СЕНСОР НА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СПИРАЛИ
HELIX SENSOR

Принятые сокращения:
ПС - пространственная винтовая спираль (необязательно с одинаковым шагом вдоль оси и необязательно с одинаковым приращением поперек оси), преимущественно гладкая (похожая в проекции на плоскость, нормальную к оси спирали, например, на спираль Архимеда или Ферма, или иную с нарастающим либо убывающим шагом и проч.);
СПС - сенсор на ПС;
Л
ЭМЭ - электромагнитные эффекты (в соответствии с классической электродинамикой являются отражением силы Лоренца F, действующей со стороны электромагнитного поля на точечный заряд q-F=q·(Е+[v×В]), где Е - напряженность электрического поля, v - скорость заряда, В - индукция магнитного поля) - в представленных материалах под силой Лоренца следует понимать силу, равную произведению заряда на векторное произведение его скорости и магнитной индукции - F=q·[v×В], тогда как под силой кулоновского взаимодействия - опущенное из приведенной выше формулы слагаемое.
В представленном материале используются следующие понятия:
- диаметр витка ПС - в каждой точке ПС последняя имеет свой диаметр витка, который можно определить как удвоенное расстояние от данной точки ПС до ее оси (таким образом, конкретный диаметр витка ПС не присущ всему витку, а привязан к его конкретной точке или к конкретному сечению ПС плоскостью, параллельной оси ПС);
- ПС, намотанная по часовой стрелке, - ПС, при взгляде на которую со стороны витков с большим диаметром движение по ПС от ее внутреннего (начального) витка к внешнему (конечному) - от витка с меньшим диаметром, к витку с большим - происходит по часовой стрелке (см. фиг. 2) (соответствующим образом может быть дано определение ПС, намотанной против часовой стрелки);
- ПС, намотанная против часовой стрелки, - ПС, в проекции которой на плоскость, перпендикулярную оси ПС и расположенную со стороны витков ПС с меньшим диаметром, при движении от начала ПС (от ее внутренней части) к ее концу (к ее внешней части) закручивание ПС происходит против часовой стрелки (см. фиг. 1) (соответствующим образом может быть дано определение ПС, намотанной по часовой стрелке);
- сенсор (чувствительный элемент датчика) - состоящее из преимущественно минимально необходимого числа звеньев преобразования измеряемой величины (см. упомянутые ниже характеристики) самостоятельное конструктивно автономное контактное (входящее в контакт с исследуемым объектом) средство, которое преобразует измеряемую величину в являющийся функцией от нее электрический сигнал, который может быть выделен из помех, усилен, измерен, передан, преобразован, зарегистрирован, сохранен;
- сигналы - аналоговые или дискретные (в случае с периодическим отключением постоянного магнита и/или с периодической сменой его полярности) параметры физических процессов, происходящих в ПС, а также в узлах и/или элементах электрических цепей, которые изменяются в соответствии с изменением упомянутых ниже характеристик.
Изобретение имеет отношение к измерительной технике и может быть использовано при определении характеристик движения объектов, таких как скорость, ускорение и вибрации, в частности, угловые скорость и ускорение и/или параметры вращательных вибраций - частота, амплитуда, параметры крутильных колебаний и др., что связано с поворотом или вращением.
Известен акселерометр (Кадушкин В.И., заявка на получение патента РФ №93025254, опубликовано 20.10.1996, приоритет 27.04.1993), в котором используются инерционные свойства свободных электронов и ЭМЭ.
Принцип работы таких акселерометров сводится к следующему.
Тело со свободными носителями заряда жестко связывают с исследуемым объектом (ускорение поступательного движения которого подлежит определению), а также с постоянным магнитом, напряженность магнитного поля которого существенно превосходит напряженность магнитного поля Земли.
В результате упомянутые объект, тело и магнит имеют общую судьбу с точки зрения движения.
<mrow><mover accent="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
При этом тело располагают в месте формирования магнитом относительно однородного магнитного поля (так, например, его могут располагать внутри соленоида или при относительно малых размерах тела - у оси ферромагнитного сердечника соленоида) таким образом, чтобы вектор магнитной индукции
такого поля был перпендикулярен предполагаемому ускорению объекта
(а следовательно, и противоположно направленной скорости инерционного движения свободных электронов относительно объекта).
