ДВУХОСЕВОЙ ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ НА БАЗЕ МИКРОПРОВОДОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики материалов и может служить в качества датчика механических деформаций.
Известен датчик измерения механических напряжений на основе микропроводов с положительной магнитострикцией (RU 2746765, опубл. 20.04.2021), который включает в себя аморфный микропровод, промежуточные нити, пластины, зажимные держатели, соленоид и катушку, намотанную восьмеркой. Данное устройство позволяет регистрировать коэрцитивную силу, переключающее поле и сдвиг пиков сигнала ЭДС, возникающих при перемагничивании микропровода.
Недостатком этого устройства является регистрация деформации только по одной оси.
Известен датчик измерения механических напряжений (RU 2552124, опубл. 10.06.2015), который включает в себя прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой сделано углубление, в котором помещается детектор, при этом внутри прямоугольной пластины вдоль продольной оси располагается предварительно напряженный аморфный ферромагнитный микропровод, изготовленный из обогащенных кобальтом сплавов, помещенный внутрь измерительной катушки в виде встречно соединенных соленоидов из медной проволоки. Данное устройство позволяет получать петли гистерезиса микропровода, проводить их анализ на персональном компьютере и по изменению формы кривых делать выводы о типе приложенных напряжений (растягивающие, скручивающие) и их величине.
Недостатком этого устройства является расположение микропровода в полимерной матрице, что потенциально может ухудшить магнитомеханические свойства микропроводов в стеклянной оболочке в силу влияния адгезии между стеклянной оболочкой и полимером.
Известен композитный датчик (WO 2010055282, опубл. 20.05.2010). Композитный датчик также основан на расположении микропровода в полимерной матрице. Через микропровод пропускается переменный электрический ток и регистрируется напряжение на микропроводе. Данный композитный датчик основан на применении эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта.
Недостаток этого устройства состоит в сложности измерения локальных механических нагрузок из-за необходимости использования микропроводов протяженной длины. При этом данное устройство обладает высокой чувствительностью к внешним магнитным полям, что может искажать результаты измерения механических напряжений.
Известен датчик измерения механических деформаций (RU 2654827, опубл. 22.05.2018). Датчик содержит прямоугольную пластину с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность растяжения не только в продольном, но и поперечном направлении. В посадочном месте пластины располагается миниатюрный соленоид, внутри которого размещен магниточувствительный элемент. Миниатюрный соленоид подключен к источнику постоянного тока. Аморфный ферромагнитный микропровод (магниточувствительный элемент) подключен к источнику переменного тока. В датчике измерения напряжений используется эффект малоуглового вращения намагниченности относительно оси микропровода, при этом в измерительной катушке регистрируется сигнал удвоенной частоты относительно частоты тока, протекающего по микропроводу. Изменение ЭДС сигнала удвоенной частоты позволяет регистрировать изменение напряженного состояния микропровода.
Недостатком этого устройства является сложность регистрации сигнала предложенного типа, что потенциально понижает чувствительность устройства, несмотря на оригинальность предложенного подхода.
Известен способ измерения физических величин (WO 2007116218, опубл. 18.10.2007). В данном способе, наиболее близком к предлагаемому изобретению, используется датчик на основе аморфных ферромагнитных микропроводов с ненулевой магнитострикцией. Способ основан на регистрации электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в измерительном соленоиде при перемагничивании микропровода в переменном магнитном поле. Для регистрации изменения напряженного состояния производится измерение переключающего поля, полученного по сопоставлению кривых электродвижущей силы и внешнего переменного магнитного поля.
Недостатками этого подхода является лишь общее описание системы регистрации сигнала без конкретизации механизмов исполнения и достижения технического результата. Кроме того предложенный способ отличается чувствительностью к внешним магнитным полям и основан лишь на регистрации переключающего поля.
В полезной модели достигается технический результат, заключающийся в двухосевом измерении механической деформации.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Предполагаемый датчик измерения механических деформаций состоит из двух соленоидов с размещенными внутри дифференциальными катушками и микропроводами внутри. Внутри каждой дифференциальной катушки находится по одному аморфному ферромагнитному микропроводу. Микропровода закреплены держателями, которые приклеиваются или привариваются к поверхности исследуемого объекта. Соленоиды с размещенными по их оси микропроводами устанавливаются в корпусе датчика перпендикулярно друг другу. В каждый соленоид подается переменный электрический ток. Переменный электрический ток в соленоиде создает переменное магнитное поле в области размещения микропровода и вызывает его перемагничивание. В результате в дифференциальной катушке возникает сигнал электродвижущей силы (ЭДС), вызванной перемагничиванием аморфного микропровода. Измерение сигнала ЭДС и его интегральной зависимости от приложенного магнитного поля позволяет регистрировать коэрцитивную силу, переключающее поле и сдвиг сигнала ЭДС при деформации микропровода по двум осям исследуемого объекта. Конструкция корпуса датчика предусматривает индивидуальную замену микропроводов в каждом из соленоидов. Между соленоидами размещен экран из пермаллоя для минимизации влияния магнитных полей соленоидов друг на друга и на перемагничивание микропроводов.
Ферромагнитных микропровод может быть выполнен из аморфных и аморфно-нанокристаллических сплавов на основе железа.
Аморфный ферромагнитный микропровод может иметь длину от 20 до 50 мм.
Может быть использован аморфный ферромагнитный микропровод в стеклянной оболочке и без оболочки.
Признаки, отличающие предлагаемый датчик напряжений от наиболее близкого к нему, известного по патенту RU 2746765 (прототип), характеризуют возможность регистрации деформации по двум осям исследуемого объекта.
Полезная модель поясняется чертежом. На фиг. 1 изображен вид датчика сверху.
На фиг. 1 держатели 1, соленоиды 2, дифференциальные катушки 3, микропровода 4, экран из пермаллоя 5, корпус 6.
Датчик работает следующим образом. Датчик инсталлируется на поверхность исследуемого объекта сваркой или с помощью клеевого соединения держателей 1. При возникновении деформации в исследуемом объекте также происходит деформация микропроводов 4 в датчике деформации. По соленоидам 2 протекает переменный ток частотой до 10 кГц. Переменное магнитное поле в соленоидах 2, возникшее из-за протекания по соленоиду 2 переменного электрического тока, вызывает перемагничивание микропроводов 4 и возникновение сигнала ЭДС от перемагничивания микропровода в дифференциальных катушках 3. Деформация микропровода приводит к изменению коэрцитивной силы, переключающего поля и положения индукционного пика при перемагничивании микропровода. Данные параметры для каждого микропровода 4 датчика можно оценить по анализу сигналов ЭДС в дифференциальных катушках 3. Минимизация взаимного влияния соленоидов 2 достигается благодаря находящемуся между ними экрану из пермаллоя 5. Верхняя часть корпуса 6 является съемной, что позволяет иметь доступ к микропроводам 4 и соленоидам 2 даже после установки датчика на исследуемый объект.