ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА

В представленном материале используются следующие понятия:
- сигналы - аналоговые или дискретные (в случае с периодическим внешним возбуждением устройства) параметры физических процессов, происходящих в основной и/или дополнительной катушках, а также в узлах и/или элементах электрических цепей, которых изменяются в соответствии с изменением упомянутых ниже характеристик;
- 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.
Полезная модель имеет отношение к измерительной технике и может быть использована при определении таких характеристик движения объектов, как угловые скорость и ускорение и/или параметры вращательных вибраций - частота, амплитуда, крутильных колебаний и др., что связано с поворотом или вращением.
Известен (полезная модель РФ №58233) акселерометр, включающий основную катушку индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала.
К недостатку такого акселерометра следует отнести использование в нем подвижных деталей или узлов, что снижает надежность его работы.
Общеизвестны электроинерционные опыты Л. Мандельштама и Н. Папалекси (1912 г), а также Т. Стюарта и Р. Толмена (1916 г), подтвердившие, в частности, возможность движения свободных носителей заряда относительно тела, в котором они находятся при ускоренном движении последнего.
Технический результат от использования представленной полезной модели заключается в повышении надежности работы акселерометра приемлемых размеров и массы (с точки зрения практического применения, например, в беспилотных и пилотируемых летательных, наземных и плавучих и др. аппаратах) за счет исключения из него подвижных деталей или узлов.
Достигается такой результат благодаря ориентации на инерционное движение относительно движущегося с ускорением тела находящихся в нем свободных носителей заряда.
Представленная полезная модель, также как и прототип, предполагает использование основной катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала. При этом она ориентирована на использование следующих главных отличительных признаков:
- основная катушка или сердечник, с которым такая катушка жестко связана, имеют крепежные элементы и/или узлы для жесткого крепления их или к объекту, упомянутые характеристики которого подлежат определению, или к корпусу либо к основанию, либо к некоторому конструктивному элементу датчика, которые предполагается жестко крепить к такому объекту с тем, чтобы основная катушка повторяла все движения последнего;
- основная катушка выполнена в виде одно- или многослойной намотки с постоянным или «прогрессивным» шагом из изолированного одно- или многожильного проводника, в то время, как витки как минимум части катушки в своей совокупности выполнены винтовыми или винтоспиральными при допустимом отклонении формы каждого витка (в проекции витка на плоскость перпендикулярную оси намотки) от окружности ±10% от среднего диаметра данного витка;
- ось основной катушки является осью, относительно которой рассматриваются упомянутые характеристики;
- основная катушка замкнута (непосредственно или через электрическую цепь) на конденсатор, с которого снимается электрический сигнал, зависящий от упомянутых характеристик, или же сама на себя непосредственно, когда последний ее виток с помощью изделия из материала со свободными носителями заряда соединен с первым, в этом случае на упомянутом сердечнике располагают как минимум одну дополнительную катушку, с которой и снимают упомянутый электрический сигнал, либо через электрическую цепь замыкания, электрически связывающую последний виток катушки с ее первым витком, при этом упомянутый электрический сигнал снимают либо с такой цепи или с ее элемента/фрагмента, либо опять же с дополнительной катушки.
Полезная модель предусматривает также использование ряда частных отличительных признаков:
- число витков основной катушки больше 100;
- основная катушка жестко прикреплена к сердечнику;
- основная катушка намотана на диэлектрический каркас круглого сечения, который жестко прикреплен к сердечнику;
- основная катушка выполнена многосекционной;
- намотка основной катушки выполнена рядовой;
- сердечник выполнен ферритовым, например, из электротехнической стали или пермаллоя;
- сердечник выполнен ферродиэлектрическим;
- сердечник выполнен чашеобразным или «П»-образным, или «Ш»-образным;
- сердечник выполнен замкнутым;
- колебательный контур, образованный катушкой с упомянутым конденсатором имеет низкую добротность;
- основная катушка с сердечником заключены в электрический и/или магнитный экраны, и/или теплоизоляцию;
- оси основной и дополнительной катушек не совпадают;
- оси основной и дополнительной катушек ортогональны;
- дополнительная катушка намотана на каркас квадратного или прямоугольного сечения;
- устройство включает две дополнительные катушки, причем направление намотки у таких катушек различно;
- электрическая цепь замыкания выполнена на базе оптрона, тогда как замыкание катушки самой на себя осуществляется с использованием фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме;
- электрическая цепь замыкания выполнена на базе пары оптронов, тогда как замыкание катушки самой на себя осуществляется с использованием пары работающих в фотогальваническом режиме фотодиодов, которые непосредственно или через электрические цепи соединены анодами к катодам друг друга и выполнены с возможностью независимой активации;
- основная и дополнительная катушки выполнены многослойными, а их внешние выводы заземлены;
- устройство включает электрический термодатчик;
- различные части основной катушки намотаны из проводов, выполненных из различных материалов, имеющих различные температурные коэффициенты сопротивления;
- основная и/или дополнительная катушки намотана с использованием проводов, включающих медь и/или серебро, и/или манганин;
- устройство включает установленную на общий с основной катушкой сердечник вспомогательную катушку, которая предназначена для возбуждения в основной катушке тока.
