RU2654827C1 - Датчик измерения механических деформаций - Google Patents
Датчик измерения механических деформаций Download PDFInfo
- Publication number
- RU2654827C1 RU2654827C1 RU2016145963A RU2016145963A RU2654827C1 RU 2654827 C1 RU2654827 C1 RU 2654827C1 RU 2016145963 A RU2016145963 A RU 2016145963A RU 2016145963 A RU2016145963 A RU 2016145963A RU 2654827 C1 RU2654827 C1 RU 2654827C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pair
- contact pads
- sensor
- afm
- rectangular plate
- Prior art date
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical group [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 13
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 12
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
- G01L1/127—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using inductive means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических деформаций на основе аморфных ферромагнитных микропроводов. Датчик измерения механических деформаций содержит прямоугольную пластину, выполненную с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля материалов и может быть использовано в качестве датчика раскрытия трещин и при измерениях малых деформаций в различных конструкциях.
Известен способ и устройство измерения физических величин (Sandacci S. (GB), Measuring physical quantities, Pat. WO 2007116218, G01B 7/24, G01R 33/18, publ. 18.10.2007, prior. 10/04/2007). Устройство измерения физических величин содержит датчик на основе аморфных ферромагнитных материалов с положительной константой магнитострикции, источник переменного магнитного поля, детектор обнаружения электродвижущей силы в виде импульсных сигналов от гигантских скачков Баркгаузена, возникающих при перемагничивании датчика, и средство измерения для определения значения выходной физической величины. Для регистрации приложенной механической нагрузки датчик выполнен в виде предварительно напряженного аморфного ферромагнитного микропровода (АФМ).
Недостатками этого устройства является большой разброс в характеристиках датчиков и значительное влияние внешних магнитных полей на его работу.
Известен композитный датчик измерения механических напряжений (Gore J., Fixter L., Eaton S., Horkins M., West R., Stinger L., Composite sensor. Pat. WO 2010055282, G01L 1/22, G01R 33/09, G01M 5/00, publ. 20.05.2010), выполненный из полимерной матрицы и армирующих элементов. Внутри массива полимерной матрицы размещен, по меньшей мере, один слой электропроводной ткани. В слое расположен, по меньшей мере, один магнитомягкий АФМ. Через АФМ пропускают переменный ток и регистрируют напряжение на АФМ. При приложении механической нагрузки к материалу импеданс АФМ может изменяться вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса и гигантского стресс-импедансного эффекта. Изменение импеданса АФМ приводит к изменению регистрируемого напряжения.
Недостатком этого устройства является сложность измерения локальных механических нагрузок, поскольку датчик имеет протяженный размер и измеряет сигнал, пропорциональный механическим нагрузкам, приложенным по всей длине АФМ. Кроме этого, вследствие эффекта гигантского магнитного импеданса указанный композитный датчик может реагировать на приложенные внешние магнитные поля, которые будут искажать эффект, связанный с воздействующей механической нагрузкой.
Прототипом предложенного изобретения является датчик измерения механических напряжений (Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Усов Н.А., Игнатов А.С., Тарасов В.П., Криволапова О.Н. Датчик измерения механических напряжений. Пат. RU 2552124 C1, G01L 1/12, G01B 7/24). Датчик представляет собой прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой выполнено посадочное место, в котором расположен регистратор, внутри массива прямоугольной пластины расположен магниточувствительный элемент, выполненный в виде АФМ, размещенного внутри дифференциальной измерительной катушки. АФМ и дифференциальная измерительная катушка через две пары контактных площадок соединены с регистратором, обеспечивающим перемагничивание магниточувствительного элемента и усиление и регистрацию сигналов дифференциальной измерительной катушки. Регистрация приложенных к АФМ механических напряжений осуществляется по измерению сигнала дифференциальной измерительной катушки, подключенной к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с персональным компьютером. При этом контролируется ширина выходного сигнала при перемагничивании АФМ в зависимости от приложенного механического напряжения. Для количественной связи между выходным сигналом и приложенным механическим напряжением проводится калибровка.