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>v</mi><mi>ц</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
При ускоренном движении объекта благодаря тому, что свободные электроны
тела обладают массой, будет иметь место их ускоренное движение со средней скоростью
(следует обратить внимание, что здесь важно исключительно направление скорости, а не ее величина) относительно тела, а значит, и относительно магнитного поля жестко связанного с телом магнита (весь процесс рассматривается в системе отчета, движущейся с ускорением
относительно некой инерциальной системы отчета).
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
В результате на свободные электроны будет действовать сила Лоренца
, которую разработчики описываемого акселерометра предлагают рассматривать в качестве ЭДС (наверное, по аналогии с МГД-генераторами, в которых имеет место разделение разноименных зарядов), хотя автор представляемого изобретения считает это не совсем корректным (сила Лоренца, будучи всегда направленной по нормали к скорости, работы не совершает).
По определяемому такой ЭДС напряжению U между участками тела, расположенными на его сечении плоскостью, перпендикулярной вектору магнитной индукции, на максимальном удалении друг от друга в направлении силы Лоренца предлагается судить об упомянутом ускорении.
Ориентация разработчиков описанного акселерометра на силу Лоренца (а не только на инерцию свободных электронов - так, условный вольтметр мог бы быть подключен к наиболее удаленным участкам тела, разнесенным друг от друга вдоль направления его движения) вполне понятна.
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>q</mi><mrow><mover accent="true"><mi>e</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>v</mi><mi>ц</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>B</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>q</mi><mrow><mover accent="true"><mi>e</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>и</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mover accent="true"><mi>e</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>a</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mover accent="true"><mi>e</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow></msub></mrow>
и
Действительно, сила Лоренца равна
, где
- заряд электрона, тогда как сила инерции F (примерно - без учета эффективной массы электрона) -
, где
- масса электрона, из чего следует, что при разумных (типичных для практических приложений) значениях магнитной индукции и ускорениях сила Лоренца в десятки, а то и в сотни миллиардов раз будет превосходить силу инерции, что, в частности, при отсутствии магнитного экрана окажется бесспорно значимым.
1
Примечание. В данном аспекте важно отметить и то, что (также при разумных значениях магнитной индукции и ускорения) лоренцевское и кулоновское взаимодействия по своей природе относятся к взаимодействиям равной силы. И нельзя не учитывать силу Кулона, связанную с отталкиванием «периодически» (1 - рамки описания изобретения не позволяют рассмотреть статистические аспекты движения свободного электрона в металлическом теле, перемещающемся с ускорением, необходимо лишь отметить, что все сообщество свободных электронов при ускоренном движении тела будет иметь скорость, у которой в среднем будет преобладать составляющая, направленная против ускорения (аналогично при вращении)) движущегося по инерции свободного электрона, накопленным на одном из участков тела избыточным отрицательным зарядом, вызванным неравномерным распределением в теле свободных электронов, связанным с ускоренным движением последнего.
Это позволяет ожидать возникновение существенно большей разности потенциалов между «сигнальными» участками тела (к которым «подключена» измерительная цепь) по сравнению с той, которая может быть получена при ориентации исключительно на инерционные свойства свободных электронов.
Данные рассуждения представляются вполне логичными, однако автор изобретения, проведя серию опытов с различными по форме и размерам телами, так и не смог получить экспериментального подтверждения таким рассуждениям - не смог в соответствии с описанной схемой эксперимента выделить из шума отклик металлического образца, движущегося поступательно ускоренно.
Да, сила Лоренца эффективно разделяет положительные и отрицательные заряды в МГД-генераторах, однако здесь ее действие выявить не удалось.
Возможно, проблема заключается в том, что электрическое сопротивление приемлемых размеров (десятки мм) тела, границы которого при его поступательном движении не препятствуют смещению электронов под действием силы Лоренца (т.е. это должен быть некий монолит - брус, стержень, пруток, шар), ничтожно мало, что вызывает непреодолимые трудности с выделением соответствующего полезного сигнала из помех, в основном связанные с выбором радиоэлектронной элементной базы, имеющей соответствующее входное сопротивление.