Полезная модель проиллюстрирована двумя фиг.
На фиг. 1 показан простейший чувствительный элемент акселерометра и пассивный полосовой фильтр, позволяющий получить стабильный электрический сигнал, зависящий от углового ускорения основной катушки или от параметров ее вращательной вибрации.
На фиг. 2 показан чувствительный элемент акселерометра, предполагающий использование дополнительной катушки.
Фиг. 1 приведена для обеспечения возможности подтверждения промышленной применимости полезной модели.
Фиг. 2 приведена для иллюстрации возможного взаимного расположения основной и дополнительной катушек.
На фиг. приняты следующие обозначения:
1 - заземленный электрический и/или магнитный экраны и/или теплоизоляция;
2 - внутренний вывод основной - измерительной - катушки (от первого витка), соединенный с пассивным фильтром первого каскада активного полосового фильтра, собранного на базе пары операционных усилителей;
3 - основная многослойная катушка (намотанная в несколько витков вдоль оси - не плоская);
4 - замкнутый ферритовый сердечник, составленный из пары чашеобразных половинок;
5 - заземленный внешний вывод основной катушки - от ее последнего витка;
6 - место выхода заземленного внешнего вывода дополнительной катушки;
7 - дополнительная катушка, намотанная по часовой стрелке, соединенная с предусилителем;
8 - место выхода внутреннего вывода катушки, соединенного с предусилителем;
9 - замкнутый ферритовый сердечник, составленный из пары «Ш»-образных половинок;
10 - замкнутая сама на себя через электрическую цепь замыкания основная катушка;
11 - электрическая цепь замыкания основной катушки самой на себя, соединяющая внешний и внутренний выводы катушки (ее первый виток с последним);
12 - дополнительная катушка, намотанная против часовой стрелки, соединенная с предусилителем;
A - место подключения обратной связи активного фильтра;
B - место подключения второго каскада фильтра;
C - место подключения пассивного или активного фильтра предусилителя (например, не-инвертирующий вход);
D - место подключения пассивного или активного фильтра предусилителя (например, инвертирующий вход);
1
m - направление намотки катушки по часовой стрелке;
2
m - направление намотки катушки против часовой стрелки;
+
V - место подключения «+» питания (например, +12 В относительно земли), также это может быть место подведения сигнального провода генератора;
-
V - место подключения «-» питания (например, -12 В относительно земли), также это может быть место подведения «земли» генератора;
w - угловая скорость (или направление вращения, качания);
o и oo - ось катушки, ось вращения объекта, угловое ускорение или параметры вибрации которого подлежат определению;
20 k и 24 k - номиналы сопротивлений резисторов пассивного фильтра, соответственно 20 и 24 кОм;
10,0 и 2,5 - номиналы емкостей конденсаторов пассивного фильтра, соответственно 10 и 2,5 мкФ;
«+» - неинвертирующий вход операционного усилителя;
«-» - инвертирующий вход операционного усилителя.
Реализована представленная полезная модель может быть следующим образом.
Она должна включать основную катушку индуктивности 3 (фиг. 1) 10 (фиг. 2) с сердечником из ферромагнитного материала 4 (фиг. 1) 9 (фиг. 2).
При этом сама такая катушка или сердечник, с которым она жестко связана, должны иметь крепежные узлы для жесткого крепления их к объекту, упомянутые характеристики которого подлежат определению.
В другом исполнении основная катушка или сердечник должны иметь крепежные узлы для жесткого крепления их к корпусу либо к основанию, либо к некоторому конструктивному элементу датчика, которые предполагается жестко крепить к такому объекту.
Другими словами, основная катушка должна быть выполнена с возможностью ее жесткого крепления к исследуемому объекту для того, чтобы она в точности повторяла судьбу такого объекта (с точки зрения движения).
В качестве крепежных элементов и/или узлов могут выступать поверхности, выступы, пазы, отверстия, выборки, шпильки, корпус, закладные элементы корпуса, направляющие, например, типа ласточкин хвост, втулки, зажимы и проч., и проч.
Так, например, основная катушка с сердечником могут быть залиты компаундом в корпусе датчика, в этом случае крепежными элементами явится наружная поверхность катушки и сердечника, ребра жесткости и др.
В принципе в качестве крепежного элемента может быть использован двухсторонний скотч.
На фиг. 1 в качестве такого узла выступает отверстие в центральной части сердечника.
Основная катушка может быть выполнена в виде одно- или многослойной намотки с постоянным или «прогрессивным» шагом из изолированного одно- или многожильного провода, однако витки такой катушки должны быть обязательно выполнены винтовыми или винтоспиральными при допустимом отклонении формы каждого витка от окружности ±10% от среднего диаметра витка.
В оптимальном случае - менее ±0,1%.
В этом случае ось основной катушки и будет являться осью, относительно которой корректно рассматриваются упомянутые характеристики.
Основная катушка должна быть замкнута на конденсатор, с которого снимается электрический сигнал, зависящий от упомянутых характеристик.
