Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10268
(13) U
(46) 2014.08.30
(51) МПК
B 65H 63/02 (2006.01)
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) ДАТЧИК ОБРЫВА НИТИ
(21) Номер заявки: u 20130990
(22) 2013.11.26
(71) Заявитель: Белорусский государст-
венный университет (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексее-
вич (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Датчик обрыва нити, содержащий немагнитный корпус, на подвижной оси которого
размещен неуравновешенный рычаг с нитепроводником, закрепленный на указанном ры-
чаге постоянный магнит и неподвижный магниточувствительный элемент, выводы кото-
рого электрически соединены с токосъемными пластинами сигнальной цепи датчика,
ограничитель движения упомянутого неуравновешенного рычага, отличающийся тем,
что магниточувствительный элемент выполнен из полупроводниковой структуры p-n-
типа, обладающей Z-эффектом и L-образной вольт-амперной характеристикой, причем
упомянутая структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного ста-
билизированного напряжения, а именно плюс упомянутого источника напряжения под-
ключен к p-области, и защищена электромагнитным экраном от воздействия как поля
рассеяния указанного постоянного магнита, так и от наводок помехонесущих электромаг-
нитных помех; указанный постоянный магнит размещен так, что при обрыве нити плос-
кость одного из его магнитных полюсов располагалась в непосредственной близости от
магниточувствительного элемента и была ориентирована перпендикулярно плоскости
раздела p- и n-областей полупроводниковой структуры, а на ограничителе движения ры-
чага установлен демпфер.
Фиг. 1
BY10268U2014.08.30

2. BY 10268 U 2014.08.30
2
(56)
1. Патент RU 2049712, МПК B 65H 63/00, 1995.
2. А.с. СССР 601331, МПК D 01H 13/18, 1978.
3. Патент RU 2049034, МПК В65Н63/02, 1995 (прототип).
4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М: ДМК Пресс, 2001. - С. 87.
5. А.с. СССР 1739402, МПК H 01L 29/06, 1992.
6. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л.: Энерго-
атомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196, 200.
Предлагаемая полезная модель относится к средствам контроля и может быть исполь-
зована в текстильной промышленности, а более конкретно к устройству датчиков обрыва
нити, применяемых для индикации факта обрыва нити путем коммутации сигнальной це-
пи датчиков, устанавливаемых на текстильных машинах.
Известен датчик контроля прохождения нити на текстильной машине [1]. Датчик со-
держит ролик, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнена проточка
для нити, и фотодатчик. Проточка расположена на ролике под углом к плоскости враще-
ния ролика, а фотодатчик установлен на выходе нити вблизи ролика, что заставляет дви-
жущуюся нить совершать колебательные движения поперек оси светового потока.
Импульсы на светопринимающем устройстве формируются самой нитью в момент пере-
сечения нити осью светового потока. Наличие импульсного сигнала свидетельствует об
отсутствии обрыва нити и вращения ролика. Частота следования импульсов характеризует
скорость движения нити, а суммарное число импульсов - длину отмерянной нити.
Основным недостатком датчика являются сбои в работе, обусловленные запыленно-
стью помещения, а также попаданием на фотодатчик пуха и шерсти.
Известно устройство для контроля обрыва нити на текстильной машине [2], содержа-
щее неуравновешенные рычаги с нитенаправителями, поворотную планку с осью, посто-
янный магнит, закрепленный на планке, и геркон, размещенный на корпусе. Недостатком
этого устройства является то, что это оно предназначено для одновременного контроля
большого числа нитей, что обусловлено большими геометрическими размерами устройст-
ва. Пазы в корпусе устройства, предназначенные для передвижения рычагов с нитенапра-
вителями, способствуют попаданию пыли, пуха и т.п., и тем самым не обеспечивается
надежность срабатывания устройства.
Известен датчик обрыва нити [3], наиболее близкий к предлагаемому (прототип). Про-
тотип содержит закрепленный на подвижной оси неуравновешенный рычаг с нитепровод-
ником, большую и малую токосъемную пластины. На оси корпуса датчика в держателе
установлен постоянный магнит в виде ферромагнитного кольца, намагниченного таким
образом, что магнитное поле сконцентрировано в геометрическом центре кольца. В облас-
ти, близкой к геометрическому центру кольца, закреплен неподвижно геркон. Взаимное
расположение элементов датчика обрыва нити и их геометрические размеры выбраны та-
ким образом, что при обрыве нити и повороте неуравновешенного рычага с нитепровод-
ником осуществляется коммутация геркона и сигнальной цепи датчика.
