Магнитожидкостное устройство для измерения линейных ускорений и угла наклона
MAGNETIC FLUID DEVICE FOR MEASURING LINEAR ACCELERATIONS AND TILT ANGLE

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в ресурсодобывающей, тяжелой, строительной, энергетической и транспортной промышленности для измерения линейных ускорений земной поверхности, зданий, сооружений, оборудования и иных объектов.
Известно несколько вариантов магнитожидкостных датчиков ускорения (акселерометров), например, патент на изобретение GB 2241785 А G01P 15/13 1991, и патент на изобретение ЕР 0293784 B1 G01P 15/08 1994, содержащих герметичный контейнер, заполненный магнитной жидкостью, с левитирующим в ней магнитным чувствительным элементом. Такая конструкция обладает двумя существенными недостатками.
Во-первых, зависимость возвращающей силы от смещения чувствительного элемента нелинейна, что затрудняет анализ выходного сигнала датчика и не дает возможности разложить его на простые гармоники.
Во-вторых, вследствие принципиально неустранимого явления магнитофореза в магнитной жидкости, для вышеуказанной конструкции характерен сильный дрейф нуля.
В устройстве (GB 2241785 А) проблему дрейфа нуля предложено компенсировать периодическим перемешиванием магнитной жидкости при помощи ультразвука.
Недостатком такого подхода является невозможность работы датчика в момент пропускания ультразвуковых волн через жидкость. В процессе же работы устройства дрейф нуля возобновляется.
Известен магнитожидкостный акселерометр (патент на изобретение US 0059990 A1 G01P 15/00 2006), содержащий герметичный контейнер кубической формы, помещенный во внешнее неоднородное магнитное поле и заполненный магнитной жидкостью, немагнитный чувствительный элемент кубической формы, левитирующий в магнитной жидкости. Данная конструкция позволяет одновременное измерение как линейных ускорений по трем взаимоперпендикулярным осям, так и трех проекций углового ускорения на эти оси.
Недостатком конструкции является необратимое изменение свойств магнитной жидкости вследствие магнитофореза, и, как следствие, сильный дрейф нуля датчика.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемому устройству, выбранным за прототип, является магнитожидкостное устройство для определения угла наклона (Патент на полезную модель RU 167814 U1 МПК G01C 9/20 2016 г), содержащее выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки с измерительными обмотками, расположенными на концах корпуса, торцевые крышки с закрепленными на внутренней стороне центрирующими постоянными магнитами, установленные в корпусе посредством резьбового соединения с возможностью осевого перемещения, чувствительный элемент, состоящий из двух кольцевых постоянных магнитов, между которыми установлена магнитопроводная втулка, размещенный в корпусе таким образом, что одноименные полюса чувствительного элемента и центрирующих магнитов обращены друг к другу, чувствительный элемент, торцевые крышки и центрирующие магниты имеют соосные сквозные отверстия, магнитная жидкость расположена в корпусе в виде двух капель.
Устройство дополнено шунтирующими элементами, выполненными в форме цилиндра из магнитопроводного материала и установленные с возможностью осевого перемещения посредством резьбового соединения в соосных сквозных отверстиях торцевых крышек и центрирующих магнитов.
Недостатком данного устройства является ограничение функционала устройства возможностью надежно измерять только проекцию постоянного ускорения силы тяжести на ось датчика, вызванное нелинейной зависимостью возвращающей силы от смещения чувствительного элемента.
Целью предлагаемого изобретения является возможность измерения как постоянного, так и зависящего от времени ускорения за счет того, что возвращающая сила линейным образом зависит от величины смещения чувствительного элемента.
Для достижения этой цели предлагается магнитожидкостное устройство, содержащее выполненный из немагнитного материала корпус в виде трубки с центрирующими постоянными магнитами, чувствительный элемент, размещенный в корпусе, состоящий из постоянных магнитов, магнитная жидкость расположена в корпусе в виде двух капель, при этом устройство дополнительно содержит коррекционную катушку параболического магнитного поля с линейным вдоль оси трубки градиентом, расположенную между центрирующими магнитами, цилиндр из немагнитного материала, расположенный между постоянными магнитами чувствительного элемента, немагнитные штоки с закрепленными на них оптическими отражателями, установленные на торцах чувствительного элемента, оптический измеритель смещения чувствительного элемента, закрепленный снаружи корпуса, при этом центрирующие магниты расположены на корпусе соосно разноименными полюсами встречно, а постоянные магниты чувствительного элемента выполнены дисковыми.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что оно дополнительно содержит коррекционную катушку параболического магнитного поля с линейным вдоль оси трубки градиентом, расположенную между центрирующими магнитами, цилиндр из немагнитного материала, расположенный между постоянными магнитами чувствительного элемента, немагнитные штоки с закрепленными на них оптическими отражателями, установленные на торцах чувствительного элемента, оптический измеритель смещения чувствительного элемента, закрепленный снаружи корпуса, при этом центрирующие магниты расположены на корпусе соосно разноименными полюсами встречно, а постоянные магниты чувствительного элемента выполнены дисковыми.
