ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
MECHANICAL STRESS MEASUREMENT SENSOR

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при создании и работе измерительных устройств, в частности датчиков измерения механических напряжений.
Известен магнитоупругий датчик для определения механических напряжений в ферромагнитных материалах (RU 2492459, опубл. 10.09.2013), который содержит корпус, выполненный из проводящего немагнитного материала. На корпусе установлены два сердечника. Оба сердечника представляют собой основной и дополнительный сердечники и выполнены в виде двух магнитопроводов П-образной формы. Дополнительный сердечник установлен симметрично между полюсами основного сердечника так, что плоскость его перпендикулярна плоскости основного сердечника. На основном сердечнике размещены две последовательно соединенные обмотки. Одна обмотка является возбуждающей, а вторая - контролирующей уровень возбуждения обмотки. На дополнительном сердечнике размещена измерительная обмотка. Она предназначена для измерения магнитного шума, создаваемого скачками Баркгаузена при перемагничивании контролируемого участка, по величине которого судят о величине механического напряжения.
Недостатком этого устройства являются большие размеры датчика и возможность его использования для определения механических напряжений только в ферромагнитных материалах.
Известен способ и устройство измерения физических величин (WO 2007116218, опубл. 18.10.2007). Устройство измерения физических величин содержит датчик на основе аморфных ферромагнитных материалов с положительной константой магнитострикции, источник переменного магнитного поля, детектор обнаружения электродвижущей силы в виде импульсных сигналов от гигантских скачков Баркгаузена, возникающих при перемагничивании датчика, и средство измерения для определения значения выходной физической величины. Для регистрации приложенной механической нагрузки датчик выполнен в виде предварительно напряженного аморфного ферромагнитного микропровода.
Недостатками этого устройства является большой разброс в характеристиках датчиков и значительное влияние внешних магнитных полей на его работу.
Прототипом предложенного изобретения является композитный датчик (WO 2010055282, опубл. 20.05.2010). Композитный датчик измерения напряжения выполнен из полимерной матрицы и армирующих элементов. Внутри массива полимерной матрицы размещен по меньшей мере один слой электропроводной ткани. В слое расположен по меньшей мере один магнитомягкий аморфный ферромагнитный микропровод. Через микропровод пропускают переменный ток и регистрируют напряжение на микропроводе. При приложении механической нагрузки к материалу импеданс микропровода может изменяться вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта. Изменение импеданса аморфного ферромагнитного микропровода приведет к изменению регистрируемого напряжения.
Недостатком этого устройства является сложность измерения локальных механических нагрузок, поскольку датчик имеет протяженный размер и измеряет сигнал, пропорциональный механическим нагрузкам, приложенным по всей длине аморфного ферромагнитного микропровода. Кроме этого, вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса, указанный композитный датчик может реагировать на приложенные внешние магнитные поля, которые будут искажать эффект, связанный с воздействующей механической нагрузкой.
В изобретении достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей датчика за счет обеспечения возможности измерения сигналов, связанных с локальными механическими нагрузками и регистрации различного типа механических нагрузок, таких как растяжение, сжатие, кручение, а также в снижении влияния помех и повышении чувствительности.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Предлагаемый датчик измерения механических напряжений состоит из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала. На верхней поверхности прямоугольной пластины образовано посадочное место в виде центрально симметричного углубления, в котором размещен регистратор.
Внутри массива прямоугольной пластины вдоль центральной продольной оси параллельно верхней и нижней поверхностям расположен магниточувствительный элемент, который выполнен в виде аморфного ферромагнитного микропровода.
Магниточувствительный элемент размещен внутри дифференциальной измерительной катушки и подключен через печатные проводники к первой паре контактных площадок.
Дифференциальная измерительная катушка подключена через печатные проводники ко второй паре контактных площадок. При этом обе пары контактных площадок размещены внутри посадочного места и соединены с регистратором.
Регистратор содержит источник переменного тока, источник постоянного тока, усилитель сигналов измерительной катушки. Источник переменного тока соединен с источником магнитного поля. Источник постоянного тока соединен с первой парой контактных площадок. Вход усилителя сигналов измерительной катушки соединен со второй парой контактных площадок, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, который соединен с персональным компьютером.