Основным недостатком датчика [3] является низкая надежность срабатывания, что
обусловлено эффектом "дребезга" контактов геркона, в результате происходят замыкания
и размыкания сигнальной цепи датчика, которые приводят к срабатыванию исполнитель-
ных элементов текстильной машины и прекращению процесса наматывания нити. Кроме
того, достаточно сложно устанавливать геркон в области, близкой к геометрическому цен-
тру кольца (осуществлять выбор рабочей точки), которое намагничено таким образом, что
магнитное поле сконцентрировано в геометрическом центре кольца. Геркон в таком маг-
нитном поле с незамкнутыми контактами находится в бистабильном положении, и вибра-

3. BY 10268 U 2014.08.30
3
ция, обусловленная работой текстильных машин, может вызвать ложное срабатывание
датчика. Поэтому прототип не является помехозащищенным от вибраций, вызванных ра-
ботой текстильных машин.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности срабатывания
датчика, в том числе в условиях вибрационных воздействий.
Для решения поставленной задачи датчик обрыва нити содержит немагнитный кор-
пус, на подвижной оси которого размещен неуравновешенный рычаг с нитепроводником,
закрепленный на указанном рычаге постоянный магнит и неподвижный магниточувстви-
тельный элемент, выводы которого электрически соединены с токосъемными пластинами
сигнальной цепи датчика, ограничитель движения упомянутого неуравновешенного рычага.
Датчик отличается тем, что магниточувствительный элемент выполнен из полупро-
водниковой структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом [4, 5] и L-образной вольт-
амперной характеристикой, причем упомянутая структура подключена через резистор на-
грузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс упомя-
нутого источника напряжения подключен к р-области, и защищена электромагнитным
экраном от воздействия как поля рассеяния указанного постоянного магнита, так и от на-
водок помехонесущих электромагнитных помех; указанный постоянный магнит размещен
так, что при обрыве нити плоскость одного из его магнитных полюсов располагалась в
непосредственной близости от магниточувствительного элемента и была ориентирована
перпендикулярно плоскости раздела p- и n-областей полупроводниковой структуры, а на
ограничителе движения рычага установлен демпфер.
Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что не-
которые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических ре-
шений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является
новым. Совокупность этих элементов придает датчику новое качество функционирования
и обеспечивает полное решение поставленной комплексной задачи. Поэтому заявляемый
датчик соответствует критерию "новизна" по действующему законодательству.
Предложенная полезная модель поясняется фиг. 1, 2.
На фиг. 1 изображен заявляемый датчик обрыва нити.
На фиг. 2 приведен вариант подключения датчика к источнику постоянного стабили-
зированного напряжения.
Датчик обрыва нити содержит корпус 1, в его отверстии на подвижной оси 2 закреп-
лен неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником, на корпусе 2 с помощью держателя 4
неподвижно закреплен магниточувствительный элемент 5, первый вывод которого элек-
трически соединен с большой токосъемной пластиной 6, которая электрически соединена
с минусом источника питания -Uп через резистор нагрузки Rн. На оси 2 неуравновешен-
ного рычага 3 с нитепроводником с помощью держателя 7 закреплен постоянный магнит
8, выполненный на основе редкоземельных материалов, например SmCo5. На корпусе 1
неподвижно закреплена малая токосъемная пластина 9, электрически соединенная с по-
мощью соединительного проводника 10 со вторым выводом магниточувствительного эле-
мента 5 и плюсом постоянного напряжения источника питания + Uп. Выходной сигнал
Uвых снимается с резистора нагрузки Rн. Для ограничения хода неуравновешенного ры-
чага 3 с нитепроводником служит ограничитель 11, предотвращающий отскоки и возврат-
но-поступательные движения рычага 3, на корпусе имеется защитная крышка 12.
Ограничитель хода содержит демпфер 3, который может быть выполнен резиноподобным
или на основе притяжения двух дополнительно установленных миниатюрных магнитов.
