ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
SENSITIVE ELEMENT

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.
Изобретение имеет отношение к измерительной технике и может быть использована при определении характеристик движения объектов таких, как скорость, ускорение и вибрации, в частности, 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.
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 представляемого изобретения заключается в повышении надежности работы акселерометра 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, в частности, на движение таких носителей под действием центробежной силы, а также на магнитные эффекты.
Представленное изобретение, также как и прототип, предполагает ориентацию на основную катушку индуктивности.
- основная катушка выполнена плоской и/или пространственно-винтовой в виде многовитковой спирали;
- основная катушка либо имеет крепежные элементы и/или узлы для ее жесткого крепления к исследуемому объекту или к корпусу, или к основанию, или к иному конструктивному элементу датчика, жестко с ним связанному, которые предполагается жестко крепить к такому объекту, либо жестко прикреплена как минимум к одному из упомянутых конструктивных элементов, или составляет с как минимум одним таким элементом одно целое, а соответствующий элемент в этом случае сам является частью упомянутого устройства;
- основная катушка выполнена из материала, содержащего свободные носители заряда;
- ось основной катушки, проходящая через ее центр и перпендикулярная плоскости такой катушки, если она плоская, или совпадающая с ее осью, если она пространственная, и является осью, относительно которой рассматриваются упомянутые параметры движения;
- основная катушка выполнена с возможностью ее замыкания либо на измерительную электрическую цепь, либо самой на себя посредством электрической цепи замыкания, при том, что измерительная электрическая цепь подключается к цепи замыкания или к ее фрагменту, или к ее элементу, либо основная катушка имеет сердечник, на котором располагается как минимум одна дополнительная катушка, которая соединена с измерительной электрической цепью, тогда как основная катушка замкнута сама на себя посредством изделия из материала, содержащего свободные носители заряда, или посредством электрической цепи замыкания.
Изобретение предусматривает также использование ряда частных отличительных признаков:
- основная катушка может быть замкнута на конденсатор, с которого снимается электрический сигнал, зависящий от упомянутых параметров движения;
- колебательный контур, образованный катушкой с упомянутым конденсатором, имеет низкую добротность;
- электрическая цепь замыкания выполнена либо на базе оптрона, тогда как непосредственно замыкание катушки самой на себя осуществляется через электрическую цепь, включающую фотодиод, работающий в фотогальваническом режиме, либо на базе пары оптронов, тогда как непосредственно замыкание катушки самой на себя осуществляется через электрическую цепь, включающую пару работающих в фотогальваническом режиме фотодиодов, которые соединены анодами к катодам друг друга напрямую или через дополнительные электрические цепи и выполнены с возможностью независимой активации;
- основная катушка выполнена в виде плоской или пространственной спиралей, для которых выполняется следующее условие
r,R
где α - углы между касательными к спирали в точках, удаленных от ее центра на расстояния, соответственно, r и R, а также прямой, проходящей через центр спирали и указанные точки,
знак приближенного равенства отражает точность изготовления катушки и/или представленное здесь ниже допущение,
при том, что для пространственной спирали упомянутые углы допускается рассматривать на ее нормальной проекции на плоскость, перпендикулярную оси такой катушки;