В частном случае прямоугольная пластина выполнена из материала на основе метакриловых полимеров.
Кроме того, посадочное место выполнено в виде центрально симметричного прямоугольного углубления.
При этом источник переменного тока имеет частоту в диапазоне 10 Гц-10 кГц.
67
3.8
1.45
11.5
14.5
1.7
71.8
4.9
0.8
7.5
15
В частном случае аморфный ферромагнитный микропровод может быть выполнен из сплавов на основе кобальта составов CoFe5NiBSiMo или CoFeNbSiB.
Кроме того, аморфный ферромагнитный микропровод может иметь циркулярную магнитную анизотропию или циркулярную и слабую геликоидальную магнитную анизотропию.
Также аморфный ферромагнитный микропровод может иметь длину не более 20 мм.
При этом аморфный ферромагнитный микропровод может быть заключен в стеклянную оболочку.
Кроме того, измерительная катушка выполнена в виде двух соединенных дифференциально соленоидов диаметром не более 0.5 мм, длиной не более 7 мм каждый, изготовленных виток к витку из медного провода диаметром не более 50 мкм.
Также измерительная катушка может быть выполнена в виде двухслойных тонкопленочных планарных соленоидов.
В частном случае контактный слой на нижней поверхности матрицы выполнен в виде клеепереносящей ленты.
Расширение функциональных возможностей заявляемого датчика связано со следующими особенностями его конструкции:
- возможность регистрации различного типа механических нагрузок, таких как растяжение, сжатие, кручение достигается за счет использования в качестве чувствительного элемента аморфного ферромагнитного микропровода с циркулярной магнитной анизотропией и магнитного способа регистрации полезного сигнала с использованием источника магнитного поля и измерительной катушки в отличие от измерения импеданса микропровода, проводимого в прототипе.
- измерение локальных механических нагрузок достигается за счет малых размеров используемого аморфного ферромагнитного микропровода - до 20 мм и менее.
Снижение влияния помех достигается за счет дифференциального включения измерительной катушки и малых размеров используемого аморфного ферромагнитного микропровода - до 20 мм и менее.
Повышение чувствительности датчика связано с выбором и использованием аморфного ферромагнитного микропровода с циркулярной и слабой геликоидальной магнитной анизотропией, характеризующегося малыми полями анизотропии и высокой крутизной преобразования кривой перемагничивания, а также с использованием дополнительного источника постоянного тока, обеспечивающего стабилизацию циркулярной магнитной структуры микропровода.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено поперечное сечение датчика, на фиг.2 изображена структура датчика в плане, на фиг.3 изображена электрическая схема подключения датчика к регистратору, на фиг.4 представлены графики кривых перемагничивания при воздействии растягивающих напряжений, на фиг.5 представлены графики кривых перемагничивания при воздействии скручивающих напряжений.
На фигурах 1, 2, 3 показаны прямоугольная пластина 1, посадочное место 2, аморфный ферромагнитный микропровод 3, дифференциальная измерительная катушка 4, первая пара контактных площадок 5, вторая пара контактных площадок 6, контактный слой 7, регистратор 8, источник переменного тока 9, источник магнитного поля 10, источник постоянного тока 11, усилитель 12.
На фигурах 4, 5 в представленных графиках по оси X отложены значения магнитных полей в Эрстедах, по оси Y отложены приведенные значения намагниченности аморфного ферромагнитного микропровода.
На фиг.4 кривая 13 соответствует кривой перемагничивания аморфного ферромагнитного микропровода без нагрузки, кривая 14 - кривой перемагничивания того же микропровода при воздействии растягивающего напряжения. На фиг.5 кривая 15 соответствует кривой перемагничивания без нагрузки, кривая 16 - при воздействии скручивающего напряжения.
