ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
SENSOR FOR MEASURING DEFORMATION ON MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в медицине, приборостроении и машиностроении для измерения деформации.
Известно устройство на поверхностной магнитостатической волне (авторское свидетельство СССР №1738049, МПК Н01Р 1/215, опубл. 27.11.1995) с возможностью применения в измерительной аппаратуре широкого назначения. Известное устройство содержит установленную в магнитном поле металлизированную подложку из гадолиний-галлиевого граната, на которой расположена монокристаллическая пленка железо-иттриевого граната. Недостатками данного устройства является его слабая чувствительность к внешним воздействиям, а также небольшой срок службы чувствительного элемента в силу прямого механического воздействия на подложку при измерении физической величины.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является чувствительный элемент для измерения физических величин (патент РФ №2475716, МПК G01L 9/00, G01B 7/16, G01K 11/00, опубл. 20.02.2013), состоящий из слоя подложки, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенного на нем слоя материала, в котором распространяются магнитостатические волны, например, железо-иттриевого граната, и расположенного под слоем подложки постоянного магнита. На слое материала, в котором распространяются магнитостатические волны, располагается преобразователь электрических сигналов в магнитостатические волны, который также является преобразователем магнитостатических волн в электрический сигнал.
Основным недостатком прототипа является низкая чувствительность измеряющего элемента к малым значениям воздействующей силы, на основе которой возможно регистрировать деформационные процессы контролируемого объекта.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для высокоточного измерения величины деформации.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение чувствительности датчика на магнитостатических волнах к малым значениям воздействующей силы и повышение точности измерений деформации контролируемого объекта.
Сущность технического решения заключается в том, что датчик для измерения деформации на магнитостатических волнах, содержащий чувствительный элемент, включающий подложку, выполненную на основе гадолиний-галлиевого граната с эпитаксиально выращенным на ней слое материала, в котором распространяются магнитостатические волны, например, железо-иттриевого граната, преобразователь электрических сигналов в магнитостатические волны, расположенный на слое материала, в котором распространяются магнитостатические волны, постоянный магнит, дополнительно включает второй чувствительный элемент, структурно идентичный первому чувствительному элементу и расположенный ровно напротив него, и упругий элемент с противолежащими силовоспринимающими основаниями, в которых установлен выполненный в виде металлической пластины упругодеформируемый экран, проходящий между двумя чувствительными элементами и изгибающийся в сторону одного из чувствительных элементов, при этом преобразователи сигналов каждого чувствительного элемента выполнены в виде полосковой антенны и по меньшей мере двух пар электродов, где электроды каждой пары расположены по разные стороны от антенны и соединены проводником, причем электроды, находящиеся с одной стороны от антенны и сама антенна одного чувствительного элемента, располагаются на том же уровне, что и соответствующие электроды и антенна другого чувствительного элемента, а электроды находящиеся по другую сторону от антенны одного чувствительного элемента смещены относительно уровня расположения соответствующих электродов другого чувствительном элемента, кроме того постоянный магнит каждого чувствительного элемента выполнен в виде двух магнитных пластин, установленных на торцах чувствительного элемента параллельно антенне и электродам и соединенных между собой магнитопроводом, при этом чувствительные элементы расположены на кронштейне, соединенном с одним из оснований упругого элемента, а упругодеформируемый экран имеет сквозные отверстия, выполненные ровно напротив полосковых антенн, электродов чувствительных элементов и магнитных пластин.
Создание структуры датчика, включающей упругий элемент с противолежащими силовоспринимающими основаниями, в которых установлен металлический упругодеформируемый экран, перемещение которого возможно даже при минимальном силовом воздействии на основания упругого элемента, позволяет обеспечить регистрацию малых значений силы, на основании которых определяется величина деформации. Использование дифференциальной схемы измерения, состоящей из установленных напротив друг друга высокочастотных чувствительных элементов, а также применение в качестве преобразователей сигналов чувствительных элементов пар электродов, соединенных проводником, дополнительно обеспечивающее снижение вносимых датчиком потерь, влияющих на уровень сигнала (чем, например, при использовании отражающих структур в виде статических неоднородностей), и, соответственно, позволяющее точнее фиксировать его форму и, т.о. улучшить различимость откликов при минимальном шаге воздействия на датчик, способствует существенному повышению разрешающей способности датчика. Все вышеприведенные признаки в совокупности позволяют значительно повысить чувствительность датчика к малым силовым воздействиям и точность измерений деформации.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид датчика на магнитостатических волнах для измерения деформации.
