БОРТОВОЙ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК "ФЕРРОСКОП"

Полезная модель относится к бортовым авиационным датчикам, для выдачи не менее двух навигационных параметров движения (углового положения и угла атаки) летательных аппаратов, конкретно к ферромагнитным датчикам пространственного положения и направления полета беспилотных летательных и сверхмалых летательных аппаратов относительно направления силовых линий магнитного поля Земли.
Известен бортовой ферромагнитный датчик [RU 15784, кл. G 01 C 17/00, 2000], содержащий пространственно разнесенные и ортогонально установленные три ферромагнитных элемента с обмотками возбуждения и сигнальными обмотками, установленными на отдельных подложках, при этом сигнальная обмотка и обмотка возбуждения каждого ферромагнитного элемента выполнена с взаимно перпендикулярной намоткой. Обмотки выполнены намотанными на ферромагнитный элемент. Собранная конструкция из ортогонально установленных ферромагнитных элементов - пленок толщиной 20÷40 мкм с намотанными на них одинаковыми по параметрам индуктивными обмотками залита высокопрочной пластмассой и образует форму куба.
Недостатком известного датчика является трудность сборки и недостаточная его точность измерений, обусловленная сложностью высокоточного ортогонального ориентирования элементов между собой в процессе сборки, трудностью обеспечения однотипной намотки ферромагнитных элементов. Другим недостатком датчика является необходимость применения ручной сборки, что приводит к разбросу технических параметров для различных образцов.
В основу настоящей полезной модели поставлена задача создания бортового ферромагнитного датчика пространственного положения и направления полета сверхмалых летательных аппаратов, конструкция
которого обеспечивает повышение точности его измерений, автоматизацию сборки и идентичность параметров изготавливаемых датчиков.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в бортовом ферромагнитном датчике, содержащем пространственно разнесенные и ортогонально установленные три ферромагнитных элемента с обмотками возбуждения и сигнальными обмотками, причем сигнальная обмотка и обмотка возбуждения каждого ферромагнитного элемента выполнена с взаимно перпендикулярной намоткой, согласно полезной модели ферромагнитные элементы установлены на общей подложке, а подложка выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда из диэлектрического материала.
При этом ферромагнитные элементы выполнены в виде ферромагнитной пленки толщиной 10÷100 мкм, напыленной на ортогональные грани прямоугольного параллелепипеда подложки. Подложка выполнена из диэлектрического материала например из керамики. Ферромагнитная пленка содержит парамагнитные и диамагнитные примеси меди, марганца, цинка, углерода, германия и/или других редкоземельных элементов. Обмотки возбуждения и сигнальные обмотки ферромагнитной пленки выполнены в виде золотого и/или серебряного напыления индуктивных витков на грани параллелепипеда, отделенных от ферромагнитной пленки изоляционной пленкой, например из окиси алюминия толщиной 1÷10 мкм. Обмотки возбуждения напылены вдоль узких граней, а сигнальные обмотки - вдоль широких граней параллелепипеда.
Формирование ферромагнитных элементов на общей подложке, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда из диэлектрического материала, позволяет исключить возможность смещений ферромагнитных элементов относительно друг друга при изготовлении датчика, и тем самым, снизить разброс, повысить стабильность и точность
измерений. При этом обеспечивается возможность автоматизации сборки ферромагнитных датчиков с одинаковыми параметрами измерений. Выполнение ферромагнитных элементов в виде ферромагнитной пленки толщиной 10÷100 мкм, напыленной на ортогональные грани прямоугольного параллелепипеда, как и в прототипе, позволяет обеспечить регистрацию значений составляющих магнитного поля Земли в трехмерном пространстве относительно пространственной положения и направления ориентации датчика. Выполнение ферромагнитной пленки из расширенной смеси магнитных, парамагнитных и диамагнитных материалов позволяет расширить спектральный состав сигналов и, как следствие, улучшить качество магнитной памяти. Выполнение обмоток возбуждения и сигнальных обмоток ферромагнитной пленки в виде золотого и/или серебряного напыления индуктивных витков на грани параллелепипеда, отделенных от ферромагнитной пленки изоляционной пленкой из окиси алюминия толщиной 1÷10 мкм, позволяет дополнительно обеспечить автоматизированную сборку высокоточных датчиков с однотипными амплитудно-частотными характеристиками. Напыление обмоток возбуждения вдоль узких граней, а сигнальных обмоток - вдоль широких граней параллелепипеда позволяет увеличить чувствительность датчика за счет возможности увеличения количества витков сигнальной обмотки. Большего количества витков обмотки возбуждения не требуется, поскольку их уменьшение можно скомпенсировать величиной сигнала возбуждения. Поэтому их можно разместить вдоль узкой стороны прямоугольного параллелепипеда.