Не имеется сведений и относительно развития описанного выше решения - по упомянутой заявке на изобретение патент так и не был выдан, тогда как других заявок на получение патентов разработчики описанного акселерометра в области измерительной техники не подавали, не удалось выявить также и их иные публикации в данной области.
Технический результат от использования представляемого изобретения заключается в обеспечении возможности использования ЭМЭ для усиления полезного сигнала сенсора, основанного на электроинерционных явлениях.
Достигается такой результат благодаря помещению ПС в неоднородное магнитное поле при особой взаимной ориентации ПС и создающего такое поле магнита.
Представленное изобретение, также как и прототип, предполагает ориентацию на использование а) тела, выполненного из материала со свободными носителями заряда, и б) жестко связанного с таким телом магнита.
При этом оно предполагает использование следующих главных отличительных признаков:
- тело представляет собой ПС или ее часть;
- в первом исполнении - магнит расположен относительно тела таким образом, что последнее пребывает в неоднородном (направления векторов магнитной индукции в точках ПС, расположенных с разной стороны от ее оси не совпадают более чем на 10°) магнитном поле упомянутого магнита;
- во втором исполнении - устройство включает дополнительный магнит, расположенный относительно тела и магнита упомянутого первым таким образом, что тело пребывает в неоднородном магнитном поле обоих магнитов.
Помимо этого изобретение характеризуется тремя основными частными отличительных признаков.
Для первого исполнения:
- тело находится с одной стороны от одного из полюсов магнита, при том что магнит выполнен круглыми, цилиндрическим, прямоугольным или дисковым;
- тело находится со стороны обоих полюсов магнита, при том что магнит выполнен дугообразным.
Для второго исполнения:
- магниты повернуты друг к другу противоположными полюсами (S к N или N к S) и расположены друг рядом с другом с образованием неоднородного магнитного поля в районе повернутых друг к другу полюсов.
Другие частные отличительные признаки:
- устройство включает два магнита, расположенные друг относительно друга с образованием промежутка, достаточного для размещения в нем тела.
- материал ПС является диамагнетиком;
- витки ПС с меньшим диаметром располагаются ближе к магниту;
- упомянутые носители заряда имеют отрицательный знак, тогда как ПС «намотана» либо против часовой стрелки, в случае чего она располагается со стороны северного полюса магнита, либо - по часовой стрелке, тогда она располагается со стороны южного полюса магнита;
- упомянутые носители заряда имеют положительный знак, тогда как ПС «намотана» либо против часовой стрелки, в случае чего она располагается со стороны южного полюса магнита, либо - по часовой стрелке, тогда она располагается со стороны северного полюса магнита;
- ПС относительно магнита располагается таким образом, что касательная к пронизывающим ПС магнитным силовым линиям поля магнита (т.е. к силовым линиям магнитного поля в том месте, где они пронизывают ПС) находится под углом ±45° к нормали, проведенной к оси ПС (если говорить о фиг. 1 или 2, то в месте, в котором силовые линии магнитного поля пронизывают ПС, касательная к ним должна быть горизонтальна с допуском ±45°), при том что для всех точек ПС вектор магнитной индукции направлен либо вовне ПС - для ПС, намотанных против часовой стрелки, либо внутрь ПС - для ПС, намотанных по часовой стрелке;
- магнит выполнен цилиндрическим или прямоугольным, при этом ПС относительно магнита расположена таким образом, что их оси совпадают (при этом под осью магнита, следует понимать линию, вдоль которой силовые линии магнитного поля приходят из бесконечности и уходят в бесконечность - в случае обычного (не электро-) магнита - ось соответствующего тела);
- напряженность магнитного поля магнита как минимум в 10 раз превосходит максимальную напряженность магнитного поля Земли на ее поверхности;
- магнит выполнен в виде электромагнита;
- магнит выполнен с возможностью смены полюсов при подаче на него (на его катушку) различного по своим параметрам напряжения;
- электромагнит включает сердечник;
- как минимум с одной стороны сердечник включает полюсной конический наконечник;