Фиг. 2 демонстрирует расположение и структуру чувствительных элементов и упругодеформируемого экрана датчика.
На фиг. 3 показан пример расположения электродов, проводников и антенны чувствительного элемента и направление распространения магнитостатической волны.
Датчик для измерения деформации (фиг. 1) содержит упругий элемент 1 с двумя противолежащими силовоспринимающими основаниями 2. В основаниях 2 установлен упругодеформируемый экран 3, представляющий собой металлическую пластину. К одному из оснований 2 упругого элемента 1 прикреплен кронштейн 4, на котором установлена структура из двух идентичных по структуре, расположенных ровно напротив друг друга, чувствительных элементов 5, формирующих магнитостатические волны. Упругодеформируемый экран 3 расположен между чувствительными элементами 5 так, что в ненагруженном состоянии он изгибается в сторону одного из них, при этом изгиб выбирается минимально достаточным для однозначного отклонения экрана 3 при воздействии сил в необходимом направлении (в сторону ближайшего к нему чувствительного элемента 5).
Упругий элемент 1 является трансформатором, т.е. преобразовывает силу в деформацию, поэтому под воздействием сил одно основание 2 упругого элемента 1 приближается к другому основанию 2, и упругодеформируемый экран 3 изгибается в сторону одного из чувствительных элементов 5, удаляясь при этом от другого. Когда воздействие силы прекращается или ослабевает, основания 2 упругого элемента 1 удаляются друг от друга, при этом экран 3 стремится в сторону другого чувствительного элемента 5.
Каждый чувствительный элемент 5 (фиг. 2) состоит из подложки 6, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенного на нем слоя 7 материала, в котором распространяются магнитостатические волны (например, железо-иттриевого граната), и постоянного магнита, выполненного в виде двух магнитных пластин 8.
На слое 7 материала, в котором распространяются магнитостатические волны, располагается полосковая антенна 9 для возбуждения и приема магнитостатических волн и, по меньшей мере, две пары электродов 10. Полосковая антенна и пары электродов являются одновременно преобразователями электрических сигналов в магнитостатические волны и магнитостатических волн в электрические сигналы. Электроды 10, составляющие пару, размещены по разные стороны от антенны 9 и соединяются проводником 11. Количество пар электродов влияет на разрешающую способность датчика: чем их больше, тем выше разрешающая способность устройства. На фиг. 2 и фиг. 3 приведен пример реализации чувствительных элементов с тремя парами электродов. Электроды 10, размещенные под антенной 9 (на фиг. 2), находятся ближе друг к другу по сравнению с электродами 10, размещенными над антенной 9, с целью уменьшения потерь на распространение магнитостатической волны от электродов 10 до антенны 9. Электроды 10 одного чувствительного элемента 5, находящиеся под антенной 9, и сама антенна 9, размещены на одном уровне, что и соответствующие электроды 10 и антенна 9 другого чувствительного элемента 5, а электроды 10, находящиеся над антенной 9 одного чувствительного элемента 5 смещены относительно уровня расположения соответствующих электродов 10 другого чувствительном элемента 5.
Постоянный магнит каждого чувствительного элемента 5 выполнен в виде двух магнитных пластин 8, установленных на торцах чувствительного элемента 5 параллельно антенне 9 и электродам 10 и соединенных между собой магнитопроводом 12.
Чувствительные элементы 5 установлены ровно напротив друг друга, обеспечивая тем самым дифференциальную схему измерения (фиг. 2). Смещение части электродов 10 одного чувствительного элемента 5 относительно части электродов 10 другого чувствительного элемента 5 обеспечивает соответствие максимума импульсной характеристики одного чувствительного элемента во временной области минимуму импульсной характеристики второго чувствительного элемента во временной области, что позволяет однозначно идентифицировать форму ответного сигнала. Чувствительные элементы 5 установлены на кронштейне 4, который соединен с одним из оснований 2 упругого элемента 1. Для усиления конструкции кронштейн 4 может быть выполнен П-образным, при этом его части будут проходить между магнитопроводом 12 и подложкой 6 каждого чувствительного элемента 5 (фиг. 2). Упругодеформируемый экран 3 имеет сквозные отверстия 13, выполненные ровно напротив антенн 9, электродов 10 чувствительных элементов 5 и магнитных пластин 8 для уменьшения его влияния на них. При этом размеры отверстий выбраны с учетом смещения электродов одного чувствительного элемента относительно электродов другого чувствительного элемента таким образом, чтобы соблюдалось условие - напротив каждого электрода 10, антенны 9 и магнитной пластины 8 в упругодеформируемом экране 3 должно быть сформировано сквозное отверстие 13. Так, например, для антенны, электродов и магнитной пластины, расположенных под антенной (согласно фиг. 2), выполнено одно отверстие, а для первых двух электродов, расположенных над антенной (если считать от антенны), выполнено по отдельному отверстию на каждый.
