на основе магнитострикционного антиферромагнитного резонатора, закрепленного с помощью стойки 5 между двумя неподвижными полюсными наконечниками 10 из магнитомягкого материала.

Полюсные наконечники использованы в качестве концентраторов магнитного поля постоянных магнитов 9 в датчике

4 магнитного поля. Боковые размеры полюсных наконечников выбирают равным боковым размерам магнита 9. Резонатор датчика 4 магнитного поля расположен симметрично относительно боковой поверхности полюсных наконечников 10. Расположение базисной плоскости резонаторов, показанное в виде квадрата на фиг. 3, совпадает с 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

Составитель А. Комиссаров

Редактор M. Келемеш Техред lK.Кастелевич Корректор 0. Луговая

Заказ 4423/38 Тираж 651 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 когда площади перекрытия между полюсными наконечниками 10 и двумя постоянными магнитами 9 одинаковы. Повороту подвижного регулятора ha угол

360 соответствует число полых пери6 одов 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 N 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