- сердечник включает как минимум две функциональные области и/или части, одна из которых служит для усиления магнитного поля катушки магнита, а другая - для крепления к последнему ПС;
- ПС выполнена на конусообразной подложке (на усеченном конусе, который может иметь сложный профиль конической поверхности - второго, третьего и более высокого порядка);
- подложка выполнена полой в виде стакана (соответствующее конусообразное тело не имеет как минимум одного основания);
- в полости подложки размещен вентилируемый холодильник;
- материал подложки является диамагнетиком;
- подложка выполнена из керамики;
- магнит расположен со стороны более узкой части подложки, при этом такая часть имеет основание (т.е. торец);
- подложка включает как минимум три функциональные области и/или части: одну для ее позиционирования на основании микросхемы или в корпусе, одну - для расположения на ней ПС, и одну - для крепления к ней магнита непосредственно или через вспомогательный узел;
- в непосредственной близости от подложки расположен датчик температуры;
- подложка включает площадки для установки на ней чип-конденсатора;
- толщина нити ПС минимальна и соизмерима с пределом технологических возможностей ее изготовления;
- нить ПС выполнена из манганина;
- магнит выполнен на основе редкоземельных материалов.
Изобретение иллюстрируется 6 фигурами.
На фиг. 1 представлен один из вариантов взаимного расположения ПС с «намоткой» против часовой стрелки (если смотреть со стороны больших по диаметру витков) и магнита.
На фиг. 2 представлен некоторый другой вариант взаимного расположения ПС с «намоткой» по часовой стрелке и магнита.
На фиг. 3 представлен разрез витка ПС фиг. 1 вертикальной плоскостью, включающей ось ПС.
На фиг. 4 представлен вид сбоку на разрез фиг. 3.
На фиг. 5 представлен чувствительный элемент, включающий ПС и магнит.
На фиг. 6 представлен чувствительный элемент, включающий ПС и керамический чип-конденсатор (магнит на фиг. не показан).
Фиг. 1 приведена для иллюстрации возможной ориентации магнитного поля относительно ПС с намоткой против часовой стрелки.
Фиг. 2 приведена для иллюстрации возможной ориентации магнитного поля относительно ПС с намоткой по часовой стрелке.
Фиг. 3 приведена для иллюстрации взаимного расположения векторов силы Лоренца и магнитной индукции.
Фиг. 4 приведена для иллюстрации взаимного расположения векторов силы Лоренца и скорости смещения электрона вследствие присущих ему инерционных свойств.
Фиг. 5 приведена для иллюстрации способа изготовления ПС.
Фиг. 6 приведена для иллюстрации взаимного расположения ПС и конденсатора, совместно с которым такая ПС составляет колебательный контур.
На фиг. приняты следующие обозначения:
1 - сечение витка ПС плоскостью, включающей ее ось (в соответствии с фиг. - вертикальной плоскостью (параллельной плоскости рисунка));
2 - верхняя внешняя часть ПС, с которой снимается выходной сигнал, несущий информацию об ее угловой скорости (а следовательно, об угле поворота (интегрирование) и угловом ускорении (дифференцирование));
2
2
3 - направление периодического ( - имеет место динамическое равновесие - так, электрон может оказаться в таком состоянии, что его дальнейшее продвижение к внешней части спирали за счет его инерционных свойств окажется невозможным (наступит равновесное состояние), однако в какой то момент времени электрон может выйти из этого состояния - тогда снова движение по инерции, сила Лоренца и т.д.) дрейфа свободных электронов в ПС за счет их инерции, а также за счет действия силы Лоренца;
4 - средняя часть расположенной в неоднородном магнитном поле ПС, которая выполнена из материала, включающего свободные носители заряда, например из меди;
5 - постоянный (на момент времени выполнения измерения) магнит, например электромагнит;
6 - нижняя внутренняя часть ПС, которая предположительно «заземлена» (электрически соединена с общей шиной, корпусом и проч.);
7 - каркас соленоида;
8 - соленоид;
9 - узел жесткого крепления магнита к подложке, на которой выполнена ПС (может также включать узел юстировки взаимного положения одного относительно другой);
10 - контактная площадка для разварки внутреннего проводника микросхемы, соединенного с ее ножкой, с которой снимается сигнал от датчика температуры ПС;