Недостатком этого устройства является сложность точного определения ширины выходного сигнала для определения приложенных к чувствительному элементу механических напряжений из-за сложной формы выходного сигнала и возникающая в связи с этим низкая чувствительность.
В предложенном изобретении достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей датчика, а именно повышении чувствительности за счет использования режима регистрации малоуглового вращения вектора намагниченности АФМ. В данном режиме регистрации по АФМ пропускают переменный ток I частотой f, который создает в нем переменное циркулярное магнитное поле Нх, перпендикулярное оси АФМ, которое приводит к осцилляциям вектора намагниченности Ms относительно его оси на малый угол θ. При этом компонента намагниченности Msz, совпадающая с направлением оси АФМ, изменяется во времени с удвоенной частотой 2f. Из-за изменения во времени с частотой 2f компоненты намагниченности насыщения Msz в навитой на АФМ измерительной катушке возникает ЭДС с частотой, равной также 2f. Этот сигнал ЭДС усиливается и измеряется с помощью вольтметра. Для определения приложенной деформации в предлагаемом способе используют модельное выражение для сигнала ЭДС удвоенной частоты, наводимого в измерительной катушке (Gudoshnikov, S., Churyukanova, М.; Kaloshkin, S.; Zhukov, A.; Zhukova, V.; Usov, N.A., Investigation of the properties of Co-rich amorphous ferromagnetic microwires by means of small angle magnetization rotation method, Journal of magnetism and magnetic materials, V. 387, P. 53-57, 2015).
Технический результат достигается следующим образом.
В конструкции датчика используют вытянутую прямоугольную пластину, выполненную из полимерного материала с поперечными разрезами в центральной части, обеспечивающими возможность ее растяжения под влиянием внешних растягивающих усилий. На верхней поверхности прямоугольной пластины дополнительно располагают миниатюрный соленоид, подключенный к паре контактных площадок. В миниатюрном соленоиде размещают дифференциальную измерительную катушку, внутри которой расположен отрезок АФМ. Концы АФМ зафиксированы на двух контактных площадках (первая пара контактных площадок), расположенных на противоположных концах прямоугольной пластины.
Дифференциальная измерительная катушка подключена ко второй паре контактных площадок. Миниатюрный соленоид подключен к третьей паре контактных площадок. При этом все три пары контактных площадок соединены с электронным измерительным устройством.
Электронное измерительное устройство содержит источник переменного тока частоты ƒ, источник постоянного тока, усилитель сигналов на удвоенной частоте переменного тока 2ƒ. Источник переменного тока соединен с контактными площадками АФМ. Источник постоянного тока соединен с контактными площадками миниатюрного соленоида. Вход усилителя сигналов на удвоенной частоте соединен с контактными площадками измерительной катушки. Выход усилителя сигналов подключен к аналого-цифровому преобразователю, который соединен с персональным компьютером.
В отличие от прототипа, в котором осуществляется перемагничивание АФМ с помощью переменного магнитного поля от внешнего источника поля и регистрация сигнала перемагничивания АФМ, наводимого в виде ЭДС в дифференциальной приемной катушке, форма которой изменяется под действием приложенной механической нагрузки, в предлагаемом техническом решении к АФМ прикладывают постоянное магнитное поле больше поля насыщения АФМ. Через АФМ пропускают переменный ток I частотой f и регистрируют амплитуду сигнала дифференциальной приемной катушки на удвоенной частоте 2f, которая связана с приложенной деформацией модельным выражением для сигнала ЭДС удвоенной частоты. Данный режим регистрации выходного сигнала позволяет достичь технического результата, заключающего в расширении функциональных возможностей датчика и повышении чувствительности измерений.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структура датчика, на фиг. 2 изображена электрическая схема подключения датчика к измерительному устройству.
На фигурах 1, 2 показаны крепежные отверстия 1, прямоугольная пластина 2, посадочное место 3, АФМ 4, дифференциальная измерительная катушка 5, миниатюрный соленоид 6, первая пара контактных площадок 7, вторая пара контактных площадок 8, третья пара контактных площадок 9, источник постоянного тока 10, генератор переменного сигнала частоты f 11, усилитель 12.