- устройство включает расположенную над или под основной катушкой оппозитную катушку, аналогичную основной катушке, направление намотки которой противоположно направлению намотки основной катушки, тогда как оси катушек совпадают;
- основная и оппозитная катушки выполнены с возможностью их подключения к измерительной электрической цепи, включающей операционный усилитель, таким образом, чтобы выходной сигнал одной из них был направлен к инвертирующему входу такого усилителя, а другой - к неинвертирующему или наоборот, при этом катушки выполнены одинакового размера, с равным шагом спиралей, с одинаковым числом витков, а также с одинаковыми формой и площадью поперечного сечения витков;
- число витков основной и/или оппозитной катушек больше 50;
- основная и/или оппозитная катушки находится в диамагнетике;
- внешние выводы основной и оппозитной катушек заземлены;
- разные части основной и/или оппозитной катушек выполнены из материалов, имеющих различные температурные коэффициенты сопротивления;
- основная и/или оппозитная катушки выполнены с использованием манганина и/или меди, и/или серебра;
- основная катушка заключена в электрический и/или магнитный экраны, и/или в теплоизоляцию;
- основная катушка находится на подложке;
- основная и оппозитная катушки находятся на разных сторонах одной подложки;
- подложка выполнена из керамического материала;
- подложка включает крепежные элементы или узлы;
- сердечник выполнен из электротехнической стали или пермаллоя или из ферродиэлектрика, при том что такой сердечник выполнен чашеобразным или «Г»-образным, или «П»-образным, или «Ш»-образным;
- сердечник выполнен замкнутым;
- оси основной и дополнительной катушек не совпадают;
- оси основной и дополнительной катушек ортогональны;
- дополнительная катушка намотана на каркас квадратного или прямоугольного сечения;
- дополнительная катушка выполнена в виде одно- или многослойной намотки с постоянным или прогрессивным шагом из изолированного одно- или многожильного проводника;
- устройство включает две дополнительные катушки, причем направление намотки у таких катушек противоположно;
- основная катушка имеет сердечник, на котором расположена как минимум одна вспомогательная катушка, выполненная с возможностью инициирования тока в основной катушке;
- устройство включает холодильник;
- устройство включает электрический термодатчик;
- основная катушка выполнена в виде многовитковых спирали Архимеда с постоянным шагом или спирали, по форме похожей на спираль Ферма или на ее часть с убывающим по мере удаления от центра катушки шагом, или спирали с нарастающим по мере удаления от центра катушки шагом (для пространственной спирали это верно по отношению к нормальной проекции), или составленной из таковых.
Изобретение проиллюстрировано четырьмя фигурами.
На фиг. 1 показан простейший чувствительный элемент обсуждаемого датчика и возможная схема его подключения к предусилителю или к активному фильтру.
На фиг. 2 показан чувствительный элемент акселерометра с оппозитной катушкой и вариант его условного подключения к операционному усилителю, позволяющий оценивать не только частоту вращения, но и направление последнего.
На фиг. 3 условно (представлено мало витков) показана основная катушка, для которой выполняется условие (1), а также возможная схема ее замыкания самой на себя посредством пары включенных встречно фотодиодов, работающих в фотогальваническом режиме и периодически активируемых последовательно друг за другом на интервалы времени, существенно меньшие соответствующего периода последовательной активации.
На фиг. 4 представлен акселерометр, в котором реализовано изобретение.
Фиг. 1 приведена для обеспечения возможности подтверждения промышленной применимости изобретения.
Фиг.2 приведена для иллюстрации возможного взаимного расположения основной и оппозитной катушек.
Фиг. 3 приведена для иллюстрации внешнего вида спирали, удовлетворяющей условию (1).
