RU2178139C2

RU2178139C2 - Linear displacement meter

Info

Publication number: RU2178139C2
Application number: RU2000106659A
Authority: RU
Inventors: М.А. Ураксеев; Д.Ю. Пашали
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed meter is intended to measure linear displacement with the aid of Hall transmitters. Salient feature of invention lies in placement of Hall element between two elements mounted for joint movement with it, made of magnetically soft material and having form of truncated pyramids facing Hall element with small bases. In this case area of small bases equal area of Hall element and area of great base of pyramids has values determined by bulge of magnetic lines of force in clearance between magnets. In addition greater bases of pyramids are placed at angle of α/2 with bisector of angle between side faces of magnets so that bases remain parallel to side faces of prisms while Hall element moves in clearance between magnets and angle α is equal to angle between these faces. EFFECT: enhanced sensitivity and raised accuracy of meter. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в диапазоне до нескольких десятков миллиметров. The invention relates to measuring technique and can be used to measure linear displacements in the range of up to several tens of millimeters.

Известен измеритель линейных перемещений [Кобус А. , Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. М. , Энергия. 1971] , содержащий пару неподвижных двухполюсных постоянных магнитов, установленный с возможностью перемещения в зазоре между ними элемент Холла, имеющий две пары электродов, и подключенные к соответствующим парам источник питания и усилитель с регистратором. Недостатком известного устройства является незначительный диапазон измерения, поскольку датчик Холла перемещается только между полюсными наконечниками подковообразного магнита. A well-known linear displacement meter [Kobus A., Tushinsky Ya. Hall sensors and magnetoresistors. M., Energy. 1971], containing a pair of fixed bipolar permanent magnets, mounted with the possibility of moving in the gap between them a Hall element having two pairs of electrodes, and a power source and an amplifier with a recorder connected to the corresponding pairs. A disadvantage of the known device is the small measuring range, since the Hall sensor moves only between the pole tips of a horseshoe magnet.

Известен также измеритель линейных перемещений [а. с. N 1656313, МКИ G 01 В 7/00, бюл. N 22, 1991] , в котором магниты выполнены в виде прямоугольных призм, обращенных одна к другой боковыми гранями, имеющими противоположную полярность и острый угол между ними, а элемент Холла установлен в плоскости, проходящей через биссектрису этого острого угла, который составляет 15-30^o. Это позволяет увеличить диапазон измерений за счет создания протяженной магнитной системы. Пропуская через элемент Холла ток постоянной величины и поддерживая угол между вектором тока и вектором магнитной индукции неизменным, получаем пропорциональное изменение ЭДС Холла от величины индукции, которая линейно изменяется в зазоре между магнитами. Экспериментально установлено, что для того, чтобы выходная характеристика измерителя была линейной, угол между магнитами должен составить 15-30^o. Однако достижение заданной линейности характеристики измерителя затруднено из-за рассеяния магнитного поля в зазоре между магнитами, увеличивающегося с увеличением протяженности магнитной системы.Also known is a linear displacement meter [a. from. N 1656313, MKI G 01 B 7/00, bull. N 22, 1991], in which the magnets are made in the form of rectangular prisms facing one another with lateral faces having opposite polarity and an acute angle between them, and the Hall element is installed in a plane passing through the bisector of this acute angle, which is 15-30 ^o . This allows you to increase the measurement range by creating an extended magnetic system. Passing a constant value current through the Hall element and keeping the angle between the current vector and the magnetic induction vector unchanged, we obtain a proportional change in the Hall EMF from the induction value, which varies linearly in the gap between the magnets. It was experimentally established that in order for the output characteristic of the meter to be linear, the angle between the magnets should be 15-30 ^o . However, achieving the specified linearity of the characteristics of the meter is difficult due to the scattering of the magnetic field in the gap between the magnets, increasing with increasing length of the magnetic system.

Общим недостатком известных измерителей линейных перемещений является низкая чувствительность и точность из-за рассеяния магнитного поля в воздушном зазоре между магнитами или между полюсными наконечниками подковообразного магнита. A common disadvantage of the known linear displacement meters is the low sensitivity and accuracy due to the scattering of the magnetic field in the air gap between the magnets or between the pole tips of the horseshoe magnet.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности и точности измерения. The problem to which the invention is directed, is to increase the sensitivity and accuracy of measurement.