На фиг.1 представлен общий вид датчика, на фиг.2 - его вид с боку (Вид А), на фиг.3 фотография модели летательного аппарата с ферромагнитным датчиком в натуральную величину.
Бортовой ферромагнитном датчик содержит пространственно разнесенные и ортогонально установленные три ферромагнитных элемента 1÷3 с обмотками 4 возбуждения и сигнальными обмотками 5
соответственно. При этом сигнальная обмотка 4 и обмотка 5 возбуждения каждого ферромагнитного элемента выполнена с взаимно перпендикулярной намоткой. Ферромагнитные элементы 1÷3 установлены на общей подложке 6. Подложка 6 выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда из диэлектрического материала, например керамики. Ферромагнитные элементы 1÷3 выполнены в виде ферромагнитной пленки толщиной 10÷100 мкм, напыленной на ортогональные грани подложки 6. В указанных пределах толщины пленки обеспечивается наличие максимального полезного сигнала. Уменьшение толщины пленки менее 10 мкм снижает уровень полезного сигнала на 50% относительно центрального ее значения за счет уменьшения количества доменов на единицу ее объема. Аналогичное уменьшение полезного сигнала наблюдается при увеличении толщины ферромагнитной пленки за счет увеличения внутренних потерь намагничивания. Ферромагнитная пленка 1÷3 содержит парамагнитные и диамагнитные примеси меди, марганца, цинка, углерода, германия и/или других редкоземельных элементов для расширения спектра частот полезного сигнала. Обмотки 5 возбуждения и сигнальные обмотки 4 ферромагнитных элементов 1÷3 выполнены в виде золотого и/или серебряного напыления индуктивных витков на грани параллелепипеда подложки 6, отделенных от ферромагнитной пленки 1÷3 изоляционной пленкой 7, например из окиси алюминия толщиной 1÷10 мкм. Обмотки 5 возбуждения напылены вдоль узких граней, а сигнальные обмотки 4 - вдоль широких граней параллелепипеда подложки 6.
Датчик работает следующим образом. В процессе полета летательного аппарата в магнитном поле Земли магнитные диполи (домены) ферромагнитных элементов 1÷3 бортового ферромагнитного датчика постоянно ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля Земли и, как следствие, запоминают текущие значения проекций магнитного поля в трехмерной системе координат XYZ с центром в точке 0 (фиг.1) ферромагнитных элементов 1÷3. При подаче на обмотки 5
ферромагнитных элементов 1÷3 возбуждения коротких тактовых импульсов в соответствующих обмотках 5 появляется магнитный поток Ф, направленный вдоль их осей. Под действием магнитного потока Ф происходит соответствующая ориентация магнитных диполей ферромагнитного элемента 1÷3. После окончания импульса возбуждения магнитные диполи соответствующих ферромагнитных элементов 1÷3 возвращаются в исходное состояние. При этом за счет изменения собственного магнитного поля соответствующего ферромагнитного элемента 1÷3 в сигнальной обмотке 4 наводится ЭДС, амплитудно-частотный спектр которой несет информацию о величине и направлении углового отклонения каждой обмотки 5 возбуждения от направления магнитного поля Земли. Далее трехмерная сигнальная информация с ферромагнитного датчика с тактовой частотой опроса подается на соответствующее устройство обработки сигналов для определения пространственного положения датчика, направления его ориентации в магнитном поле Земли. Временная обработка полученной сигнальной информации позволяет дополнительно определить скорость и ускорение перемещения летательного аппарата с указанным бортовым датчиком.
Полезная модель разработана на уровне физической модели. При этом подложка 6 датчика выполнена из керамики с размерами 2,5×3×8 мм. Нанесение ферромагнитных пленок 1÷3, изоляционных пленок 7 и витков индуктивностей 4÷5 осуществлялось с помощью последовательной установки соответствующей каждому слою матрицы на грани подложки, напыления соответствующих материалов через установленную матрицу, выдержки каждого слоя в течение времени его высыхания. Проведены испытания ферромагнитного датчика в бортовой навигационной системе сверхмалой модели беспилотного летательного аппарата общей длиной 34 см (фиг.3).