BG112607A - Безконтактно устройство за преместване - Google Patents

Abstract

Безконтактното устройство за преместване съдържа два еднакви постоянни магнити (1) и (2), съединени с едноименните си полюси. В непосредствена близост до тях е разположена трансмисия (3) с форма на тръба от тънкостенен немагнитен материал, която е компактно запълнена със сачми (4) от магнитномек материал със същия диаметър както на тръбата (3). От другата страна на тръбната трансмисия (3) срещу съединителната равнина на магнитите (1) и (2) е разположен полупроводников магниточувствителен сензор (5). Входът (6) на сензора (5) е свързан с токоизточник (7), а изходът (8) на сензора (5) е изход на устройството. При преместване на тръбата (3) със сачмите (4) по отношение на неподвижния сензор (5), измереното линейно преместване се установява от броя на максимумите и минимумите в периодичната поредица на изходния сигнал (8), като обхватът на измерването се определя от дължината на тръбата (3).

Description

БЕЗКОНТАКТНО УСТРОЙСТВО ЗА ПРЕМЕСТВАНЕ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до безконтактно устройство за преместване, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролноизмервателната технология; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; позиционирането на обекти в равнината и пространството; безконтактната автоматика; горското стопанство и земеделието; енергетиката; военното дело и сигурността включително контратероризма, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известно е безконтактно устройство за преместване, съдържащо неподвижно закрепен върху постоянен магнит полупроводников магниточувствителен сензор, входът на който е свързан с токоизточник. Има още линейна зъбчата трансмисия от магнитномек материал, зъбците на която са еднакви, разположени са периодично на равни разстояния един от друг и са обърнати към магнита. Изходът на сензора е изход на устройството. При движение на трансмисията по отношение на неподвижния магнит и постоянно разстояние между тях измереното линейно преместване се установява от броя на максимумите и минимумите в периодичната поредица на изходния сигнал обхватът на което се определя от дължината на зъбчатата трансмисия, [1-5].

Недостатък на това безконтактно устройство за преместване е ниската метрологична точност в резултат на грешки в идентификацията на максимумите и минимумите на изхода, поради слабото изменение на магнитния поток през сензора при движение на трансмисията.

Недостатък е също необходимостта от честа настройка на устройството, изразяваща се в поддържане на фиксираното разстояние между зъбците на трансмисията и магнита, което в процеса на експлоатация се променя неконтролирано, внасяйки допълнителна грешка в измерването.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде безконтактно устройство за преместване с висока метрологична точност като отпадне необходимостта от честите настройки на устройството.

Тази задача се решава с безконтактно устройство за преместване, съдържащо два еднакви постоянни магнити, съединени с едноименните си полюси. В непосредствена близост до тях е разположена трансмисия с форма на тръба от тънкостенен немагнитен материал, която е компактно запълнена със сачми от магнитномек материал със същия диаметър както на тръбата. От другата страна на тръбата срещу съединителната равнина на магнитите и плътно до тръбата е разположен полупроводников магниточувствителен сензор. Входът на сензора е свързан с токоизточник, а изходът на сензора е изход на устройството. При движение на тръбата със сачмите по отношение на неподвижните магнити и сензора, измереното линейно преместване се установява от броя на максимумите и минимумите в периодичната поредица на изходния сигнал като обхватът на измерването се определя от дължината на тръбата.

Предимство на изобретението е високата метрологична точност поради ясно детектируемите максимуми и минимуми от линейното преместване на тръбата със сачмите по отношение на сензора поради отсъствие на въздушна междина между тях и силно градиентният поток, генериран от двата непосредствено съединени магнити.

Предимство е също отпадането на настройки на устройството, свързани с разположение на тръбата със сачмите спрямо магнитите и сензора, тъй като в конструкцията отсъства фиксирана въздушна междина, редуцираща магнитния поток през сензора.

Предимство е още повишената шумозащитеност на информационни сигнал от максимуми и минимуми на изхода от външни смущаващи фактори, поради удвоената индукция по равнината на съединените с едноименните си полюси магнити, обезпечаваща висок градиент на потока през сензора

Предимство е и лесната адаптируемост на устройството за различни приложения, налагаща единствено замяна дължината и диаметъра на тръбата със сачмите.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Безконтактното устройство за преместване съдържа два еднакви постоянни магнити 1 и 2, съединени с едноименните си полюси. В непосредствена близост до тях е разположена трансмисия 3 с форма на тръба от тънкостенен немагнитен материал, която е компактно запълнена със сачми 4 от магнитномек материал със същия диаметър както на тръбата 3. От другата страна на тръбата 3 срещу съединителната равнина на магнитите 1 и 2, и плътно до нея е разположен полупроводников магниточувствителен сензор 5. Входът 6 на сензора 5 е свързан с токоизточник 7, а изходът 8 на сензора 5 е изход на устройството. При движение на тръбата 3 със сачмите 4 по отношение на неподвижните магнити 1 и 2 и сензора 5, измереното линейно преместване се установява от броя на максимумите и минимумите в периодичната поредица на изходния сигнал 8 като обхватът на измерването се определя от дължината на тръбата 3.