Задача решается посредством того, что измеритель линейных перемещений, содержащий пару неподвижных постоянных магнитов, выполненных в виде прямоугольных призм, обращенных одна к другой боковыми гранями, имеющими противоположенную полярность и острый угол между ними, и установленный в плоскости, проходящей через биссектрису этого угла, с возможностью перемещения между магнитами элемент Холла, имеющий две пары электродов, к которым подключен блок питания и регистрации, отличается тем, что элемент Холла помещен между двумя элементами, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями обращенными к элементу Холла, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. The problem is solved by means of a linear displacement meter containing a pair of fixed permanent magnets made in the form of rectangular prisms facing one another with side faces having opposite polarity and an acute angle between them, and installed in a plane passing through the bisector of this angle, with the Hall element having two pairs of electrodes to which the power supply and registration unit is connected between the magnets can be moved, characterized in that the Hall element is placed between the two elements, it with the possibility of joint movement made of soft magnetic material in the form of truncated pyramids, with small bases facing the Hall element, the area of small bases being equal to the area of the Hall element, and the area of large bases of the pyramids has a value determined by the bulging of magnetic lines of force in the gap between the magnets in addition, the large bases of the pyramids are made at an angle α / 2 to the bisector of the angle between the side faces of the magnets so that the bases when moving the Hall element in the gap between the magnets They remain parallel to the lateral faces of the prisms, and the angle α is equal to the angle between these faces.

Задача решается также, если площадь больших оснований пирамид определяют из соотношения:
b = a+2h(1-2l/δ),
где h - выпучивание магнитного поля, м;
а - ширина боковой грани призмы, м;
δ- величина воздушного зазора между боковыми гранями призм, м;
l - высота пирамиды, м.The problem is also solved if the area of the large bases of the pyramids is determined from the ratio:
b = a + 2h (1-2l / δ),
where h is the buckling of the magnetic field, m;
a is the width of the side face of the prism, m;
δ is the air gap between the side faces of the prisms, m;
l - the height of the pyramid, m.

Используемые в предлагаемом измерителе элементы пирамидальной формы из магнитомягкого материала уменьшают рассеяние магнитного поля в зазоре между магнитами, не искажая картины его продольного распределения, что позволяет увеличить чувствительность и точность измерителя линейных перемещений. Таким образом, совокупность признаков изобретения позволяет решить поставленную задачу. The pyramidal elements made of the magnetically soft material used in the proposed meter reduce the scattering of the magnetic field in the gap between the magnets without distorting the picture of its longitudinal distribution, which allows to increase the sensitivity and accuracy of the linear displacement meter. Thus, the combination of features of the invention allows to solve the problem.

Величина сторон больших оснований пирамид, определенная из дополнительного рекомендуемого соотношения, позволяет более эффективно использовать магнитное поле в зазоре с учетом выпучивания. The size of the sides of the large bases of the pyramids, determined from the additional recommended ratio, allows more efficient use of the magnetic field in the gap, taking into account buckling.

Известны концентраторы [Кобус А. , Тушинский Я. Датчики Холла и магниторезисторы. М. , Энергия. 1971] , позволяющие повысить чувствительность датчиков Холла, но они, как правило, приводят к искажению магнитного поля. Последнее говорит в пользу неочевидности предлагаемого технического решения. Known hubs [Kobus A., Tushinsky Ya. Hall sensors and magnetoresistors. M., Energy. 1971], which increase the sensitivity of Hall sensors, but they, as a rule, lead to a distortion of the magnetic field. The latter speaks in favor of the non-obviousness of the proposed technical solution.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема измерителя. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a meter.

На фиг. 2 изображены а) картина распределения магнитного поля в воздушном зазоре между магнитами; б) сечение А-А фиг. 2а. In FIG. 2 shows a) a picture of the distribution of the magnetic field in the air gap between the magnets; b) section AA of FIG. 2a.

Измеритель линейных перемещений содержит два неподвижных постоянных магнита 1 и 2, которые выполнены в виде прямоугольных призм и установлены под острым углом 15-30^o один к другому так, чтобы обращенные одна к другой боковые грани призм имели противоположенную полярность. Благодаря такой конструкции магнитной системы измерителя в зазоре между боковыми поверхностями магнитов создается линейно изменяющийся градиент индукции магнитного поля. В плоскости, проходящей через биссектрису острого угла между магнитами 1 и 2 перпендикулярно магнитным силовым линиям магнитного поля, создаваемого магнитами, установлен с возможностью перемещения элемент Холла 3. Элемент Холла 3 помещен между двумя элементами 4, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями, обращенными к элементу Холла 3, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла 3, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла 3 в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. Элемент Холла 3 имеет две пары электродов, к которым подключен блок питания и регистрации 5.The linear displacement meter contains two stationary permanent magnets 1 and 2, which are made in the form of rectangular prisms and are installed at an acute angle of 15-30 ^o one to another so that the side faces of the prisms facing one another have opposite polarity. Due to this design of the meter’s magnetic system, a linearly varying gradient of the magnetic field induction is created in the gap between the side surfaces of the magnets. In the plane passing through the bisector of the acute angle between magnets 1 and 2 perpendicular to the magnetic lines of force of the magnetic field created by the magnets, the Hall element 3 is mounted with the possibility of movement. The Hall element 3 is placed between two elements 4 having the possibility of joint movement made of magnetically soft material in the form of truncated pyramids with small bases facing the Hall element 3, while the area of small bases is equal to the area of the Hall 3 element, and the area of the large bases of the pyramids has the magnitude determined by the buckling of magnetic lines of force in the gap between the magnets, in addition, the large bases of the pyramids are made at an angle α / 2 to the bisector of the angle between the side faces of the magnets so that the bases when moving the Hall 3 element in the gap between the magnets remain parallel to the side faces of the prisms, and the angle α is equal to the angle between these faces. Hall element 3 has two pairs of electrodes to which a power supply and registration unit 5 is connected.

