УДК 531.768
ПОМЕХОЗАЩИЩЕННЫЙ МАГНИТНЫЙ ЗАПОМИНАЮЩИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР1
В.Ф. Новиков, М.Д. Соболев, М.С. Бахарев, А.А. Орёл
Описан малогабаритный магнитный запоминающий акселерометр с рабочим диапазоном 0...150 g [1J. Прибор имеет усовершенствованную конструкцию и новый способ считывания информации.
Как известно, вследствие существования магнитоупругого гистерезиса [2], при приложении к маг-нитострикционным материалам упругих напряжений механострикция или остаточная намагниченность необратима, но однозначно уменьшается. Материал "запоминает" ту нагрузку, которая была к нему приложена. Эта "память" использовалась в устройствах (крешерах), способных фиксировать пиковое значение силы, ускорения и давления [3]. Целью данной работы являлась:
• разработка акселерометра (он также может с успехом исполнить роль датчика силы), имеющего существенно меньшие размеры и снабженного магнитным экраном, который защищает крешер от несанкционированного внешнего магнитного воздействия или сильного электромагнитного поля;
• изучение применимости калибровки при квазистатическом нагружении для работы датчика в динамическом режиме.
В предыдущих работах рассматривался магнитный крешер, представляющий собой сплошной цилиндр. Так как механическое напряжение определяется по формуле с = F/S, то чем меньше площадь S сечения крешера, тем выше его чувствительность. Поэтому описываемый в статье магнитный чувствительный элемент (ЧЭ) выполнялся в форме полого цилиндра с возможностью размещения внутри него намагничивающей катушки. Вся конструкция располагалась в инерционной массе, которая покрывалась слоем магнитомягкого материала, служащего магнитным экраном. Через катушку, соизмеримую с длиной ЧЭ пропускали импульс тока, и крешер намагничивался изнутри. Для измерения поля внутри намагниченного крешера использовалась таже катушка с магнитным сердечником, выполненным в виде тонких
1 Работа выполнена при поддержке гранта 97-0-7.3.
проволок, выполняющая попеременно то функцию намагничивающей катушки, то функцию ферро-зондового магнитометра.
Предлагаемая конструкция позволяет решить ряд проблем: изменять в широких пределах чувствительность датчика путем изменения толщины стенок крешера; приводить крешер в исходное состояние с малыми затратами энергии; с помощью вводимого катушки-зонда считывать информацию; успешно решить задачу защиты крешера от внешнего магнитного воздействия, используя магнитный экран; избавиться от источника питания и соединительных проводов. Использование магнитного экрана в качестве инерционной массы позволяет существенно уменьшить общую массу и размеры датчика.
Устройство акселерометра представлено на рис. 1. Датчик содержит
Рис. 1. Помехозащшценный запоминающий акселерометр ПЗА-1
чувствительный элемент (магнитный крешер) в виде полого цилиндра
5 с присоединенной к нему немагнитной опорой 6, которые вставляются в сверление инерционной массы 4 и вместе с ней помещаются внутрь корпуса 3 с надетым на него экраном, изготовленным из маг-нитномягкого материала, например армко-железа или пермаллоя. Сверху инерционной массы располагают амортизационные прокладки 2, корпус закрывают немагнитной крышкой 1. Датчик крепят к исследуемому объекту с помощью винта 8.
Чувствительный элемент (крешер) выполнялся из сплава 52КФ5 (сплав N9 1) и 52КФ9 (сплав № 2). После механической обработки ЧЭ отжигался при температуре 600 °С в вакууме.
Для испытания и калибровки акселерометра использовался копер типа МК-0.5-1, позволяющий изменять силу удара при отклонении маятника на фиксированные углы (рис. 2). Для уменьшения колебаний, возникающих в молоте 1 копра после удара о стальную пластину (наковальню) 2, молот изготовлялся из чугуна в виде полусферы. В качестве эталона ускорения служил пьезоэлектрический акселерометр 3 марки ABC 036-02, который приклеивался к плоской части полусферы молота. Рядом привинчивался запоминающий акселерометр 4. Сигнал от пьезоэлектрического акселерометра поступал на цифровой запоминающий осциллограф ЦЗО 5 марки С9-8. Феррозонд 6 подключался к системе, состоящей из фер-розондового магнитометра ФМ и импульсного генератора тока /Т.
Для снятия статической и динамической характеристик феррозонд
6 вставлялся внутрь ЧЭ, после чего по катушке феррозонда от ГТ пропускался короткий импульс тока и ЧЭ намагничивался. С магнитометра ФМ снималось показание ац, пропорциональное величине внутреннего поля //(,. Производилось нагружен ие или удар, затем с помощью феррозонда снова измерялась напряженность поля Н внутри ЧЭ.