Действието на безконтактно устройство за преместване, съгласно изобретението, е следното. Технологията за безконтактно измерване използва магнит или система от магнити и магниточувствителен сензор 5 (най-често това са полупроводникови структури от силиций, галиев арсенид, индиев антимонид, индиев фосфид и др.). Чрез относителното предвижване на магнита спрямо сензора или обратно, на изхода на сензора се генерира напрежение, което най-общо е пропорционално на преместването. Фактически отсъства механична връзка между регистратора на сигнала (магниточувствителния елемент) и пораждащата го причина или модулатора (магнита). По тази причина този клас измервания се наричат безконтактни. Ключово изискване е, че в резултат на преместването трябва да се изменя градиента на магнитния поток, т.е. магнитните силови линии, през работната (активната) повърхност на сензора. Описаният принцип по иновативен начин е приложен в настоящото устройство като са отстранени съществени недостатъци на известнвото решение. В нашия случай се използва оригинална система от два еднакви постоянни магнити 1 и 2, непосредствено съединени с едноименните си (отблъскващите се) полюси, например N1-N2 или S1-S2. Топологията и ходът на силовите линии Φι и Ф₂ в този случай е следната. В обемите на двата еднакви по форма, размери, материал и индукция магнити 1 и 2 линиите са успоредни по оста х, Фиг. 1. В областта на съединителната повърхност, в резултат на ефекта на отблъскване, те променят посоката си на 90°. Така в една практически обща и относително тънка зона двата потока Φι и Фг от магнити 1 и 2 стават успоредни на оста у, Фиг. 1. Ето защо по съединителната равнина те се сумират, Ф ~ Φι + Фг и резултиращият поток Ф е удвоен. При напускане на областта на съприкосновение, силовите линии Ф формират висок градиент на магнитната индукция grad(B). Веднага след това двата потока Φι и Фг рязко сменят посоките си на противоположни, ставайки в първо приближение успоредни на оста х и се насочват към съответните разноименни полюси Ni - Si и N2 - S2, влизайки отново в обемите на магнити 1 и 2. Следователно новата модулаторна система, съдържаща постоянни магнити 1 и 2 осъществява висок градиент на индукцията в частта, където е разположена тръбата 3 с наредените в нея компактно една до друга сачми 4. При попадане на удвоения поток Ф в сачмата 4 от магнитномек материал, тя изпълнява ролята на концентратор на силовите линии. По този начин потокът Ф от зоната на съединителната равнина се „прехвърля” през съответна сачма 4 с минимално разсейване, попадайки върху активната повърхност на сензора 5. Ето защо магниточувствителният елемент 5 е разположен от другата страна на тръбата 3 точно срещу съединителната повърхност на магнити 1 и 2. Ако обаче срещу съединителната равнина няма сачма, а е празното пространство между сферичните повърхности на две съседни сачми 4, разсейването на потока Ф е съществено, т.е. магнитното съпротивление за потока става голямо. По тази причина върху сензора 5 попада малка част от силовите линии Ф. Когато входът 6 на сензора 5 е свързан с токоизточника 7, при движението на тръбата 3 със сачмите 4 на изхода 8 се генерира периодична поредица от максимуми и минимуми. Техният брой е мярката за преместването, чийто обхват се определя от дължината на тръбата 3. Изискванията тя да е немагнитна и тънкостенна се налага от необходимостта топологията на сферичните сачми 4 да профилират градиента на магнитния поток така, че да се генерират отчетливо и ясно максимумите и минимумите на изхода 8 на устройството.

Неочакваният положителен ефект, довел до предимствата на новото техническо решение е, че за първи път в измерването на премествания се предлага конфигурация на модулаторна система, изградена от съединени с едноименните си (отблъскващите се) полюси магнити 1 и 2, немагнитна тънкостенна тръба 3, компактно запълнена със сферични сачми 4 от магнитномек материал и подходящо центриран спрямо магнитите 1 е 2 полупроводников магниточувствителен сензор 5.

