RU2016374C1

RU2016374C1 - Vibrocontact transducer for linear measurements

Info

Publication number: RU2016374C1
Authority: RU
Inventors: Б.А. Глаговский; С.К. Лисин; В.В. Гурецкий; М.С. Чепрасова
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт абразивов и шлифования
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1990-06-07
Publication date: 1994-07-15

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: vibrocontact transducer for linear measurements has an electromagnetic exciter of armature vibrations with measuring tip and generator-type convertor of vibrations an amplitude of which is determined by dimensions of an object being tested. The transducer armature resiliently suspended on two disk springs is made in the form of a non-magnetic rod with two prismatic ferromagnetic straps located along the axis of the housing. A strap length exceeds a total length of the generator-type vibration converter coil and a thickness of the rods which form an open magnetic circuit of this converter and are adjacent to the end-face of an two-pole field magnet. In the end-faces of magnetic circuit rods rectangular or trapezoidal cut-outs can be formed. EFFECT: enhanced accuracy and reliability and widened measurement range. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в средствах автоматического и активного контроля. The invention relates to instrumentation and can be used in automatic and active control.

Известно виброконтактное измерительное устройство, содержащее корпус, вибратор в виде двух рамок с измерительным наконечником, электромагнит возбуждения колебаний и узел измерения амплитуды колебаний вибратора [1]. Known vibrocontact measuring device comprising a housing, a vibrator in the form of two frames with a measuring tip, an oscillation excitation electromagnet and a node for measuring the vibration amplitude of a vibrator [1].

Известное устройство не обеспечивает необходимую точность измерения вследствие значительной инерционности рамочного вибратора и наложения колебаний, обусловленных наличием упругой связи между наконечником и магнитом. The known device does not provide the necessary measurement accuracy due to the significant inertia of the frame vibrator and the imposition of vibrations due to the presence of an elastic connection between the tip and the magnet.

Наиболее близок к изобретению по технической сущности виброконтактный генераторный преобразователь для профилографирования поверхности, содержащий корпус с размещенными в нем разомкнутой намагничивающей системой генератора с обмоткой и магнитопроводом вибратора с обмоткой, якорь с измерительной иглой и пружиной, связанную с корпусом и якорем. Торцы намагничивающей системы генератора и магнитопровода вибратора выполнены выступающими из корпуса и размещены в одной плоскости, якорь установлен с зазором под этими торцами и закреплен с помощью плоской пружины консольно с корпусом [2]. The closest to the invention in technical essence is a vibrocontact generator for surface profiling, comprising a housing with an open magnetizing generator system with a winding and a vibrator magnet coil with a winding, an armature with a measuring needle and a spring connected to the housing and the armature. The ends of the magnetizing system of the generator and the vibrator’s magnetic circuit are made protruding from the housing and are placed in the same plane, the anchor is installed with a gap under these ends and fixed using a flat spring cantilever with the housing [2].

Этот преобразователь имеет невысокую точность измерения, так как вибрирующий якорь реализует две координаты движения (линейную и угловую), обусловливая тем самым нелинейность траектории движения измерительной иглы, и является инерционным звеном в силу протяженности подпружиненной с одной стороны консоли якоря. This transducer has low measurement accuracy, since the vibrating armature implements two coordinates of movement (linear and angular), thereby causing the non-linearity of the measuring needle’s trajectory, and is an inertial link due to the length of the armature spring-loaded on one side of the console.

Цель изобретения - повышение точности, надежности и расширение диапазона измерения. The purpose of the invention is improving accuracy, reliability and expanding the measurement range.