Направление распространения магнитостатических волн в чувствительном элементе 5 показано стрелками на фиг. 3.
Так как упругодеформируемый экран 3 является металлическим, он оказывает влияние на распространение магнитостатической волны в чувствительном элементе 5. В частности, изменение расстояния от упругодеформируемого экрана 3 до чувствительного элемента 5 существенно влияет на групповую скорость магнитостатической волны в слое материала 7 (при увеличении этого расстояния скорость волны уменьшается, а при уменьшении - возрастает) и на время распространения магнитостатических волн, которое определяется этой скоростью: чем ближе экран 3 к материалу 7, в котором распространяются магнитостатические волны, тем меньше время распространения магнитостатических волн в слое материала 7, и наоборот.
Устройство работает следующим образом.
Для получения эталонных значений измерений датчик устанавливают на объект с известными размерами, который намеренно деформируют (таким образом, на основания 2 упругого элемента 1 датчика воздействует сила (растяжения либо сжатия) известной величины), после чего снимают характеристики выходного сигнала. Также измеряется величина относительного удлинения контролируемого объекта. На основе полученных данных формируют статическую характеристику измерений (зависимости выходного сигнала от величины деформации).
Датчик размещают на контролируемом объекте так, чтобы силовое воздействие (F) приходилось на основания 2 упругого элемента 1 (как показано на фиг. 1, т.е. происходит одновременное сдавливание оснований с обеих сторон либо одновременное растяжение). На антенны 9 датчика периодически посылают запросный электромагнитный сигнал для возбуждения квазиповерхностных магнитостатических волн в чувствительных элементах 5. При касательном намагничивании, что достигается расположением магнитных пластин 8 на торцах чувствительного элемента 5 параллельно антенне 9 и электродам 10, направление магнитостатических волн совпадает с направлением магнитосиловых линий. Поскольку магнитные пластины 8 расположены разными полюсами друг к другу и замкнуты магнитопроводом 12, магнитосиловые линии распространяются строго в одну сторону, что, соответственно, обеспечивает распространение магнитостатических волн в ту же сторону (на фиг. 3 - направо). По достижении электродов 10 с одной стороны от антенны 9, магнитостатическая волна преобразуется в электрический сигнал, который проходит по пути электрод-проводник-электрод и на электроде с другой стороны от антенны 9 преобразуется обратно в магнитостатическую волну, которая поступает на антенну 9. При помощи антенны 9 переменное магнитное поле магнитостатической волны преобразуется в электромагнитный сигнал и излучается в эфир в качестве ответного сигнала. Таким образом ответные сигналы поступают с обоих чувствительных элементов 5 датчика. При нагружении датчика каждый ответный сигнал будет иметь собственное значение групповой скорости, обусловленное близостью упругодеформируемого экрана 3: чем ближе экран 3 к слою 7 материала, в котором распространяются магнитостатические волны, тем выше групповая скорость магнитостатических волн. Изменение групповой скорости влияет на форму ответного сигнала. Полученные ответные сигналы сравниваются, и результат сравнения сопоставляется с ранее полученными эталонными значениями, исходя из чего делается вывод о величине деформации контролируемого объекта.
Соответствие максимума импульсной характеристики одного чувствительного элемента во временной области минимуму импульсной характеристики второго чувствительного элемента во временной области обеспечивает однозначную идентификацию формы ответного сигнала (что было бы недоступно при наложении пиков одного на другой в случае, если бы электроды обоих чувствительных элементов располагались на одном уровне друг с другом).
Ввиду высокой способности упругого элемента и упругодеформируемого экрана к деформации под воздействием минимальных значений сил и значительной зависимости параметров магнитостатической волны от расположения экрана, а также использования дифференциальной схемы измерения, состоящей из установленных ровно напротив друг друга высокочастотных чувствительных элементов, которые включают в себя преобразователи сигналов в виде пар электродов, предлагаемый датчик представляет собой высокоточное измерительное устройство, способное регистрировать даже самые малые значения воздействующей силы, на основе которой возможно измерять деформацию контролируемого объекта.
Предлагаемый датчик на магнитостатических волнах может найти применение в различных областях науки и техники.