Високата метрологична точност на устройството е свързана с ясно детектируемите максимуми и минимуми при линейното преместване на тръбата 3 със сачмите 4 спрямо сензора 5 и магнитите 1 и 2. Сферичната форма на компактно разположените в тръбата 3 сачми 4 от магнитномек материал е едновременно както концентратор на удвоените магнитни силови линии, така и целенасочено създава съпротивление за потока Ф по пътя му до сензора 5. Именно тези две състояния генерират ясно дефинираните максимуми и минимуми на изхода 8 на устройството. Както става ясно от конструкцията на системата 3 не се налагат настройки, свързани с разположение на тръбата 3 спрямо магнитите 1 и 2 и сензора 5, тъй като отсъства фиксирана геометрична междина, влияеща на градиента на магнитния поток през сензора 5. Повишената шумозащитеност на информационния сигнал 8 от външни смущения се определя от удвоената индукция по съединителната равнина на магнити 1 и 2 - ключов фактор за генерирането на ясно разграничаващи се максимуми и минимуми на изхода 8.

Като полупроводникови магниточувствителни сензори 5 могат да се използват преди всичко елементи на Хол с ортогонално или равнинно активизиране, включително и такива, преобразувателната ефективност на които е подпомогната от магнитноуправляемия повърхностен ток [6,7]; биполярни или MOS магнитотранзистори; магнитодиоди; интегрални магниточувствителни схеми от тригерен тип и др. Като немагнитен материал за тръбната трансмисия 3 може да се използва неръждавееща стомана, алуминиеви и медни сплави както и различни пластмасови компаунди. В зависимост от приложенията дължината и диаметърът на тръбата 3 могат да варират в зависимост от размерите на измерваните разстояния, предмети или обекти. В дърводобива, земеделието, металургията и др. са целесъобразни дълги тръби 3 с голям диаметър, а в роботиката и мехатроника - тръбни трансмисии 3 с малък диаметър. Магнитната система (модулатора) 1 и 2 може да се изгради от магнитнотвърди структури и сплави, например бариев ферит, Алнико, сплави, съдържащи редки земи и др. Не представлява проблем, освен за линейни премествания, новото устройство да се модифицира и за ъглови. Тогава формата на тръбата 3 следва да се замени с кръг с подходящ диаметър, компактно запълнен със сачми 4. Най-подходящият материал за сачмите 4 е стоманата, която отговаря на изискванията на новото решение.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

1] R. Wolfe, L. Hedeen, Temperature stable proximity sensor with sensing of lux from the lateral surface of a magnet, US Patent № 4 970 463 Nov. 14,1990.

[2] R. Vig, T. Tu, Hall effect ferromagnetic article proximity sensor, US Patent № 5 781 005, Jul. 14,1998.

[3] R. Vig et al., Hall voltage slope-actuated sensor, US Patent № 5 442 283, Aug. 15,1995.

4] E. Ramsden, Hall effect sensors - Theory and application, 2^nd ed., Elsevier, Netherland, 2006.

[5] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in J.G. Korvink and O. Paul, eds, MEMS - a practical guide to design, analysis and application, W. Andrew Publ., USA & Spriger, pp. 453-521, 2006.

[6] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, (2012) Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sens. Actuators, A175, 47-52.

[7] . S. Lozanova, V. Skidanov, A. Stempkovsky, C. Roumenin, On the magnetically controlled surface current at the Hall structure edges, Compt. rendus ABS, 66(4) (2013) 573-580.

Claims (1)

1. Безконтактно устройство за преместване, съдържащо постоянен магнит, трансмисия, съдържаща магнитномек материал, полупроводников магниточувствителен сензор, чийто вход е свързан с токоизточник, а изход на устройството е изходът на сензора, при движение на трансмисията по отношение на неподвижния магнит и сензора, измереното линейно преместване се установява от броя на максимумите и минимумите в периодичната поредица на изходния сигнал, а обхватът на измерването се определя от дължината на трансмисията, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ се с това, че има още един (2), еднакъв с първия (1) магнит, двата магнита (1) и (2) са съединени с едноименните си полюси, в непосредствена близост до тях е разположена трансмисията (3) с форма на тръба от тънкостенен немагнитен материал, която е компактно запълнена със сачми (4) от магнитномек материал със същия диаметър както на тръбата (3), от другата страна на тръбата (3) срещу съединителната равнина на магнитите (1) и (2), и плътно до нея е разположен полупроводниковият магниточувствителен сензор (5).