Цель достигается тем, что в виброконтактном преобразователе для линейных измерений, содержащем корпус с закрепленными в нем на упругом подвесе якорем с измерительным наконечником, электромагнитным возбудителем вибраций якоря и генераторным преобразователем вибраций якоря, выполненным в виде измерительной катушки, двухполюсного магнита и разомкнутого магнитопровода, стержни которого примыкают к торцам магнита и имеют на свободных концах вырезы, охватывающие якорь, якорь выполнен в виде установленного по оси корпуса немагнитного стержня с двумя призматическими ферромагнитными накладками, которые закреплены на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря и смещены в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки, длина накладок превышает суммарную длину катушки и толщину стержней магнитопровода, измерительная катушка расположена коаксиально с якорем, а упругий подвес якоря выполнен в виде пары дисковых пружин, при этом ферромагнитные накладки и вырезы на свободных концах стержней магнитопровода выполнены с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения. The goal is achieved in that in a vibrocontact converter for linear measurements, comprising a housing with an anchor with a measuring tip fixed to it on an elastic suspension, an electromagnetic arm vibration exciter and an arm vibration generator transducer made in the form of a measuring coil, a two-pole magnet and an open magnetic circuit whose rods adjoin the ends of the magnet and have cutouts at the free ends covering the anchor, the anchor is made in the form of a non-magnetic ste reamer with two prismatic ferromagnetic plates, which are mounted on diametrically opposite sides of the surface of the armature and axially displaced one relative to the other from the ends of the coil, the length of the plates exceeds the total length of the coil and the thickness of the rods of the magnetic circuit, the measuring coil is coaxial with the armature, and elastic the anchor suspension is made in the form of a pair of disk springs, while the ferromagnetic linings and cutouts at the free ends of the magnetic core rods are made with yamougolnoy or trapezoidal cross-section.

Выполнение якоря в виде установленного на оси корпуса немагнитного стержня с двумя призматическими ферромагнитными накладками, закрепленными на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря, смещенными в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки и имеющими длину, превышающую суммарную длину катушки и толщину стержней магнитопровода, с измерительной катушкой, расположенной коаксиально с якорем, и с упругим подвесом якоря, выполненным в виде пары дисковых пружин, позволяет создать переменный магнитный поток в стержнях магнитопровода, примыкающих к торцам магнита и имеющих на свободных концах вырезы, охватывающие якорь, и переменную ЭДС в измерительной катушке, обеспечить колебательное поступательное перемещение якоря, траектория движения которого с измерительным наконечником является отрезком прямой. Это позволяет повысить точность, надежность и расширить диапазон измерения преобразователя. The implementation of the anchor in the form of a non-magnetic rod mounted on the axis of the body with two prismatic ferromagnetic plates fixed on diametrically opposite sides of the armature surface, displaced axially one from another in opposite directions from the ends of the coil and having a length exceeding the total length of the coil and the thickness of the core rods, with a measuring coil located coaxially with the anchor, and with an elastic suspension of the armature, made in the form of a pair of disk springs, allows you to create be an alternating magnetic flux in the magnetic rods adjacent to the ends of the magnet and having a notch at the free ends covering an anchor, and a variable voltage in the measuring coil, to provide an oscillatory reciprocating movement of the armature, which movement path of the measuring tip is a straight line segment. This improves accuracy, reliability and widens the measuring range of the transmitter.

Выполнение ферромагнитных накладок и вырезов на свободных концах стержней магнитопровода с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения позволяет повысить плотность магнитного потока на этих гранях и соответственно выходную ЭДС в измерительной катушке, что обеспечивает повышение чувствительности преобразователя, а следовательно, и повышение его точности. The implementation of ferromagnetic pads and cutouts on the free ends of the cores of a magnetic circuit with a rectangular or trapezoidal cross-sectional shape allows to increase the magnetic flux density on these faces and, accordingly, the output EMF in the measuring coil, which ensures an increase in the sensitivity of the transducer and, consequently, an increase in its accuracy.