11 - датчик температуры ПС (предназначен для учета температурных погрешностей измерений);
12 - контактная площадка для разварки внутреннего проводника микросхемы, соединенного с ее ножкой, общей для различных функциональных электрических компонентов микросхемы (для датчика температуры, соленоида, ПС);
13 - сердечник магнита;
14 - верхний (в соответствии с фиг.) вывод соленоида;
15 - нижний вывод соленоида;
16 - ПС, выполненная на подложке с использованием технологий микроэлектроники, например, методом напыления, с использованием порошковых технологий, протравливанием и проч.;
17 - подложка (предпочтительно керамическая), включающая цилиндрическую, коническую и замковую части (снизу вверх в соответствии с фиг.);
18 - контактная площадка для разварки внутреннего проводника микросхемы, соединенного с ее ножкой, с которой снимается выходной сигнал ПС;
19 - упомянутая цилиндрическая часть подложки (после которой следует коническая), предназначенная для правильного позиционирования подложки в основании микросхемы (на фиг. не показано);
20 - часть подложки квадратного сечения (поперечного), на торце которой выполнено отверстие (на фиг. не показано) с замковым соединением;
21 - контактная площадка для подпайки к ней чип-конденсатора;
22 - внутренний проводник микросхемы, электрически связывающий площадку 21 с внутренней (начальной) частью ПС - с началом ее первого витка;
23 - чип-конденсатор;
24 - выборка в подложке с плоской внутренней поверхностью для размещения контактной площадки для подпайки к ней чип-конденсатора;
25 - один из трех посадочных штифтов, позиционирующих подложку относительно основания микросхемы;
<mrow><mover accent="true"><mi>В</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- вектор магнитной индукции поля постоянного магнита;
С - направление, определяющее знак угла β;
Т - некоторая точка пространства;
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- свободный электрон;
N - северный полюс магнита;
n - нормаль к оси спирали;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- сила Лоренца;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>Л</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- сила Лоренца, имеющая место у внешней части ПС;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>Л</mi><mn>2,3</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- сила Лоренца на промежуточном участке ПС;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>Л</mi><mn>4</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- сила Лоренца, имеющая место у внутренней части ПС;
оо - ось ПС;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>V</mi><mi>ц</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- скорость свободного электрона, обусловленная наличием у него инерционных свойств;
<mrow><mover accent="true"><mi>w</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
- вектор угловой скорости ПС;
α - угол между вектором силы Лоренца и ПС (важно то, что α<90°);
τ - касательная к силовым линиям магнитного поля в точке Т.
Соответствующее представленному изобретению устройство может быть выполнено следующим образом.
Оно должно включать тело из материала со свободными носителями заряда (фиг. 1, 2, 5), а также жестко связанный с таким телом как минимум один магнит 5 (фиг. 1). На фиг. 1, 2 жесткая связь тела с магнитом не показана.
При этом тело 16 (фиг. 5, 6) со средней частью 4 (фиг. 1) представляет собой пространственную (не плоскую) винтовую спираль или ее часть с внешней 2 и внутренней 6 частями, одна из которых может быть заземлена, тогда как с другой при этом будут снимать выходной сигнал СПС.
Магнит расположен относительно тела таким образом, что последнее пребывает в выражено неоднородном (в каждой точки ПС вектор магнитной индукции направлен в свою сторону и имеет свой модуль, причем существуют такие точки ПС, в которых направления векторов магнитной индукции почти противоположны) магнитном поле (фиг. 1, 2) упомянутого магнита и либо находится с одной стороны от одного из его полюсов, в случае, если магнит выполнен круглым, цилиндрическим (фиг. 1, 2, 5), прямоугольным или дисковым, либо находится со стороны его обоих полюсов, в случае, если магнит выполнен дугообразным.
