СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ОБЪЕКТОВ ИЗ НЕМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING DEFORMATIONS OF ITEMS FROM NONMAGNETIC MATERIALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций немагнитных материалов.
Известно устройство (взято за прототип) для измерения толщины немагнитных материалов, содержащее измерительную головку с магнитом и размещенным на нем датчиком Холла, сигнальные электроды которого через усилитель подключены к индикатору, а токовые - к выходам блока питания, ферромагнитный элемент в виде шарика, располагаемого с противоположной стороны измеряемого материала. Шарик помещен в контейнер с дном, выполненным в виде ферромагнитной пластины и имеющим открытое для наблюдения окно (патент РФ №2222776 МПК 01В 7/06, опубл. 27.0103 г.).
Недостатком прототипа является ограниченный диапазон измеряемых величин, а также невысокая точность измерения.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и возможность измерения линейной (вдоль прямой линии), плоской (в плоскости) и объемной (в пространстве) деформации объектов из немагнитных материалов.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п.1 формулы изобретения, таких как способ измерения деформаций объектов из немагнитных материалов, характеризующийся тем, что на поверхности или внутри объекта размещают постоянные дипольные источники поля, например на основе сплава неодим-железо-бор, при этом для вычисления параметров однополярной деформации используют как минимум два магнита, не лежащие в одной точке, для параметров плоской деформации - минимум три магнита, не лежащие на одной прямой, для параметров объемной деформации - минимум четыре магнита, не лежащие в одной плоскости, затем возле поверхности исследуемого объекта напротив каждого источника устанавливают систему датчиков, позволяющих измерить по 1, 2, 3 компоненты вектора индукции магнитного поля в нескольких точках, сосредоточенных в расположенных в малой по сравнению с расстоянием до источников поля области пространства, или в качестве системы датчиков используют датчик с системой 3D-позиционирования, сигналы с датчиков усиливают и преобразуют в цифровой вид, численные данные измерений: координаты точек измерения и значения компонент векторов индукции магнитного поля в них в лабораторной системе координат обрабатывают компьютерной программой, по полученным данным решают обратную задачу для системы слабо взаимодействующих магнитов и определяют их местоположение в лабораторной системе координат и векторы магнитных моментов в лабораторной системе координат до и после деформирования объекта, и, сравнивая эти решения, вычисляют параметры деформации.
Согласно п.2. формулы в качестве источников берут магниты, примерно равные по модулю.
Согласно п.3 формулы для закрепления на поверхности исследуемого объекта предпочтительно используют постоянные магниты цилиндрической или кубической формы, а при внедрении в тело объекта предпочтительно используют постоянные магниты шарообразной формы.
Согласно п.4 формулы датчики магнитного поля должны измерять по 1, 2, 3 компоненты вектора индукции магнитного поля в каждой точке области измерения, обладать большим динамическим диапазоном, высокой чувствительностью, высоким разрешением, малыми по сравнению с размером области измерения размерами чувствительной области и высокой линейностью.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п.5 формулы изобретения, а именно установка для измерения деформаций объектов из немагнитных материалов согласно вышеописанному способу содержит постоянные дипольные источники магнитного поля, выполненные, например, в виде магнитов из сплава неодим-железо-бор цилиндрической, кубической и шарообразной формы, размещенные на поверхности или внедренные внутрь исследуемого объекта, примерно напротив которых установлены датчики, сигналы с которых поступают на вход усилителя, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом вычислительного модуля, например персонального компьютера, с помощью компьютерной программы усиленный сигнал в АЦП преобразуется в цифровой вид, по полученным данным измерения магнитного поля в областях измерения решается обратная задача для системы слабо взаимодействующих диполей, определяются координаты местоположения диполей и значения их векторов магнитных моментов в системе координат, имея информацию о местоположении диполей до и после деформации объекта, вычисляют параметры деформации исследуемого объекта.
Согласно п.6 формулы для измерения линейной деформации устанавливают на объект минимум два магнита, не лежащие в одной точке, для измерения плоской деформации устанавливают на или в объект минимум три магнита, лежащие в одной плоскости и не лежащие на одной прямой, для измерения объемной деформации устанавливают на или в объект минимум четыре магнита, не лежащие в одной плоскости.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - возможность измерения линейной (вдоль прямой линии), плоской (в плоскости) и объемной (в пространстве) деформации объектов из немагнитных материалов.
Изобретение иллюстрируется следующей схемой установки (см. чертеж) и примерами реализации способа.