В известных решениях якорь вибратора и якорь генератора выполнены в виде двух рамок, порознь настраиваемых на резонансные колебания в противофазе и образующих вследствие упругой связи измерительного наконечника и постоянного магнита систему с двумя степенями свободы, т.е. не имеют признаков, сходных с отличительными признаками заявленного решения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия". In known solutions, the vibrator armature and the generator armature are made in the form of two frames that are separately tuned to resonant oscillations in antiphase and form a system with two degrees of freedom due to the elastic coupling of the measuring tip and the permanent magnet, i.e. they do not have features similar to the distinguishing features of the claimed decision, which allows us to conclude that it meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 представлен виброконтактный преобразователь для линейных измерений, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (дисковая пружина упругого подвеса); на фиг. 3 и 4 - сечение Б-Б на фиг. 1 (два варианта ферромагнитных накладок и свободных концов стержней магнитопровода); на фиг. 5 - схема подключения электромагнитного возбудителя вибраций якоря и измерительной катушки преобразователя. In FIG. 1 shows a vibrocontact transducer for linear measurements, a longitudinal section; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1 (disk spring of elastic suspension); in FIG. 3 and 4 - section BB in FIG. 1 (two versions of ferromagnetic plates and free ends of the cores of the magnetic circuit); in FIG. 5 is a diagram of a connection of an electromagnetic exciter of vibrations of an armature and a measuring coil of a converter.

Виброконтактный преобразователь содержит корпус 1, в котором закреплены на упругом подвесе 2 якорь 3 с измерительным наконечником 4, электромагнитный возбудитель 5 вибраций якоря 3 и генераторный преобразователь вибраций якоря 3, выполненный в виде измерительной катушки 6, двухполюсного магнита 7 и разомкнутого магнитопровода, стержни 8 которого примыкают к торцам магнита 7 и имеют на свободных концах вырезы 9 (фиг. 4), охватывающие якорь 3. Якорь 3 выполнен в виде установленного по оси корпуса 1 немагнитного стержня 10 с двумя призматическими ферромагнитными накладками 11, которые закреплены на диаметрально противоположных сторонах поверхности якоря 3 и смещены в осевом направлении одна относительно другой в противоположные стороны от торцов катушки 6. Длина накладок 11 превышает суммарную длину катушки 6 и толщину стержней 8 магнитопровода. Измерительная катушка 6 расположена коаксиально с якорем 3, а упругий подвес 2 якоря 3 выполнен в виде пары дисковых пружин. Ферромагнитные накладки 11 и вырезы 9 на свободных концах стержней 8 магнитопровода выполнены с прямоугольной или трапециевидной формой поперечного сечения. The vibrocontact transducer comprises a housing 1, in which an anchor 3 with a measuring tip 4 is mounted on an elastic suspension 2, an electromagnetic exciter 5 of vibration of the armature 3 and a generator of vibration of the armature 3, made in the form of a measuring coil 6, a bipolar magnet 7 and an open magnetic circuit, rods 8 of which adjacent to the ends of the magnet 7 and have cut-outs 9 at the free ends (Fig. 4), covering the anchor 3. The anchor 3 is made in the form of a non-magnetic rod 10 mounted along the axis of the housing 1 with two prismatic magnetic pads 11, which are mounted on diametrically opposite sides of the surface of the armature 3 and are displaced axially relative to each other from the ends of the coil 6. The length of the pads 11 exceeds the total length of the coil 6 and the thickness of the rods 8 of the magnetic circuit. The measuring coil 6 is located coaxially with the armature 3, and the elastic suspension 2 of the armature 3 is made in the form of a pair of disc springs. Ferromagnetic linings 11 and cutouts 9 at the free ends of the rods 8 of the magnetic circuit are made with a rectangular or trapezoidal cross-sectional shape.

Схема подключения (фиг. 5) электромагнитного возбудителя вибраций якоря и измерительной катушки содержит обмотку возбудителя 5, обмотку катушки 6, электронный блок 12, указательное устройство 13. The connection diagram (Fig. 5) of the electromagnetic exciter of vibrations of the armature and the measuring coil contains a coil of the exciter 5, a coil of the coil 6, an electronic unit 12, a pointing device 13.

Виброконтаный преобразователь работает следующим образом. Vibration transducer operates as follows.