На фигуре 3 показано семейство кривых малоуглового вращения вектора намагниченности АФМ, измеренных под действием приложенных растягивающих напряжений, создаваемых подвешиваемыми грузами известной массы. При этом воздействующая нагрузка величиной 30 г соответствует деформации 0.5. мм для АФМ длиной 100 мм.
Датчик работает следующим образом.
На поверхность измеряемого объекта через крепежные отверстия 1 прикрепляют датчик измерения механических деформаций с помощью винтов или шурупов. При деформации измеряемого объекта прямоугольная пластина 2 и АФМ 4 также подвергаются деформации. Для регистрации деформации через АФМ 4 пропускается возбуждающий переменный ток амплитудой I (в пределах 5-10 мА) и частотой f (в пределах 5-10 кГц), создаваемый генератором переменного сигнала 10. Также к АФМ 4 прикладывается постоянное магнитное поле, которое создается миниатюрным соленоидом 6 при протекании через него постоянного тока от источника постоянного тока 11. Создаваемое постоянное магнитное поле Н0 (величиной в пределах 10-12 Э), направленное вдоль оси АФМ, должно превышать в несколько раз значение поля анизотропии АФМ.
Возбуждающий переменный ток и воздействующее постоянное магнитное поле обеспечивают начальное значение переменного сигнала электродвижущей силы частоты 2f на дифференциальной измерительной катушке 5. В отсутствие воздействующей механической деформации амплитуда сигнала электродвижущей силы на измерительной катушке 5 фиксирована и имеет минимальное значение. При механическом растяжении исследуемого объекта происходит увеличение амплитуды сигнала электродвижущей силы на катушке 5 за счет сдвига кривой малоуглового вращения вектора намагничивания в область значений больших магнитных полей, как показано на фигуре 3. Сигнал дифференциальной измерительной катушки 5 через соответствующую пару контактных площадок 8 поступает на вход усилителя 12, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю. После цифровой обработки сигнал поступает на персональный компьютер, в котором по полученным данным определяется величина механической деформации с использованием модельного выражения для сигнала ЭДС, наводимого в измерительной катушке 5.
Таким образом, в предложенном датчике технический результат, заключающийся в повышении чувствительности к приложенным деформациям, достигается благодаря возможности более точного измерения амплитуды сигнала ЭДС и расчета деформации с использованием модельного выражения для сигнала ЭДС измерительной катушки.
Claims (1)
- Датчик измерения механических деформаций, состоящий из прямоугольной пластины, выполненной из полимерного материала, на верхней поверхности которой выполнено посадочное место в виде центрально-симметричного углубления, магниточувствительного элемента, выполненного в виде аморфного ферромагнитного микропровода, подключенного к первой паре контактных площадок и размещенного внутри дифференциальной измерительной катушки, подключенной ко второй паре контактных площадок, источника переменного тока, источника постоянного тока и усилителя сигналов дифференциальной измерительной катушки, вход которого соединен со второй парой контактных площадок, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с персональным компьютером, отличающийся тем, что прямоугольная пластина выполнена с поперечными разрезами, обеспечивающими возможность ее растяжения в продольном направлении, в посадочном месте прямоугольной пластины размещен дополнительно введенный миниатюрный соленоид, подключенный к третьей паре контактных площадок, внутри которого размещен магниточувствительный элемент, при этом миниатюрный соленоид соединен через третью пару контактных площадок с источником постоянного тока, источник переменного тока соединен через первую пару контактных площадок с аморфным ферромагнитным микропроводом и выполнен в виде генератора переменного тока частоты f, усилитель сигналов дифференциальной измерительной катушки усиливает сигналы частоты 2f.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016145963A RU2654827C1 (ru) | 2016-11-23 | 2016-11-23 | Датчик измерения механических деформаций |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016145963A RU2654827C1 (ru) | 2016-11-23 | 2016-11-23 | Датчик измерения механических деформаций |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2654827C1 true RU2654827C1 (ru) | 2018-05-22 |