В другом исполнении основная катушка должна быть замкнута сама на себя непосредственно, когда последний ее виток с помощью изделия из материала со свободными носителями заряда соединен с первым, в этом случае на упомянутом сердечнике должна быть расположена как минимум одна дополнительная катушка 7 или 12, с которой и снимают упомянутый электрический сигнал.
Еще в одном исполнении основная катушка должна быть замкнута сама на себя через электрическую цепь замыкания 11, электрически связывающую последний виток катушки с ее первым витком, при этом упомянутый электрический сигнал могут снимать либо с такой цепи или с ее элемента/фрагмента, либо опять же с дополнительной катушки, установленной на общем с основной катушкой сердечнике.
Число витков n основной катушки должно быть больше 100.
Хороший результат достигается при n, лежащем в диапазоне от 500 до 1500.
Предпочтительно основная катушка должна быть жестко прикреплена к сердечнику.
Основная катушка может быть намотана на диэлектрический каркас круглого сечения, который может быть жестко прикреплен, например, приклеен к сердечнику.
Основная катушка может быть выполнена многосекционной.
Намотка основной катушки может быть выполнена рядовой.
Сердечник может быть выполнен ферритовым, например, из электротехнической стали или пермаллоя.
Также сердечник может быть выполнен ферродиэлектрическим.
Сердечник выполнен чашеобразным или «П»-образным, или «Ш»-образным.
Сердечник выполнен замкнутым.
Первые положительные эксперименты были получены с использованием пары сердечников М3000НМС ПК40×18 и высоковольтной катушки ТВС-110Л1, подключенной по схеме, представленной на фиг. 1. Быстрый результат с точки зрения настройки схемы можно получить, исследуя отклик такой катушки на вращательную вибрацию. Даже при ориентации на самую простую измерительную схему можно быстро убедиться в наличии воспроизводимой связи частоты, амплитуды и профиля сигнала, снимаемого с катушки от частоты и профиля вращательной вибрации.
Более хороший результат был получен при использовании пары сердечников В66358-G500-X187 и однослойной катушки из тонкого провода также примерно с 1300 витками.
После наладки активного фильтра, построенного на базе пары операционных усилителей с полярным входом, появилась возможность использовать незамкнутые сердечники и катушки с существенно меньшим - до примерно 50 - числом витков.
Колебательный контур, образованный катушкой с упомянутым конденсатором может иметь низкую добротность, согласованную с диапазоном изменения упомянутых характеристик, например, с частотным диапазоном отслеживаемых вибраций.
Основная катушка с сердечником могут быть заключены в электрический и/или магнитный экраны, и/или теплоизоляцию.
В ходе лабораторных исследований была проведена апробация такого заключения, однако для подтверждения промышленной применимости она не требуется.
Оси основной и дополнительной катушек не должны совпадать.
Хороший результат достигается в том случае, когда они ортогональны.
Это можно легко проверить, используя «Г»-образный сердечник вместо «П»-образного.
Дополнительная катушка должна быть намотана на каркас квадратного или прямоугольного сечения.
Устройство может включать и две дополнительные катушки, предпочтительно, чтобы направления намотки у таких катушек были различны.
Электрическая цепь замыкания может быть выполнена на базе оптрона. При этом замыкание катушки самой на себя может осуществляется с использованием фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме. Так, например, катод такого фотодиода может быть подключен к внутреннему выводу основной катушки, тогда как анод - к внешнему. При подаче на оптрон импульса напряжения в катушке будет инициирован импульс тока, изменение во времени параметров которого будет зависеть, в том числе, и от электроинерционных явлений, а следовательно, по такому изменении можно будет судить об упомянутых характеристиках.
Электрическая цепь замыкания может быть выполнена и на базе пары оптронов, тогда как замыкание катушки самой на себя может осуществляться с использованием пары работающих в фотогальваническом режиме фотодиодов, которые непосредственно или через электрические цепи соединены анодами к катодам друг друга и выполнены с возможностью независимой активации, чтобы инициировать в основной катушке разнонаправленные токи.
Внешние выводы основной или дополнительной катушек могут быть заземлены.
Устройство может включать электрический термодатчик. При этом оно может быть откалибровано для различных температур, тогда как информация о результатах калибровки может храниться в памяти акселерометра и использоваться микропроцессором последнего для корректировки оценок упомянутых характеристик, выдаваемых измерительной цепью.
С целью снижения влияния на показания акселерометра температур различные части основной катушки могут быть намотаны из проводов, выполненных из различных материалов, имеющих различные температурные коэффициенты сопротивления.
Основная и/или дополнительная катушки намотана с использованием проводов, включающих медь и/или серебро, и/или манганин.
Устройство может включать установленную на общий с основной катушкой сердечник вспомогательную катушку, которая предназначена для инициации в основной катушке, например импульса тока.
Достижение заявленного технического результата предопределено ориентацией полезной модели на электроинерционные явления - на инерционное движение свободных носителей заряда (электронов и/или дырок) относительно содержащего их тела, что позволяет полностью отказаться от использования в акселерометре подвижных деталей, узлов и молекулярных сред, например, воды.