Сущность предлагаемого решения поясняется фиг. 1, где приведена схема конструкции магнитожидкостного устройства, которое содержит выполненный из немагнитного материала корпус 1 в виде трубки. На корпусе соосно жестко закреплены кольцевые постоянные магниты 2 и подмагничивающая катушка 3. Параметры магнитов 2 и катушки 3, а также их взаимное расположение подбираются таким образом, чтобы градиент напряженности магнитного поля, создаваемого ими на оси системы, линейным образом зависел от осевой координаты. Для получения наилучшей линейности градиента поля может быть использовано несколько подмагничивающих катушек 3.
На оси симметрии устройства размещаются чувствительный элемент, состоящий из дисковых постоянных магнитов 4, соединенных между собой цилиндром 8, и установленные на торцах чувствительного элемента штоки 5 с закрепленными на них отражающими элементами 6.
Внутри корпуса 1 расположена магнитная жидкость 7 в виде двух капель (для исключения сухого трения чувствительного элемента о стенки датчика). Снаружи корпуса 1 закреплен оптический измеритель смещения 9.
Магнитожидкостное устройство работает следующим образом.
В состоянии покоя чувствительный элемент, состоящий из двух дисковых постоянных магнитов 4 и немагнитного цилиндра 8, и немагнитные штоки 5 с отражателями 6 находятся в центре трубки 1. Удержание чувствительного элемента в центре датчика осуществляется магнитным полем, создаваемым центрирующими кольцевыми магнитами 2. Корректирующая катушка 3, через которую течет стабилизированный постоянный ток, осуществляет корректировку магнитного поля, создаваемого кольцевыми магнитами 2, для придания ему параболического профиля с линейным вдоль оси датчика градиентом. Капли магнитной жидкости 7 удерживаются в зазоре между чувствительным элементом и корпусом 1 датчика магнитным полем дисковых магнитов 4. Выбор немагнитных материалов для изготовления штоков 5, отражателей 6 и цилиндра 8 предотвращает налипание на них магнитной жидкости 7 и исключает их взаимодействие с центрирующими магнитами 2 и корректирующей катушки 3. Магнитная жидкость 7 выполняет роль жидкой смазки и не дает соприкасаться чувствительному элементу со стенками корпуса 1, что исключает сухое трение в этой паре. Оптический измеритель смещения 9, например, лазерный триангуляционный микрометр, измеряет начальное положение чувствительного элемента, благодаря оптическим отражателям 6, закрепленным на чувствительном элементе при помощи немагнитных штоков 5. Данные с оптического измерителя передаются, например, на микроконтроллер или ЭВМ (на фиг. не показано), осуществляющую математическую обработку данных. Крепление отражающих элементов 6 на штоки 5 предотвращает загрязнение отражателей 6 магнитной жидкостью 7 и позволяет выполнить систему измерения смещения чувствительного элемента независимо от магнитной системы устройства.
При возникновении внешнего воздействия, в том числе изменении угла наклона датчика, чувствительный элемент смещается из положения равновесия под действием силы инерции, которая прямо пропорциональна величине внешнего воздействия. Величина смещения чувствительного элемента определяется балансом сил инерции и возвращающей силы, действующей со стороны магнитов 2 и катушки 3. Поскольку возвращающая сила прямо пропорциональна величине смещения чувствительного элемента, то связь измеряемого ускорения и смещения чувствительного элемента описывается известным линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка с постоянными коэффициентами. Следовательно, для устройства выполняется принцип суперпозиции, то есть отклик устройства на сумму нескольких одновременных воздействий равен сумме откликов на каждое из них в отдельности. Это позволяет измерять как постоянные, так и изменяющиеся во времени ускорения. Временная зависимость смещения чувствительного элемента от центра датчика измеряется оптическим измерителем смещения 9 и передается на микроконтроллер или ЭВМ (на фиг. не показано). Зная параметры устройства, путем двойного дифференцирования величины смещения чувствительного элемента от центра датчика, можно вычислить измеряемое ускорение.
На фиг. 2 представлены результаты экспериментального измерения градиента напряженности магнитного поля вдоль оси макета устройства в конфигурации с односекционной коррекционной катушкой. 10 - градиент поля при отключенной коррекционной катушке. 11 - градиент поля после включения коррекционной катушки. Сплошной линией показана линейная аппроксимация результатов измерений.
На фиг. 3 представлен результат экспериментального измерения возвращающей силы, действующей на чувствительный элемент, в зависимости от величины смещения. При измерениях использован макет устройства в конфигурации с односекционной коррекционной катушкой. 12 - возвращающая сила, действующая со стороны поля центрирующих магнитов. 13 - возвращающая сила, действующая со стороны центрирующих магнитов и коррекционной катушки. Сплошной линией показан результат линейной аппроксимации.