При наличии натянутой нити неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником находится в
положении I и постоянный магнит 8 своим магнитным полем не оказывает влияние на
магниточувствительный элемент 5, который окружен с пяти сторон (кроме рабочей по-
верхности) электромагнитым экраном 14, содержащим ферромагнитный каркас, на кото-
ром нанесены чередующиеся тонкопленочные слои толщиной по 30-100 мкм из

4. BY 10268 U 2014.08.30
4
магнитомягкого материала с высоким значением магнитной проницаемости (например, из
высоконикелеевого пермаллоя) и с высоким значением удельной проводимости (напри-
мер, меди) соответственно.
Число слоев должно быть не менее 20 и может ограничиваться только технологией
нанесения. Чередующиеся слои легко изготавливаются известной технологией электроли-
тического осаждения, например, Cu и пермаллоя соответственно. Выбор материалов чере-
дующихся слоев немагнитный - магнитный может быть и другим, но он ограничивается
только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочно-
стью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных
слоев (нанослоев), обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования
электромагнитного поля и практически не влияющие на массу экрана в целом.
Использование в предложенной конструкции датчика многослойного экрана обеспе-
чивает повышение надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним
электромагнитным полям за счет пассивного подавления внешних источников в широком
диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля.
Этот вывод следует из того, что в литературных источниках известно, например, мно-
гослойный пленочный экран, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по
0,1 мкм, обеспечивает:
коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м -
не менее 8-10;
коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-100 000 Гц -
не менее 30-40.
Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к
многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсив-
ному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. В экране устройства использу-
ются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает
высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их часто-
ты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых
линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный [6].
Магниточувствительный элемент 5 обладает Z-эффектом [4] и L-образной вольт-
амперной характеристикой. Способ формирования p- и n-областей такой структуры под-
робно описан в [5]. Вектор индукции магнитного поля Bτ, на величину которого реагирует
магниточувствительный элемент 5, прикладывается в плоскости, параллельной плоскости
раздела p- и n-областей. Такие структуры поставляются фирмой VZ Sensor Ltd, Россия,
г. Москва (Институт проблем управления). Магниточувствительный элемент 5 способен
генерировать частотно-импульсный выходной сигнал при величине индукции магнитного
поля Bτ, превышающей 30-50 мТл (в зависимости от технологии изготовления), но не бо-
лее 1000 мТл.
В основе функционирования магниточувствительного элемента 5 лежит явление
управляемой скачковой проводимости (Z-эффекта), которая возникает в структурах с L-
образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных
значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупро-
водниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекаю-
щего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс.
Изменение проводимости, подобно структурам с S-образной вольт-амперной характери-
стикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойства-
ми, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении
напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувствительного элемента 5
является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить
его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных
электронных схем.

5. BY 10268 U 2014.08.30
5
Датчик обрыва нити работает следующим образом.
При обрыве нити неуравновешенный рычаг 3 с нитепроводником под действием соб-
ственной силы тяжести поворачивает ось 2 и вместе с ней поворачивает держатель 7 и ус-
тановленный в нем магнит 8. Магнит 8 перемещается совместно с рычагом 3 к
магниточувствительному элементу 5 в крайнее положение (положение II). Когда неурав-
новешенный рычаг 3 с нитепроводником дойдет до ограничителя 11, в этот момент под
влиянием магнитного поля постоянного магнита 8 происходит генерация частотно-
импульсного сигнала высокой амплитуды, до 50 % от напряжения питания. Выходной
сигнал Uвых снимается с резистора нагрузки Rн, подается на сигнальную цепь исполни-
тельных элементов текстильной машины. В результате происходит срабатывание испол-
нительных элементов текстильной машины и прекращение процесса наматывания нити.
Повышение надежности срабатывания датчика обрыва нити, в том числе в условиях
вибрации, что обусловлено введением в конструкцию прототипа новых и существенных в
функциональном отношении элементов, позволяет существенно повысить производитель-
ность труда и значительно сократить выход угаров при работе на текстильных машинах.
Для заявляемой конструкции датчика обрыва нити подтверждена возможность ее осу-
ществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета
средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию "промышлен-
ная применимость".
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.