Обмотку возбудителя 5 (фиг. 5) подключают к источнику питания переменного тока (или к низкочастотному генератору сигналов). При этом на якорь 3 действует периодическая электромагнитная сила, вынуждая его, а вместе с ним немагнитный стержень 10 с двумя призматическими ферромагнитными накладками 11, измерительный наконечник 4 колебаться на упругом подвесе 2 с частотой, равной удвоенной частоте питания обмотки возбудителя 5. Подвижную систему якорь 3, немагнитный стержень 10, ферромагнитные накладки 11, измерительный наконечник 4, упругий подвес 2 настраивают на резонансный режим. Колебания ферромагнитных накладок 11 относительно стержней 8 магнитопровода вызывает в измерительной катушке 6 появление ЭДС, вызванное изменением магнитного потока. Выполнение ферромагнитных накладок 11 и вырезов 9 на свободных концах стержней 8 магнитопровода с трапециевидной (фиг. 4) формой поперечного сечения приводит к увеличению магнитного потока и переменной ЭДС в измерительной катушке 6 пропорционально площади охвата ферромагнитных накладок 11 вырезами 9 свободных концов стержней 8 магнитопровода. При этом узкие грани ферромагнитых накладок 11 способствуют концентрации магнитного потока и приближению его к измерительной катушке 6, обеспечивая появление дополнительной ЭДС в катушке 6, а следовательно, и увеличение чувствительности и точности преобразователя. Чувствительность виброконтактных преобразователей определяется отношением выходного напряжения к перемещению измерительного наконечника. The exciter winding 5 (Fig. 5) is connected to an AC power source (or to a low-frequency signal generator). At the same time, a periodic electromagnetic force acts on the armature 3, forcing it, and with it a non-magnetic rod 10 with two prismatic ferromagnetic plates 11, the measuring tip 4 to oscillate on the elastic suspension 2 with a frequency equal to twice the frequency of the exciter winding 5. Mobile system anchor 3 , a non-magnetic rod 10, ferromagnetic pads 11, a measuring tip 4, an elastic suspension 2 are tuned to the resonant mode. Oscillations of the ferromagnetic pads 11 relative to the rods 8 of the magnetic circuit causes the appearance of an EMF in the measuring coil 6 caused by a change in the magnetic flux. The implementation of the ferromagnetic pads 11 and cutouts 9 on the free ends of the rods 8 of the magnetic circuit with a trapezoidal (Fig. 4) cross-sectional shape increases the magnetic flux and variable EMF in the measuring coil 6 in proportion to the coverage area of the ferromagnetic pads 11 cutouts 9 of the free ends of the rods 8 of the magnetic circuit. In this case, the narrow edges of the ferromagnetic pads 11 contribute to the concentration of the magnetic flux and its approximation to the measuring coil 6, providing the appearance of additional EMF in the coil 6, and consequently, increasing the sensitivity and accuracy of the transducer. The sensitivity of the vibro-contact transducers is determined by the ratio of the output voltage to the movement of the measuring tip.

При проведении линейных измерений наконечник 4 контактирует с измеряемой деталью. Изменение размера измеряемой детали вызывает изменение амплитуды колебаний якоря 3, при этом генерируемая в измерительной катушке 6 ЭДС изменяется пропорционально величине изменения амплитуды. Изменение генерируемой ЭДС оценивается указательным устройством 13, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины. Изменение генерируемой ЭДС может быть также преобразовано в электромагнитном блоке 12 в цифровую форму. When conducting linear measurements, the tip 4 is in contact with the measured part. A change in the size of the measured part causes a change in the amplitude of oscillation of the armature 3, while the emf generated in the measuring coil 6 changes in proportion to the magnitude of the change in amplitude. The change in the generated EMF is evaluated by the pointing device 13, the scale of which is graduated in units of the measured value. The change in the generated EMF can also be converted in the electromagnetic unit 12 into digital form.