Датчик измерения механических напряжений состоит из прямоугольной пластины 1 на основе метакриловых полимеров. Выбор данного класса полимеров определяется широким интервалом механических характеристик, охватывающим каучуки и пластики, высокой пластичностью и ударопрочностью, температурой эксплуатации до 300°С, светопропусканием до 90%, стойкостью к химическим реагентам, возможностью переработки методами экструзии, литья, пневмоформования, а также механической обработки для придания конечному изделию требуемой формы
Прямоугольная пластина 1 может иметь размеры 10*20*2.5 мм. На верхней поверхности прямоугольной пластины 1 выполнено посадочное место 2 в виде центрально симметричного прямоугольного углубления. Посадочное место 2 может иметь размеры 6*16*0.5 мм При этом посадочное место 2 выполнено таким образом, чтобы оно симметрично располагалось относительно положения магниточувствительного элемента.
В посадочном месте 2 размещен регистратор 8. Регистратор 8 содержит источник переменного тока 9, питающий источник магнитного поля 10, источник постоянного тока 11, питающий микропровод 3 и усилитель 12 сигналов дифференциальной измерительной катушки 4. Источник переменного тока 9 с частотой в диапазоне 10 Гц - 10 кГц соединен источником магнитного поля 10, создающим однородное магнитное поле, ориентированное вдоль магниточувствительного элемента. Вход усилителя 12 соединен со второй парой контактных площадок 6 измерительной катушки 4, а его выход подключен к аналого-цифровому преобразователю. Аналого-цифровой преобразователь соединен с персональным компьютером.
Внутри массива прямоугольной пластины 1 вдоль центральной продольной оси параллельно верхней и нижней поверхностям расположен магниточувствительный элемент. Он выполнен в виде микропровода 3, который размещен внутри дифференциальной измерительной катушки 4. микропровод 3 подключен через печатные проводники к первой паре контактных площадок 5. Первая пара контактных площадок 5 размещена внутри посадочного места 2 и соединена с источником постоянного тока 11 регистратора 8.
67
3.85
1.45
1.5
14.5
1.7
Микропровод 3, заключенный в стеклянную оболочку, выполнен из сплава CoFeNiBiSiMo. Выбор данного класса микропроводов связан с определенным типом магнитной анизотропии и наблюдаемом в них стресс-чувствительном эффекте. К микропроводу предварительно прикладывается растягивающее напряжение, что способствует регистрации сжимающих напряжений.
Известно, что в тонких аморфных ферромагнитных микропроводах в стеклянной оболочке на основе кобальта с малой отрицательной константой магнитострикции возникающие в процессе закалки внутренние напряжения создают циркулярную анизотропию и циркулярную намагниченность микропровода. Микропроводы с циркулярной анизотропией характеризуются практически линейной кривой перемагничивания в продольном поле, отсутствием гистерезиса и малым полем анизотропии. При этом приложение к микропроводу механических нагрузок на растяжение и сжатие приводит к пропорциональному растягиванию кривой перемагничивания, увеличению поля анизотропии и соответственно уменьшению/увеличению крутизны кривой перемагничивания. Этот эффект иллюстрируется поведением кривых 13, 14 на фиг.4.
Приложение к микропроводу скручивающих напряжений приводит к появлению гистерезиса кривой перемагничивания и изменению коэрцитивной силы. Этот эффект иллюстрируется поведением кривых 15, 16 на фиг.5.
В реальных аморфных ферромагнитных микропроводах в стеклянной оболочке на основе кобальта поведение ненагруженных кривых 13, 15 перемагничивания на фиг.4, 5 может отличаться для разных микропроводов значениями полей анизотропии, присутствием небольшого гистерезиса из-за наличия слабого геликоидального типа анизотропии. Снижение влияния этих эффектов достигается за счет дополнительного циркулярного магнитного поля, создаваемого током источника постоянного тока 12, питающего микропровод 3. При этом подбор величины постоянного тока для каждого микропровода может осуществляться индивидуально таким образом, чтобы величина поля анизотропии микропроводов разных датчиков находилась в некоторых заданных пределах, например в диапазоне 2-4 Э.
