ЭЛЕКТРОМЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к электромеханике, а именно к микроэлектромеханическим системам и может быть использована для измерения ускорения и деформаций корпуса объекта в современных системах диагностики технического состояния объекта, а также генерирования колебаний для систем неразрушающего контроля.
Известен бесплатформенный инерциальный измерительный преобразователь (патент РФ №2368871, МПК G01C 21/00, опубл. 27.09.2008), содержащий три акселерометра, первый, второй и третий гироскопические измерители угловой скорости, вычислительное устройство, устройства компенсации погрешностей, подключенные к выходам гироскопических измерителей угловой скорости.
Недостатком такого бесплатформенного инерциального измерительного преобразователя является способность измерять только одну переменную - ускорение.
Известен также шаговый линейный электростатический двигатель (патент США №5808383, МПК 6 Н02К 41/00, опубл. 16.10.1997), состоящий из плоского статора, имеющего емкостную структуру, сформированную металлическим слоем и слоем диэлектрического материала. Подвижная часть двигателя параллельна и отделена от статора и имеет группы проводящих тонких пленок, совершающих накат на слой диэлектрического материала статора.
Недостатком этого двигателя является наличие значительных потерь на трение направляющих о слой диэлектрического материала статора.
Наиболее близким, принятым за прототип, является электромеханизм микроструктурный нитевидный (патент РФ №2281909, МПК В81В 3/00 (2006.01), опубл. 20.08.2006), содержащий по меньшей мере два одноосно ориентированных взаимно электрически изолированных гибких непрерывных электрода, обладающих электрической проводимостью по меньшей мере в осевом направлении, которые через равные интервалы длины (периодически) перехвачены жестко фиксирующими их взаиморасположение микроструктурными функциональными элементами (интерцепторами) - периодическую микроструктуру нитевидную (ПМН). Полная осевая длина интерцепторов на заданную величину меньше периода их размещения вдоль оси ПМН. Интерцепторы, в свою очередь, содержат по меньшей мере по два микроструктурных образования, выполненных из материала с повышенными по отношению к окружающей среде эффективными значениями диэлектрической и/или магнитной проницаемости (индуктора), симметрично расположенных по обе стороны средней части осевой длины интерцепторов, в пределах которой они скреплены с электродами, и касающихся по меньшей мере половины от общего числа электродов вблизи мест их крепления криволинейными цилиндрическими поверхностями, соответствующими единому заданному профилю клиновидных зазоров между индуктором и касающимися его электродами.
Этот электромеханизм обладает ограниченной функциональностью, так как не позволяет совершать обратимое электромеханическое преобразование энергии - быть датчиком и двигателем.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей электромеханизма за счет его использования в режимах датчика и двигателя.
Поставленная задача решена за счет того, что электромеханизм, также как в прототипе, содержит гибкий электрод из материала, обладающего электрической проводимостью.
Согласно полезной модели, гибкий электрод размещен в корпусе из полимерного материала, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, на дне которого закреплена металлическая подложка. На подложку нанесен слой диэлектрика с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости. Электрод выполнен изогнутым U-образным, причем наружная поверхность выполнена с возможностью соприкосновения со слоем диэлектрика. Прямоугольные в плане поверхности электрода выполнены с возможностью соприкосновения с внутренней верхней поверхностью корпуса и подключены к системе питания и управления, которая соединена с металлической подложкой.
За счет предложенной конструкции электромеханизма, электрическая емкость конденсатора, образованного электродом, слоем диэлектрика и металлической подложкой изменяется при деформациях или вибрациях корпуса контролируемого объекта. Так как наружная поверхность электрода имеет изменяющуюся по площади поверхность соприкосновения со слоем диэлектрика, электрическая емкость электромеханизма прямо пропорциональна поверхности соприкосновения.
Использование системы питания и управления позволяет регистрировать уровень колебаний контролируемого объекта, а также прикладывать переменное напряжение, вызывая вибрации корпуса электромеханизма, передаваемые на контролируемый объект. Таким образом, это позволяет использовать предложенный электромеханизм в системах неразрушающего контроля, диагностики технического состояния технологических объектов в режимах как датчика, так и двигателя для генерации колебаний.
Конструкция электромеханизма приведена на фиг.1.
Электромеханизм содержит корпус 1, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, на дне которого закреплена металлическая подложка 2, на которую нанесен тонкий слой диэлектрика 3 с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости, например, выполненный из керамики на основе титаната бария. Внутри корпуса 1 размещен электрод 4, который выполнен из U-образно изогнутой металлической пластины из упругого материала, обладающего электрической проводимостью, например, из бериллиевой бронзы. Наружная изогнутая поверхность электрода 4 соприкасается со слоем диэлектрика 3. Прямоугольные в плане поверхности электрода 4 примыкают к верхней внутренней поверхности корпуса 1 и подключены к системе питания и управления 5. Металлическая подложка 2, например, из нержавеющей стали, также подключена к системе питания и управления 5 (СПиУ). Корпус 1 выполнен из полимерного материала, например, из пластмассы.
В качестве системы питания и управления 5 (СПиУ) выбран комбинированный преобразователь, содержащий измеритель емкости и транзисторный импульсный преобразователь мостового типа, связанные с микроконтроллером ATMEGA 16.
При использовании емкостного электромеханизма в качестве датчика, его приклеивают верхней внешней поверхостью корпуса на объект контроля, испытывающий механические колебания, например, электрический двигатель.
При работе электрического двигателя возникает силовое воздействие на корпус 1 электромеханизма. За счет деформации корпуса 1 площадь соприкосновения электрода 4 и диэлектрика 3 изменяется, в результате чего изменяется емкость конденсатора, образованного электродом 4, слоем диэлектрика 3 и металлической подложкой 2. Сигнал емкости поступает с измерителя емкости системы питания и управления 5 (СПиУ) на микроконтроллер, который вычисляет вторую производную сигнала емкости по времени, которая пропорциональна ускорению колебаний корпуса электрического двигателя. Это позволяет судить об уровне вибраций корпуса электрического двигателя для диагностики его механического состояния.
При использовании электромеханизма в режиме двигателя для генерации колебаний, например, в системах неразрушающего контроля, электромеханизм приклеивают верхней частью на наружную поверхность, например, трубы нефтепровода. Между электродом 4 и металлической подложкой 2 прикладывают с помощью 5 (СПиУ) переменное напряжение прямоугольной формы с частотой до 1 кГц. В результате электрод 4 деформируется под действием электрической силы и приводит в движение корпус 1, который связан с объектом контроля, передавая вибрации ему. Отраженный сигнал поступает на схему измерения емкости системы питания и управления 5 (СПиУ) и обрабатывается микроконтроллером. В результате сравнения полученного сигнала с эталонным, судят о механическом состоянии объекта (наличие механических дефектов, например, трещин и напряженного механического состояния конструкции).