Устройство может включать как минимум один дополнительный магнит. В этом случае магниты должны быть повернуты друг к другу противоположными полюсами. Причем расположены они должны быть друг рядом с другом таким образом, чтобы в районе повернутых друг к другу полюсов образовывалось неоднородное магнитное поле (т.е. полюса должны быть разнесены друг от друга на расстояние более 0,1 мм, желательно на 1-2 и более мм).
В одном из возможных исполнений между магнитами должен образоваться промежуток, достаточный для размещения в нем тела.
Материал ПС выбирают из диамагнетиков со свободными носителями заряда.
Витки ПС с меньшим диаметром располагаются ближе к магниту.
Упомянутые носители заряда могут иметь отрицательный знак, тогда как ПС может быть «намотана» либо против часовой стрелки, в случае чего ее располагают со стороны северного полюса магнита, либо - по часовой стрелке, тогда ее располагают со стороны южного полюса.
В другом случае упомянутые носители заряда могут иметь положительный знак, тогда как ПС также может быть «намотана» либо против часовой стрелки, в случае чего ее располагают уже со стороны южного полюса магнита, либо - по часовой стрелке, тогда ее располагают уже со стороны северного полюса.
ПС относительно магнита располагается таким образом, что касательная τ (фиг. 1) к пронизывающим ПС магнитным силовым линиям поля магнита (т.е. к силовым линиям магнитного поля в том месте, где они пронизывают ПС) находится под углом β±45° к нормали n, проведенной к оси ПС, при том что для всех точек ПС вектор магнитной индукции направлен либо вовне ПС (для ПС, намотанных против часовой стрелки), либо внутрь ПС (для ПС, намотанных по часовой стрелке).
Лучший результат будет получен, если β будет больше 0, но меньше +10-+20° (в зависимости от степени увеличения диаметра витков от шага к шагу). При этом положительному углу соответствует положение вектора магнитной индукции под нормалью к оси ПС при расположении магнита северным полюсом кверху, т.е. угол отсчитывается от конца вектора к n по наикратчайшему расстоянию по стрелке C и при отсчете угла по часовой стрелке β положителен, а против - отрицателен.
ПС относительно имеющего ось магнита может быть расположена таким образом, что их оси будут совпадать.
Может быть выбран такой магнит, что напряженность его магнитного поля как минимум в 10 раз будет превосходить максимальную напряженность магнитного поля Земли на ее поверхности.
Магнит может быть выполнен в виде электромагнита (фиг. 5).
Электромагнит может быть выполнен с возможностью смены полюсов при подаче на него (на его катушку) различного по своим параметрам напряжения.
Так, магнит может включать каркас 7, на котором может располагаться соленоид 8 - катушка, намотанная в один ряд, у которой есть верхний 14 и нижний 15 выводы.
Электромагнит может включать сердечник 13 (фиг. 5).
Как минимум с одной стороны сердечник может включать полюсной конический наконечник для концентрации поля.
Сердечник может включать как минимум две функциональные области и/или части, одна из которых служит для усиления магнитного поля катушки магнита, а другая - для крепления к последнему ПС.
ПС может быть выполнена на конусообразной подложке 17, имеющей соответствующую контактную площадку 18.
Подложка может быть выполнена полой, и она может не иметь как минимум одного основания.
В полости подложки может быть размещен холодильник.
Подложка может быть выполнена из диамагнитного материала.
Так, подложка может быть выполнена из керамики.
Магнит может быть расположен со стороны более узкой части подложки при этом такая часть должна иметь основание (торец).
Подложка может включать как минимум три функциональные области и/или части - одну (например, 19 фиг. 5 или 25 фиг. 6) для ее позиционирования на основании микросхемы или в корпусе, одну - для расположения на ней ПС и одну - для крепления к ней магнита (например, 20 фиг. 6) непосредственного или через вспомогательный узел (например, 9 фиг. 5).
На подложке может располагаться датчик температуры спирали 11 и иметься соответствующая контактная площадка 10.
Помимо этого подложка может иметь контактную площадку, 12 электрически соединенную со всеми основными электрическими компонентами СПС.
Подложка может включать площадки 21, в том числе в выборках 24, для установки на ней чип-конденсатора 23.