Датчики и Системы • № 8.2001
35
Рис. 2. Схема стецца для испытаний и калибровки ПЗА
Aad
с
tf\2
¿Al
О 25 50 75 100 а, 102м/с
О 50 100 150 200 Н
Рис. 4. Абсолютная убыль поля Да, внутри ЧЭ (в показаниях магнитометра) от величины прикладываемой силы:
кривая 1 — сплав № 1; кривые 2, 3 — сплав № 2
Aas
A
J r
/
J> у /
щ/ 7 /
ß г
50 100 150 200 Н Рис. 3. Абсолютная убыль поля Да,, внутри ЧЭ (в показаниях магнитометра) от величины прикладываемой силы при
квазистатическом нагружении: кривая 1 — сплав № 1; кривые 2, 3 — сплав № 2
Ааа
У /
3. Ф / "J/ /
/ /
У
WW ' j / / /
Л/ Ш/
0 1 2 3 4 5 Аа5
Рис. 5. Связь между показаниями датчика при динамическом и квазистатическом нагружении:
кривая 1 — сплав № 1; кривые 2, 3 — сплав № 2
Отрицательные ускорения определялись следующим образом. Во время удара записывался сигнал с пьезоэлектрического акселерометра. С экрана осциллографа списывалось максимальное значение напряжения, которое умножалось на постоянную акселерометра и рассчитывалась величина ускорения и силовое воздействие на ЧЭ.
Для снятия статической характеристики ЧЭ нагружался на прессе шесте с вынутой из корпуса инерционной массой. На рис. 3 показана абсолютная убыль поля Аа5 внутри ЧЭ (в показаниях магнитометра) от величины прикладываемой силы Из рис. 3 видно, что Ащ монотонно возрастает. Причем у ЧЭ, изготов-
ленного из сплава 52КФ5 (кривые 2 и 3), эта убыль больше. У сплава 52КФ9 Аа5 меньше, однако линейность значительно выше и на большем интервале нагрузок.
Результаты динамических испытаний акселерометра представлены на рис. 4. Как видно из рисунка изменение внутреннего поля крешера при ударном нагружении также монотонно возрастает (в начале резко до 100 Н, затем медленнее) при увеличении силы удара Из сравнения рис. 3 и 4 видно, что в диапазоне I' = 1...100 Н на единицу силы приходится большее изменение Аа^, чем при статическом нагружении.
Результаты сравнения динамических и статических характеристик
показаны на рис. 5. По оси абсцисс откладывались изменения Аа^, которые показали, что динамическое на-гружение такой же величины, как и статические, сильнее изменяет измеряемый параметр, чем статическое.
Максимальное превышение динамического сигнала над статическим составляет 25...50% в зависимости от материала ЧЭ. Как видно из рис. 5 максимальное отклонение динамической кривой вверх от статической достигается при F< 100 Н, при F > 100 Н это отклонение уменьшается. Причиной этого является действие двух факторов: многократность пробегаемого по элементам датчика ударного (прямого и отраженного) импульса, в результате чего происходит дополнительное размагничивание образца, особенно заметное в диапазоне 0...100 Н и магнитного поля вихревых токов, препятствующего размагничиванию. Из рис. 4 следует, что изданный запоминающий датчик способен измерять ускорения в диапазоне (0...1,5)104 м/с2 или до 150 g. Однако это не предел. Датчик такого типа может выполнять функции датчика-свидетеля при транспортных перевозках устройств точной механики, ракет и т. п.
ЛИТЕРАТУРА
1. А. с. РФ 2123189. Автономный запоминающий датчик для измерения пиковых значений ускорения. // Изобретения. 1998. № 34.
2. Новиков В. Ф., Изосимов В. А., Костюков А. И. и др. Стабильность остаточной намагниченности сплавов Fe-Co-V // Физика металлов и металловедение. 1996. № 81. Вып. 4. С. 105...112.
3. Новиков В.Ф., Фатеев H.H., Нассо-нов В. В. Малогабаритный акселерометр с автономным запоминанием. В сб.: Датчики систем измерения, контроля и управления, Пенза, 1990. С. 56...60.
Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете.
Виталий Федорович Новиков — д-р физ.-мат. наук, проф., зав. кафедрой Тюменского государственного нефтегазового университета; ® (3452) 46-92-42
Михаил Дмитриевич Соболев — нач. сектора РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. E.H. Заба-бахина;
в (351-72) 3-26-25
Михаил Самуилович Бахарев — канд. техн. наук, доц., директор Сургутского филиала ТюмГНГУ; в (3462) 33-07-83
Агексей Анатольевич Орёл — ассистент кафедры ТюмГНГУ.
в (3452) 46-92-42 □
36
Sensors & Systems • № 8.2001
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.