Дифференциальная измерительная катушка 4 может быть выполнена в виде двух встречных соединенных дифференциально соленоидов диаметром не более 0.5 мм, длиной не более 7 мм каждый, изготовленных виток к витку из медного провода диаметром не более 50 мкм. Дифференциальная измерительная катушка 4 подключена через печатные проводники ко второй паре контактных площадок 6. Контактные площадки 6 размещены внутри посадочного места 2 и соединены с усилителем 13 регистратора 9.
На нижнюю поверхность пластины 1 нанесен контактный слой 7. Контактный слой 7 выполнен, например, в виде клеепереносящей ленты марки Scotch 9485/9482.
Датчик может не содержать клеевого слоя 7. В этом случае датчик инсталлируется на поверхность объекта измерения с помощью клея СС-ЗЗА. Датчик работает следующим образом.
На поверхность измеряемого объекта закрепляют датчик измерения механических напряжений с помощью нанесенного снизу слоя 7. При приложении к измеряемому объекту механических напряжений, таких как растяжение, сжатие, кручение, предварительно напряженный аморфный ферромагнитный микропровод 3 также подвергается деформации и его кривая перемагничивания изменяется, так как показано на фиг.4, 5. Для регистрации изменения кривой перемагничивания к микропроводу 3 прикладывается переменное магнитное поле, которое формируется источником переменного тока 10 и источником магнитного поля 11. Создаваемое переменное магнитное поле с частотой в диапазоне 10 Гц-10 кГц и амплитудой порядка поля анизотропии аморфного ферромагнитного микропровода 3 однородно в области расположения микропровода 3 и направлено вдоль его оси. Воздействующее магнитное поле обеспечивает перемагничивание микропровода 3 и вызывает появление сигнала электродвижущей силы на дифференциальной измерительной катушке 4.
В отсутствие воздействующего механического напряжения амплитуда сигнала электродвижущей силы на катушке 4 фиксирована. Приложение механического сжимающего напряжения приводит к увеличению амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 4. Приложение механического растягивающего напряжения приводит к уменьшению амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 4 за счет уменьшения наклона кривой перемагничивания. Приложение скручивающего напряжения приводит к изменению формы сигнала электродвижущей силы на катушке 4 за счет изменения формы кривой перемагничивания.
В предлагаемой конфигурации магнитное поле источника магнитного поля 11 с одной стороны перемагничивает микропровод 3, а с другой стороны, напрямую воздействует на дифференциальную измерительную катушку 4. В двух встречных соленоидах дифференциальной измерительной катушки 4 сигнал от источника 11 представляет собой однородное магнитное поле, которое будет наводить электродвижущую силу. Эти сигналы будут одинаковы по знаку в каждом из соленоидов. Поэтому за счет встречного включения двух соленоидов эти сигналы будут вычитаться. Другая ситуация возникает с сигналами от перемагничивания микропровода 3. В каждой катушке действует свой кусочек микропровода 3, и поэтому каждый кусочек будет наводить свой сигнал. Эти сигналы будут противоположны по знаку в каждой из катушек. Поэтому за счет встречного включения двух соленоидов эти сигналы сложатся. Сигнал дифференциальной измерительной катушки 4 через вторую пару контактных площадок поступает на вход усилителя 13, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю. После цифровой обработки сигнал поступает на персональный компьютер, в котором по полученным данным определяется воздействующее механическое напряжение.
Для проведения измерений на большой площади поверхности измеряемого объекта датчики измерения механических напряжений располагают в нужных точках исследуемой поверхности.
В предложенном датчике улучшаются магнитные характеристики магниточувствительного элемента на основе аморфного ферромагнитного микропровода за счет пропускания через него постоянного тока, а также оптимизируются процессы возбуждения магниточувствительного элемента за счет приложения продольного переменного магнитного поля вдоль аморфного ферромагнитного микропровода и регистрации отклика аморфного ферромагнитного микропровода с помощью дифференциальной измерительной катушки.
Кроме того, в датчике обеспечивается локальность и помехозащищенность за счет использования магниточувствительного элемента малых размеров, а также за счет дифференциального включения измерительной катушки.