Фиг. 4 приведена для пояснения того, что понимается под крепежными узлами или элементами.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - холодильник (например, Пелтье), который может располагаться на противоположной относительно основной катушки стороне подложки (для подтверждения промышленной применимости использовать не обязательно);
2 - диамагнетик, напыленный на катушку или нанесенный на нее, а затем полимеризовавшийся, это может быть, например, компаунд, содержащий в качестве наполнителя порошковую керамику;
3 - низкочастотный фильтр (предпочтительно полосовой), соединенный с неинвертирующим биполярным входом операционного усилителя предусилителя;
4 - заземленный внешний вывод катушки;
5 - являющаяся основной плоская катушка индуктивности, намотанная в виде плоской (в пределах толщины провода и погрешности намотки) спирали Архимеда наподобие катушки Тесла с большим числом витков - от 500 до 1500 (для подтверждения промышленной применимости - пока не отработаны схемы пассивных и активных фильтров предпочтительно выполнить основную катушку с возможностью ее совместно использования с замкнутым феромагнитным сердечником, причем такой сердечник правильнее изготовить самостоятельно в соответствии с параметрами катушки, используя известную технологию перемешивания порошкового феромагнитного материала с эпоксидной смолой, непосредственно перед ее полимеризацией);
6 - внутренний вывод катушки, соединенный с низкочастотным фильтром;
7 - часть катушки, выполненная из другого материала, нежели основная часть катушки, имеющего отличные электрофизические характеристики от таковых основного материала катушки (для подтверждения промышленной применимости использование такого материала не требуется);
8 - заземленный электрический и/или магнитный экраны, и/или теплоизоляция, причем совмещение таких конструктивных элементов в одном устройстве не обязательно (для подтверждения промышленной применимости использование первого не обязательно, тогда как второго желательно, а последнего не требуется);
9 - оппозитная катушка полностью аналогичная (практически по всем геометрическим параметрам, а также по электрическим и магнитным параметрам) катушке 5, отличающаяся от нее лишь тем, что намотана в другом направлении;
10 - металлизация, обеспечивающая электрический контакт внешних выводов основной и оппозитной катушек;
11 - выводы микросхемы, соединенные с внешними выводам катушки, которые предполагается «заземлить», такие выводы могут выполнять функцию крепежных элементов датчика;
12 - элементы интегральной схемы, в т.ч. энергонезависимая память, в которой хранятся данные температурной калибровки акселерометра, учитываемые при одновременной обработке сигнала от датчика температуры и упомянутых параметров движения;
13 - керамическая подложка, которая может включать отверстия, предназначенные для ее крепления к плате, корпусу и проч.;
14 - выполненный из компаунда корпус, который может включать закладные узлы и элементы, предназначенные для его крепления к исследуемому объекту напрямую или опосредованно, примечательно, что и сам корпус может выполнять функцию крепежного узла или элемента, в нем, например, могут быть выполнены отверстия, в т.ч. сквозные, пазы и проч.;
А - место подключения к предусилителю, например, активного фильтра - сигнал (например, напряжение) в этом месте относительно «земли» зависит от скорости вращения основной катушки относительно оси о - чем больше угловая скорость, тем напряжение больше;
R
а - касательная к спирали, в соответствии с которой намотана катушка в точке удаленной на расстояние R от центра спирали о;
r
а - касательная к спирали, в соответствии с которой намотана катушка в точке, удаленной на расстояние r от центра спирали о;
В - место подключения предусилителя или пассивного либо активного фильтров с большими входными сопротивлениями;
С - место подключения микропроцессора, микроконтроллера или иного решающего устройства;
F - холодильник;
1
m - направление намотки катушки по часовой стрелке;
2
m - направление намотки катушки против часовой стрелки;
o и oo - ось катушки, ось вращения исследуемого объекта;
R - радиус-вектор, проведенный из центра спирали, в соответствии с которой намотана катушка к некоторой точке на ней;
1
R - потенциометр, позволяющий установить верхнюю частоту полосового фильтра;
2
R - потенциометр, позволяющий установить нижнюю частоту полосового фильтра;
r - радиус-вектор, проведенный из центра спирали, в соответствии с которой намотана катушка к некоторой точке на ней, причем r<R;
t°C - датчик температуры, например, соединенный с микропроцессором;
+
V- место подключения «+» питания (например, +12 В относительно земли);
-
V - место подключения «-» питания (например, -12 В относительно земли);
w - угловая скорость (или направление вращения, качания);
r
r
α - угол между касательной а к спирали, в соответствии с которой намотана катушка и прямой, проведенной из центра спирали о;
R
R
α - угол между касательной а к спирали, в соответствии с которой намотана катушка, и прямой, проведенной из центра спирали о;
«+» - неинвертирующий фход операционного усилителя;
«-» - инвертирующий вход операционного усилителя;
тонкая пунктирная линия на фиг. 2 - условное обозначения подключения внутренних выводов катушек к операционному усилителю (условное в том смысле, что не показана «обвязка» усилителя - пассивные электронные компоненты).