Family
ID=62202627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016145963A RU2654827C1 (ru) | 2016-11-23 | 2016-11-23 | Датчик измерения механических деформаций |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2654827C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5650570A (en) * | 1994-09-07 | 1997-07-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for measuring stress of ferromagnetic metal member, method for measuring stress distribution in sheet-like sensor, and sheet-like sensor for measuring stress distribution |
| JP2004219105A (ja) * | 2003-01-09 | 2004-08-05 | Toshiba Corp | ひずみセンサおよびひずみ計測方法 |
| RU143655U1 (ru) * | 2014-03-25 | 2014-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ИГУ") | Датчик критических упругих растягивающих напряжений на аморфной металлической ленте |
| RU2552124C1 (ru) * | 2013-12-13 | 2015-06-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Датчик измерения механических напряжений |
-
2016
- 2016-11-23 RU RU2016145963A patent/RU2654827C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5650570A (en) * | 1994-09-07 | 1997-07-22 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method for measuring stress of ferromagnetic metal member, method for measuring stress distribution in sheet-like sensor, and sheet-like sensor for measuring stress distribution |
| JP2004219105A (ja) * | 2003-01-09 | 2004-08-05 | Toshiba Corp | ひずみセンサおよびひずみ計測方法 |
| RU2552124C1 (ru) * | 2013-12-13 | 2015-06-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Датчик измерения механических напряжений |
| RU143655U1 (ru) * | 2014-03-25 | 2014-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ИГУ") | Датчик критических упругих растягивающих напряжений на аморфной металлической ленте |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3427872A (en) | Method and system for investigating the stress condition of magnetic materials | |
| JP5483268B2 (ja) | 表面特性検査方法 | |
| Espina-Hernandez et al. | Rapid estimation of artificial near-side crack dimensions in aluminium using a GMR-based eddy current sensor | |
| Ramos et al. | Using the skin effect to estimate cracks depths in mettalic structures | |
| CN107144627A (zh) | 导电固体无损检测电路及基于其的连续应力定量评估方法 | |
| CN103675094A (zh) | 一种无损探伤装置 | |
| Angelopoulos et al. | Steel health monitoring device based on Hall sensors | |
| RU2721718C1 (ru) | Установка для измерения зависимости магнитострикции нежёсткого объекта от величины внешнего магнитного поля | |
| CN101592715A (zh) | 磁电材料的电诱导磁转换系数测试装置及测试方法 | |
| KR101999945B1 (ko) | 강자성체 응력 측정 장치 | |
| RU194787U1 (ru) | Лабораторный стенд для измерения зависимости магнитострикции нежёсткого объекта от величины внешнего магнитного поля | |
| RU2654827C1 (ru) | Датчик измерения механических деформаций | |
| JP6352321B2 (ja) | 複合共振法による非接触応力測定方法及びその測定装置 | |
| Ricken et al. | Improved multi-sensor for force measurement of pre-stressed steel cables by means of the eddy current technique | |
| RU2653563C1 (ru) | Датчик измерения механических деформаций | |
| RU2552124C1 (ru) | Датчик измерения механических напряжений | |
| JP2005127963A (ja) | 非破壊検査方法及びその装置 | |
| Baglio et al. | Exploitation of Temperature Effect in 100 µm Ferromagnetic Wire | |
| Benabdellah et al. | New Electromagnetic Force-Displacement Sensor | |
| KR101001616B1 (ko) | 가역투자율 측정 장치 | |
| US20110140691A1 (en) | Non-destructive determination of magnetic permeability tensor in materials of arbitrary shape | |
| Charubin et al. | Mobile ferrograph system for ultrahigh permeability alloys | |
| KR102224117B1 (ko) | 자기 이력 특성 추정 방법을 이용한 자성 비파괴 검사 장치 | |
| RU2805248C1 (ru) | Устройство для измерения магнитных характеристик ферромагнетика | |
| Wang et al. | Detection of a rectangular crack in martensitic stainless steel using a magnetoreactance sensing system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181124 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20211008 |