При этом площадь больших оснований пирамид определяют из соотношения:
b = a+2h(1-2l/δ),
где h - выпучивание магнитного поля, м. Исходя из известных соотношений [Буль Б. К. и др. Основы теории электрических аппаратов. М. , "Высшая школа". 1970] может быть найдено выражение с достаточной точностью апроксимирующее h= f(δ), полученное опытным путем:

где a - ширина боковой грани призмы, м;
δ- величина воздушного зазора между боковыми гранями призм, м;
l - высота пирамиды, м.The area of the large bases of the pyramids is determined from the ratio:
b = a + 2h (1-2l / δ),
where h is the buckling of the magnetic field, m. Based on the known relations [Bul B.K. et al. Fundamentals of the theory of electrical apparatus. M., "Higher School". 1970], an expression can be found with sufficient accuracy approximating h = f (δ) obtained experimentally:

where a is the width of the side face of the prism, m;
δ is the air gap between the side faces of the prisms, m;
l - the height of the pyramid, m.

Измеритель линейных перемещений работает следующим образом. The linear displacement meter works as follows.

Элемент Холла 3 движется по направляющим вдоль биссектрисы угла, образованного магнитами 1 и 2, при этом он жестко связан с объектом перемещения и помещен между двумя элементами 4, имеющими возможность совместного с ним перемещения, выполненными из магнитомягкого материала в форме усеченных пирамид, малыми основаниями обращенными к элементу Холла 3, при этом площадь малых оснований равна площади элемента Холла 3, а площадь больших оснований пирамид имеет величину, определяемую выпучиванием магнитных силовых линий в зазоре между магнитами, кроме того, большие основания пирамид выполнены под углом α/2 к биссектрисе угла между боковыми гранями магнитов так, что основания при перемещении элемента Холла 3 в зазоре между магнитами остаются параллельными боковым граням призм, а угол α равен углу между этими гранями. При этом на элемент Холла 3 действует магнитная индукция, величина которой пропорциональна величине зазора между разноименными полюсами магнитов. Так как в процессе движения элемента Холла величина указанного зазора все время меняется, то меняется и величина магнитной индукции В, действующей на него, в результате получаем изменение ЭДС Холла от величины индукции. ЭДС Холла фиксируется в блоке питания и регистрации 5. The Hall element 3 moves along the guides along the bisector of the angle formed by magnets 1 and 2, while it is rigidly connected with the object of movement and placed between two elements 4, with the possibility of joint movement with it, made of magnetically soft material in the form of truncated pyramids, with small bases facing to the Hall element 3, while the area of the small bases is equal to the area of the Hall 3 element, and the area of the large bases of the pyramids has a value determined by the bulging of magnetic lines of force in the gap between the magnets, in addition, the large bases of the pyramids are made at an angle α / 2 to the bisector of the angle between the side faces of the magnets so that the bases when moving the Hall element 3 in the gap between the magnets remain parallel to the side faces of the prisms, and the angle α is equal to the angle between these faces. At the same time, magnetic induction acts on Hall element 3, the magnitude of which is proportional to the gap between the opposite poles of the magnets. Since during the movement of the Hall element the magnitude of the specified gap changes all the time, then the magnitude of the magnetic induction B acting on it also changes, as a result, we obtain the change in the Hall EMF from the magnitude of the induction. EMF Hall is fixed in the power supply and registration 5.

Claims

1. A linear displacement meter containing a pair of fixed permanent magnets made in the form of rectangular prisms, facing one another with side faces having opposite polarity and an acute angle α between them, and mounted in a plane passing through the bisector of this angle, with the possibility of movement between magnets a Hall element having two pairs of electrodes to which a power and registration unit is connected, characterized in that the Hall element is placed between two elements having the possibility of sharing with m of movement made of soft magnetic material in the form of truncated pyramids, with small bases facing the Hall element, while the area of small bases is equal to the area of the Hall element, and the area of large bases of the pyramids has a value determined by the bulging of magnetic lines of force in the gap between the magnets, in addition, large bases of the pyramids are made at an angle α / 2 to the bisector of the angle between the side faces of the magnets so that when moving the Hall element in the gap between the magnets remain parallel to the sides m faces of the prisms and the angle α equals the angle between these facets.

2. The linear displacement meter according to claim 1, characterized in that the size of the sides of the large bases of the pyramids is determined from the ratio
b = α + 2h (1-21 / δ),
where h is the buckling of the magnetic field, m;
α is the width of the side face of the prism, m;
δ is the air gap between the side faces of the prisms, m;
1 - the height of the pyramid, m.