Реализовано представленное изобретение может быть следующим образом.
Соответствующее устройство должно включать основную катушку индуктивности 5 (см. фиг. ), которая выполнена плоской и/или пространственно-винтовой в виде многовитковой спирали.
Здесь речь идет о шаге спирали, а не о винтовом шаге, т.е. в этом аспекте можно рассматривать нормальную проекцию пространственно-винтовой катушки.
При этом основная катушка либо должна имеет крепежные элементы и/или узлы для ее жесткого крепления к упомянутому объекту или к корпусу, или к основанию, или к иному конструктивному элементу датчика, жестко с ним связанному, например, к подложке, тогда как те, в свою очередь, предполагается жестко крепить к исследуемому объекту с тем, чтобы основная катушка повторяла все движения последнего, либо она должна быть жестко прикреплена как минимум к одному из упомянутых конструктивных элементов, или она должна составлять с как минимум одним таким элементом одно целое, а соответствующий элемент в этом случае сам будет являться частью упомянутого устройства (так, например, она может быть напылена на подложку, приклеена к ней, залита на ней компаундом и т.п.).
В качестве таких крепежных элементов и/или узлов могут выступать поверхности витков катушки, каркас катушки, поверхности компаунда или иного материала, в который заключена катушка и проч.
Основная катушка выполнена из материала, содержащего свободные носители заряда (в основном здесь речь идет об электронах, ионы вообще не подлежат рассмотрению).
Ось основной катушки о или oo, проходящая через ее центр и перпендикулярная плоскости такой катушки, если она плоская, или совпадающая с ее осью, если она пространственная, и является осью, относительно которой рассматриваются упомянутые параметры движения.
Основная катушка выполнена с возможностью ее замыкания либо на измерительную электрическую цепь, либо самой на себя посредством электрической цепи замыкания, при том, что измерительная электрическая цепь подключается к цепи замыкания или к ее фрагменту, или к ее элементу, либо основная катушка имеет сердечник, на котором располагается как минимум одна дополнительная катушка, которая соединена с измерительной электрической цепью, тогда как основная катушка замкнута сама на себя посредством изделия из материала, содержащего свободные носители заряда, или посредством электрической цепи замыкания.
Основная катушка может быть замкнута непосредственно на конденсатор, с которого снимается электрический сигнал, зависящий от упомянутых параметров движения. Такой конденсатор может входить в состав пассивного полосового фильтра, а может являться частью самого чувствительного элемента.
Соответствующий колебательный контур может иметь низкую добротность, соответствующую диапазону изменения упомянутых параметров движения.
Электрическая цепь замыкания может быть выполнена либо на базе оптрона, тогда как замыкание катушки самой на себя осуществляется через электрическую цепь, включающую фотодиод, работающий в фотогальваническом режиме, либо на базе пары оптронов, тогда как замыкание катушки самой на себя осуществляется через электрическую цепь, включающую пару работающих в фотогальваническом режиме фотодиодов, которые соединены анодами к катодам друг друга напрямую (как это показано на фиг. 3) или через дополнительные электрические цепи и выполнены с возможностью независимой активации.
Так, например, катод фотодиода может быть подключен к внутреннему выводу основной катушки, тогда как анод - к внешнему. При подаче на оптрон импульса напряжения в основной катушке будет инициирован импульс тока, изменение во времени параметров которого, в том числе, будет зависеть и от электроинерционных и центробежных явлений и эффектов, а следовательно, по такому изменению можно будет судить об исследуемых параметрах движения.
Пара встречно включенных фотодиодов нужна, чтобы инициировать в основной катушке разнонаправленные токи.