При этом от электрически соединенной с внутренней частью спирали контактной площадки на подложке к соответствующей площадке для установки чип-конденсатора должен проходить внутренний проводник 22.
Толщина нити ПС должна быть минимальна. Она должна определяться пределом технологических возможностей изготовления максимально тонкой (но удовлетворяющей требованием по прочности сцепления с подложкой и проч.) ПС.
Нить ПС может быть выполнена из манганина.
Постоянный магнит может быть выполнен на основе редкоземельных материалов.
Принцип работы СПС следующий.
Важное замечание. В представленных материалах для простоты изложения рассматривается вращение ПС вокруг оси оо, хотя обозначенный технический результат можно ожидать и при других движениях ПС с магнитом или магнитами. При этом для получения наибольшего эффекта в каждом конкретном случае требуется подбирать конфигурацию магнитного поля, пронизывающего витки ПС. Т.е. главные отличительные признаки изобретения касаются исключительно совместного использования жестко связанных друг с другом ПС и магнита, тогда как выбор геометрии ПС должен осуществляться в соответствии с конфигурацией поля магнита или наоборот, причем для каждой конкретной задачи своим образом.
<mrow><mover accent="true"><mi>w</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>e</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>V</mi><mi>ц</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Итак, при вращении ПС вокруг оси оо с угловой скоростью
(фиг. 1 или 2) свободные электроны
за счет наличия у них инерционных свойств приобретут некоторую скорость в направлении
и с учетом ЭМЭ будут дрейфовать в направлении 3 (фиг. 1).
<mrow><mover accent="true"><mi>В</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>V</mi><mi>ц</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Поскольку вращение происходит в неоднородном магнитном поле, вектор индукции которого в каждой точке каждой из ПС (фиг. 1 и 2) направлен на фиг. 1 - вовне ПС (см. направление вектора
), а на фиг. 2 - внутрь ПС, то на
, движущиеся в направлении
, будет действовать сила Лоренца
, направленная соответственно вверх (фиг. 1) или вниз (фиг. 2) при расположении основного магнита северным полюсом вверх.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Примечательно то, что угол α, образованный между вектором
и той частью ПС, что следует по направлению 3 за сечением, к
которого она приложена, острый.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>В</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Если же увеличить диаметр витков ПС при сохранении конфигурации магнитного поля, то будет иметь место еще и наклон
влево (фиг. 3) вслед за соответствующим наклоном
вниз (для ПС, изображенной на фиг. 1).
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>Л</mi><mn>2,4</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>Л</mi><mn>1,3</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Аналогичные изменения в случае упомянутого увеличения претерпит и
, действующая на
ПС, изображенной на фиг. 2:
сместятся на фиг. 2 влево, а
- вправо.
Связь отличительных признаков представленного изобретения с заявленным техническим результатом заключается в следующем.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Из фиг. 1, 3, 4 видно, что
направлена под острым углом к той части ПС, в направлении которой за счет своих инерционных свойств и движется
.
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>е</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
1
Примечание. При рассмотрении фиг. 4 следует иметь в виду, что
не подобен иону жидкости и не течет по трубке вдоль нее.
движется хаотически (см. сноску  на стр. 3), и на это хаотическое движение наложено инерционное.
Это позволяет рассчитывать на возможность использования ЭМЭ для усиления полезного сигнала ПС.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>F</mi><mi>Л</mi></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Еще более выраженный результат будет получен при упомянутом увеличении диаметра - легко подобрать такой диаметр каждого из витков ПС, что
будет иметь отличную от нуля составляющую, направленную по касательной к ПС.
Проведенные автором изобретения пилотные эксперименты подтвердили данные умозаключения.
При этом СПС открывают новые физические принципы измерений и позволяют применить новый подход к построению комплексных датчиков, в которых используются сенсоры, основанные на различных физических принципах.
В заключение следует отметить, что использование сравнительно сильного магнита позволяет эффективно маскировать сторонние магнитные поля (например, магнитное поле Земли) без использования магнитного экрана, когда такой не требуется с точки зрения электромагнитной совместимости.