ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
SENSOR FOR MEASURING FORCE ON MAGNETOSTATIC WAVES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в медицине, приборостроении и машиностроении для измерения силы.
Известно устройство на поверхностной магнитостатической волне (авторское свидетельство СССР №1738049, МПК H01P 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, сформированы преобразователь электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающие структуры, которые располагаются с двух сторон от преобразователя сигналов таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя сигналов и отражающих структур с одной стороны имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя сигналов и отражающих структур с другой стороны.
Основным недостатком прототипа является низкая чувствительность измеряющего элемента к малым значениям воздействующей силы и, как следствие, недостаточная точность измерения физической величины.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для высокоточного измерения силовых воздействий.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение чувствительности датчика на магнитостатических волнах к малым значениям силы и повышение точности измерений.
Сущность технического решения заключается в том, что датчик для измерения силы на магнитостатических волнах, содержащий чувствительный элемент, включающий слой подложки, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенный на нем слой материала, в котором распространяются магнитостатические волны, например, железо-иттриевого граната, преобразователь электрических сигналов в магнитостатическую волну, расположенный на слое материала, в котором распространяются магнитостатические волны, постоянный магнит, расположенный под слоем подложки, отражающие структуры, сформированные с двух сторон от преобразователя сигналов таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя сигналов и отражающих структур с одной стороны имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя сигналов и отражающих структур с другой стороны, дополнительно включает второй чувствительный элемент, идентичный первому чувствительному элементу и расположенный параллельно ровно напротив него, при этом магниты чувствительных элементов, по крайней мере с одной стороны, соединены магнитопроводом, а преобразователь электрических сигналов в магнитостатическую волну каждого чувствительного элемента выполнен в виде полосковой антенны, 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 магнитопровод установлен на кронштейне, соединенном с одним из оснований упругого элемента, а упругодеформируемый экран имеет сквозное отверстие, выполненное ровно напротив полосковых антенн чувствительных элементов.
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, а также использование дифференциальной схемы измерения, состоящей из установленных параллельно ровно напротив друг друга магнитно-сопряженных высокочастотных чувствительных элементов, позволяет увеличить разрешающую способность датчика, повысить его чувствительность и точность измерений.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид датчика на магнитостатических волнах для измерения силы.
На фиг. 2 изображена структура чувствительного элемента со схемой распространения магнитостатической волны.
Фиг. 3 демонстрирует расположение чувствительных элементов и упругодеформируемого экрана датчика.
На фиг. 4 приведен график зависимости групповой скорости магнитостатической волны от расстояния между чувствительным элементом и упругодеформируемым экраном на разных частотах.
Датчик для измерения силы (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 магнитно-сопряженных чувствительных элементов 5, формирующих магнитостатические волны. Упругодеформируемый экран 3 расположен между чувствительными элементами 5 так, что в состоянии ненагруженности 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 слоя подложки 6, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенного на нем слоя материала 7, в котором распространяются магнитостатические волны (например, железо-иттриевого граната), расположенного на слое материала 7 преобразователя 8 электрических сигналов в магнитостатическую волну, который одновременно является и преобразователем магнитостатической волны в электрический сигнал, постоянного магнита 9, расположенного под слоем подложки 6, и отражающих структур 10. Отражающие структуры 10 сформированы с двух сторон от преобразователя 8 таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя 8 и отражающих структур 10 с одной стороны от преобразователя 8 имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя 8 и отражающих структур 10 с другой стороны от преобразователя 8. В качестве преобразователя 8 электрических сигналов в магнитостатическую волну используется полосковая антенна (здесь и далее обозначение - 8), являющаяся наиболее подходящей для создания магнитостатической волны. Отражающие структуры 10 представляют собой статические неоднородности (канавки или штыри), сформированные на поверхности чувствительного элемента 5 путем напыления или травления.
Распространение магнитостатических волн в чувствительном элементе 5 показано на фиг. 2 стрелками: черными обозначены магнитостатические волны, излучаемые антенной 8, белыми - магнитостатические волны, отраженные от структур 10.
Чувствительные элементы 5 установлены параллельно ровно напротив друг друга (фиг. 3), при этом их постоянные магниты 9 сопряжены магнитопроводом 11, образуя таким образом дифференциальную схему измерения. Магнитопровод 11 располагается на кронштейне 4. Упругодеформируемый экран 3 имеет сквозное отверстие 12, выполненное ровно напротив антенн 8 чувствительных элементов 5 для уменьшения его влияния на них.
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 (фиг. 4).
Устройство работает следующим образом.
Для получения эталонных значений измерений перед началом работы датчик силы искусственно нагружают, прикладывая к основаниям 2 упругого элемента 1 силу известной величины, и снимают характеристики выходного сигнала. Это позволяет получить статическую характеристику измерений (зависимость выходного сигнала от величины приложенной нагрузки).
Датчик размещают на контролируемом объекте так, чтобы измеряемое силовое воздействие (F) приходилось на основания 2 упругого элемента 1 (как показано на фиг. 1). На антенны 8 датчика периодически посылают запросный электромагнитный сигнал для возбуждения объемных магнитостатических волн в чувствительных элементах 5. Магнитостатическая волна распространяется в материале 7 чувствительного элемента 5 в обе стороны от антенны 8 к отражающим структурам 10, при этом за счет того, что магнитопровод 11 создает магнитное поле, перпендикулярное поверхности чувствительного элемента 5, распространяющиеся магнитостатические волны являются одинаковыми по величине. По достижении отражающих структур 10, магнитостатическая волна отражается и возвращается на антенну 8. При помощи антенны 8 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. Под воздействием сил каждый ответный сигнал будет иметь собственное значение групповой скорости, обусловленное близостью упругодеформируемого экрана 3: чем ближе экран 3 к материалу 7, в котором распространяются магнитостатические волны, тем выше групповая скорость магнитостатических волн. Изменение групповой скорости влияет на форму ответного сигнала. Полученные значения сравниваются, и результат сравнения сопоставляется с ранее полученными эталонными значениями, исходя из чего делается вывод о наличии силового воздействия.
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, образованной двумя высокочастотными чувствительными элементами, предлагаемый датчик представляет собой высокоточное измерительное устройство, способное регистрировать и измерять силу, включая даже самые малые ее значения.
Предлагаемый датчик на магнитостатических волнах может найти применение в различных областях науки и техники.