Лучший результат достигается, когда основная катушка выполнена в соответствии со спиралью, для которой верно условие (1), поскольку на любом элементарном участке такой катушки постоянно отношение составляющей фиктивных сил инерции, связанной с центробежной силой, к электрическому сопротивлению такого участка.
Устройство может включать расположенную над или под основной катушкой оппозитную катушку 9, аналогичную основной катушке, направление намотки которой противоположно направлению намотки основной катушки, тогда как оси катушек совпадают.
Основная и оппозитная катушки могут быть выполнены с возможностью их подключения к измерительной электрической цепи, включающей операционный усилитель, таким образом, чтобы выходной сигнал одной из них был направлен к инвертирующему входу такого усилителя, а другой - к неинвертирующему или наоборот, при этом катушки могут быть выполнены одинакового размера, с равным шагом спиралей, с одинаковым числом витков, а также с одинаковыми формой и площадью поперечного сечения витков.
По разности сигналов катушек можно судить о направлении вращения - с катушки, направление намотки которой совпадает с направлением вращения, сигнал будет несколько больше.
Число витков основной и/или оппозитной катушек должно быть больше 50. Так, были испытаны катушки с 500, 1000, 1500 и 2000 витками. Предварительные результаты свидетельствуют о том, что чем больше витков - тем лучше.
Основная и/или оппозитная катушки могут находиться в диамагнетике 2.
Внешние выводы основной и оппозитной катушек могут быть заземлены.
Разные части основной и/или оппозитной катушек могут быть выполнены из материалов, имеющих различные температурные коэффициенты сопротивления с целью минимизации влияния температуры на точность измерений.
Основная и/или оппозитная катушки могут быть выполнены с использованием манганина и/или меди, и/или серебра.
Основная катушка может быть заключена в электрический и/или магнитный экраны, и/или в теплоизоляцию. Правильнее в такие экраны или изоляцию заключать весь датчик целиком.
Основная катушка может находиться на подложке 13. Она может быть просто напылена на нее. Современные технологии напыления позволяют на подложке в 1 см разместить сотни витков спиральной катушки.
Основная и оппозитная катушки могут находиться на разных сторонах одной подложки, что очень удобно.
Подложка может быть выполнена из керамического материала.
Подложка может включать крепежные элементы или узлы.
Сердечник может быть выполнен из электротехнической стали, или пермаллоя, или из ферродиэлектрика при том, что такой сердечник может быть выполнен чашеобразным или «Г»-образным, или «П»-образным, или «Ш»-образным.
Сердечник может быть выполнен замкнутым.
Оси основной и дополнительной катушек могут не совпадать, например, они могут быть ортогональны.
Дополнительная катушка может быть намотана на каркас квадратного или прямоугольного сечения, при этом она может быть выполнена в виде одно- или многослойной намотки с постоянным или прогрессивным шагом из изолированного одно- или многожильного проводника.
Устройство может включать две дополнительные катушки, причем направление намотки у таких катушек может быть противоположно. Внешние выводы таких дополнительных катушек могут быть «заземлены», тогда как внутренние - подведены к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя.
Основная катушка может иметь сердечник, на котором расположена как минимум одна вспомогательная катушка, выполненная с возможностью инициирования тока в основной катушке (с той же целью, с которой в основной катушке ток инициирует фотодиод).
Устройство может включать холодильник и/или электрический термодатчик.
Основная катушка может быть выполнена в виде многовитковых спирали Архимеда с постоянным шагом, или спирали, по форме похожей на спираль Ферма или на ее часть с убывающим по мере удаления от центра катушки шагом, или спирали с нарастающим по мере удаления от центра катушки шагом, или составленной из таковых.
Достижение заявленного технического результата предопределено ориентацией полезной модели на электроинерционные и/или центробежные явления и эффекты - на инерционное и/или центробежное 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, таких, как, например, вода.