1
2
3
4
Установка для измерения деформаций объектов из немагнитных материалов содержит постоянные дипольные источники магнитного поля 1, выполненные, например, в виде магнитов из сплава ниодим-железо-бор цилиндрической, кубической и шарообразной формы, размещенные или внедренные в исследуемый объект 2, примерно напротив которых установлены датчики 3 (S, S, S, S), сигналы с которых поступают на вход усилителя 4, выход которого связан с входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого связан с входом вычислительного модуля 6 (ОЗД), например, персонального компьютера, с помощью компьютерной программы 7 (авт.свид. РФ №2011616795 «Программа для решений обратных задач для одного и нескольких слабо взаимодействующих точечных магнитных диполей», авторы Машкин С.В., Марценюк М.А.) усиленный сигнал в АЦП преобразуется в цифровой вид, по полученным данным измерения магнитного поля в областях измерения решается обратная задача для системы слабо взаимодействующих диполей и определяются координаты местоположения диполей и значения их векторов магнитных моментов в системе координат, имея информацию о местоположении диполей до и после деформации объекта, вычисляют параметры деформации исследуемого объекта.
Для измерения линейной деформации устанавливают на объект два магнита, не лежащие в одной точке, для измерения плоской деформации устанавливают на или в объект три магнита, лежащие в одной плоскости и не лежащие на одной прямой, а для измерения объемной деформации устанавливают на или в объект четыре магнита, не лежащие в одной плоскости.
Общие условия процесса измерений
В основе способа измерения деформации лежит метод решения обратной задачи для системы слабо взаимодействующих точечных магнитных диполей, которая, в свою очередь, использует метод решения обратной задачи для одного точечного магнитного диполя.
i
1
2
3
4
Имеется исследуемый объект obj из немагнитного материала (см. чертеж), на поверхности или внутри которого располагаются магнитные диполи (в качестве которых можно использовать постоянные магниты, например, на основе материала NdFeB) с магнитными моментами m. Для вычисления параметров линейной деформации необходимо минимум 2 диполя, не лежащих в одной точке. Для вычисления параметров плоской деформации необходимо минимум 3 диполя, лежащих в одной плоскости и не лежащих на одной прямой. Для вычисления параметров объемной деформации необходимы минимум 4 диполя, не лежащих в одной плоскости (на чертеже диполи m, m, m лежат в одной плоскости, а диполь m лежит вне этой плоскости).
i
Возле поверхности исследуемого объекта примерно в одной плоскости располагаются наборы датчиков магнитного поля S - по одному примерно напротив каждого диполя. Каждый набор датчиков представляет собой систему датчиков, позволяющих измерять по три (по две, по одной) компоненты вектора индукции магнитного поля, и расположенных в некоторой малой области пространства. Требуемые количество и взаимное расположение датчиков могут варьироваться - главное требование - возможность решения обратной задачи для точечного магнитного диполя (см. далее). Сигналы с датчиков поступают на вход усилителя amp, затем усиленный сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП и преобразуется им в цифровой вид.
sa
sa
sa
sa
sa
sa
sax
say
saz
Численные данные измерения поля (координаты точек измерения r={x,y,z} и значения компонент вектора индукции магнитного поля B=B(r)={B,B,B} - в системе координат OXYZ) поступают в вычислительный модуль ПК (построенный, например, на базе персонального компьютера). По полученным данным измерения поля в областях измерения решается обратная задача для системы слабо взаимодействующих диполей (соответствующая программа обозначена ОЗД-N), и определяются координаты местоположения диполей и значения их векторов магнитных моментов (по сути - ориентация диполей в пространстве) в системе координат OXYZ. Метод решения ОЗД-N и соответствующая программа основаны на методе решения обратной задачи для одного точечного магнитного диполя (ОЗД-N).
i
i
<mrow><msubsup><mi>X</mi><mi>i</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Посредством описанной системы положения Х диполей m в системе координат OXYZ измеряются до деформации объекта obj. После прикладывания к объекту obj внешнего воздействия F возникает деформация - диполи смещаются. Их координаты
после деформации снова измеряются описанным способом.
i
Имея информацию о местоположении (и ориентации) диполей до и после деформирования объекта, вычисляют параметры деформации G. Их, например, удобно представлять в виде матрицы аффинного преобразования (см. далее), которая описывает деформацию среды в локальной области - месте расположения диполей m. Программа, решающая задачу определения параметров деформации, обозначена ДФРМ.
Используя большее количество магнитных диполей можно измерить параметры деформации во всех интересующих участках исследуемого объекта. Для этого удобно распределить необходимое количество диполей в узлах почти прямоугольной сетки у(или на) поверхности объекта и для определения параметров деформации использовать тройки (для плоской задачи) или четверки (для объемной задачи) близлежащих диполей.
В качестве источников берут магниты, примерно равные по модулю. Для закрепления на поверхности исследуемого объекта предпочтительно используют постоянные магниты цилиндрической или кубической формы, а при внедрении в тело объекта предпочтительно используют постоянные магниты шарообразной формы. Датчики магнитного поля должны измерять по 1, 2, 3 компоненты вектора индукции магнитного поля в каждой точке области измерения, обладать большим динамическим диапазоном, высокой чувствительностью, высоким разрешением, малыми по сравнению с размером области измерения размерами чувствительной области и высокой линейностью.
Для реализации предложенного способа измерения деформации была использована установка, обладающая следующими основными характеристиками (табл.1 и 2).