Динамической моделью подвижной системы предлагаемого преобразователя является одномерный гармонический осциллятор. Траектория движения измерительного наконечника выражается зависимостью
x = a ˙ sin( ωt + α ) , (1) где a, ω и α - максимальная амплитуда, частота и начальная фаза колебаний соответственно.The dynamic model of the moving system of the proposed transducer is a one-dimensional harmonic oscillator. The trajectory of the measuring tip is expressed by the dependence
x = a ˙ sin (ωt + α), (1) where a, ω and α are the maximum amplitude, frequency, and initial phase of oscillations, respectively.

В подвижной системе прототипа координаты измерительного наконечника в проекциях на оси х и y изменяются по закону
x = a₁ ˙ sin( ωt + α );
y = a₂ ˙ cos( ωt + α ), (2) где a₁, a₂ - амплитуды колебаний вдоль осей x и y.In the prototype mobile system, the coordinates of the measuring tip in the projections on the x and y axis change according to the law
x = a ₁ ˙ sin (ωt + α);
y = a ₂ ˙ cos (ωt + α), (2) where a ₁ , a ₂ are the oscillation amplitudes along the x and y axes.

Исключая время t из уравнений (2), получают

+

=1.Excluding time t from equations (2), get

+

= 1.

Таким образом, уравнение траектории движения измерительного наконечника прототипа является уравнением эллипса. Это значит, что ординаты при прямом и обратном ходе измерительного наконечника различны. Именно это обстоятельство и приводит к образованию дополнительной погрешности при измерении устройством-прототипом. От этих недостатков свободна конструкция предлагаемого преобразователя, подвижная система которого обеспечивает прямолинейное поступательное перемещение измерительного наконечника в направлении его оси, что приводит к уменьшению погрешности измерения, повышению чувствительности, обеспечивая цену деления преобразователя 1 мкм, и расширению диапазона измерения преобразователя не менее чем в два раза благодаря наличию одной степени свободы. Кроме того, надежность прибора повышена в 5 раз. Thus, the equation of the trajectory of the measuring tip of the prototype is the equation of the ellipse. This means that the ordinates for the forward and reverse stroke of the measuring tip are different. It is this circumstance that leads to the formation of an additional error when measuring by the prototype device. The design of the proposed transducer is free from these shortcomings, the mobile system of which provides a linear translational movement of the measuring tip in the direction of its axis, which leads to a decrease in measurement error, an increase in sensitivity, providing a transducer dividing price of 1 μm, and the transmitter measuring range is expanded by at least two times due to the presence of one degree of freedom. In addition, the reliability of the device is increased 5 times.

В предлагаемом решении якорь установлен на упругом подвесе с помощью двух дисковых пружин мембранного типа по оси корпуса. Это способствует снижению измерительного усилия (вследствие строгой определенности положения якоря и отсутствия необходимости применять жесткий упругий элемент для крепления через консоль к корпусу). In the proposed solution, the anchor is mounted on an elastic suspension using two membrane springs of membrane type along the axis of the housing. This helps to reduce the measuring force (due to the strict definiteness of the position of the armature and the absence of the need to use a rigid elastic element for mounting through the console to the body).

Claims

1. VIBRATION CONTROLLER FOR LINEAR MEASUREMENTS, comprising a housing, an anchor with a measuring tip fixed to it on an elastic suspension, an electromagnetic arm vibration generator and an arm vibration generator in the form of a measuring coil, a two-pole magnet and an open magnetic core to it, and have at their free ends cutouts covering the anchor, characterized in that, in order to improve accuracy, reliability and expand the measuring range, the anchor made in the form of a non-magnetic rod mounted along the body axis with two prismatic ferromagnetic plates, which are mounted on diametrically opposite sides of the armature surface and are displaced axially one from another in opposite directions from the ends of the coil, the length of the plates exceeds the total length of the coil and the thickness of the magnetic core rods, measuring the coil is located coaxially with the anchor, and the elastic suspension of the armature is made in the form of a pair of disc springs.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic pads and cutouts at the free ends of the cores of the magnetic circuit are made with a rectangular or trapezoidal cross-sectional shape.