Таблица 1
Общие характеристики экспериментальной установки
Максимальная частота дискретизации (при измерении на одном канале), Гц
40000
Количество входных каналов АЦП (однополярных)
8
Разрядность АЦП, бит
12
Количество независимых каналов входного усилителя
4
Коэффициенты предусиления (изменяются переключением перемычек на плате входного усилителя, независимо для каждого канала) - К0
1, 10, 100
Коэффициенты усиления входных усилителей (выбор производится программно, независимо для каждого канала) - К
0.5, 2, 8, 32, 128, 512
Максимальное измеряемое напряжение (К0=1, К=0.5), В
±2.5
Разрешающая способность, В
2.5/4096/ (К0*К)
Компенсируемое напряжение смещения на входе, мВ
±50/К0
Количество ЦАП
2
Разрядность ЦАП, бит
12
Диапазон изменения напряжения на выходах выходных усилителей ЦАП, В
±2.5
Количество обслуживаемых шаговых двигателей
3
Минимальный шаг системы позиционирования, мм
0.095
Максимальное количество шагов
125×125
Размер зоны измерения
11.9 мм × 11.9 мм
Тактовая частота микроконтроллера (1 инструкция - 1 такт), МГц
16
Размер памяти программ, Кбайт
128
Размер ОЗУ, Кбайт
4+32
Скорость обмена с ПК по каналу RS-232, бод/с
115200
Таблица 2
Характеристики экспериментальной установки при использовании датчиков 2SA-10
Линейный диапазон измеряемого поля, мТл
±40
Максимальный диапазон измеряемого поля, мТл
±45
Разрешающая способность (К0=1, К=512, число измерений = 10000), мкТл
±2
Нелинейность (в линейном диапазоне измеряемого поля), %
0.2
Максимальная частота изменения измеряемого поля, кГц
0.1
Для измерения вектора индукции магнитного поля использовался интегральный датчик Холла 2SA-10 фирмы SENTRON. Чтобы измерять 3 компоненты поля индукции использовалось 2 датчика, расположенных в перпендикулярных плоскостях. Измерение компонент вектора индукции поля двумя датчикам в одной точке достигалось соответствующим сдвигом второго датчика так, чтобы его чувствительная область располагалась в той же точке пространства, что и первая область.
Для того чтобы измерять поле в дискретном наборе точек посредством описанной выше системы из двух датчиков использовалась 3D-система позиционирования, построенная на трехшаговых двигателях. Для того чтобы исключить их влияние (они сделаны из магнитных материалов) на результаты измерения, датчики магнитного поля были удалены от них посредством достаточно длинного держателя (около 120-150 мм) из немагнитного материала (табл.3).
Таблица 3
Характеристики датчика 2SA-10
Количество измеряемых компонент поля
2
Размер чувствительной области (диаметр диска-концентратора магнитного поля), мм
0.2
Магнитная чувствительность, В/Тл
50
Линейный диапазон измеряемого поля, мТл
±40
Максимальный диапазон измеряемого поля, мТл
±45
Частота изменения измеряемого поля, кГц
0…15
Нелинейность (типичное значение в линейном диапазоне измеряемого поля), %
0.1
Напряжение смещения, мВ
±10
Максимальная спектральная плотность магнитного шума (в центре диска-концентратора), нТл/<maths num="2"><math display="block"><mrow><msqrt><mrow><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow></msqrt></mrow></math><img file="00000002.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
750
Рекомендуемое напряжение питания, В
5.0
Тип корпуса
SOIC-8
2
Посредством описанной системы были достигнуты следующие основные результаты. При использовании в качестве источника постоянного магнита с модулем магнитного момента 0.05 А/м, конфигурации области измерения куб 3x3x3 точки измерения с шагом 0.95 мм по каждой из осей погрешность определения местоположения магнита составила от 1 до 3 мм (растет при удалении от магнита) на расстояниях до 40 мм.
2
При решении ОЗД-N для случая двух слабо взаимодействующих диполей с магнитными моментами 0.012 А/м (цилиндры: диаметр 3 мм, высота 1.5 мм, материал NdFeB), конфигурации области измерения куб 3×3×3 точки измерения с шагом 1.9 мм по каждой из осей расстояние между источниками около 30 мм, расстояние от плоскости источников до плоскости измерения 13 мм, погрешность определения местоположения диполей составила около 1 мм.
Преимущества способа:
- способ позволяет определить не только величину пространственного сдвига контролируемых точек объекта, но и пространственный поворот среды в этих точках;
- способ дистанционный: система датчиков располагается не на исследуемом объекте, а возле него;
- способ интроскопический: исследуемый объект может быть скрыт от системы датчиков слоем из немагнитного материала;
- способ достаточно быстродействующий: быстродействие измерений ограничено, в основном, быстродействием используемых датчиков магнитного поля (на сегодняшний день - порядка нескольких тысяч измерений в секунду).