Принцип дії магнітострикційних датчиків лінійних переміщень Micropulse та Temposonics
Магнітострикційні перетворювачі лінійних переміщень або як їх ще називають: вимірювачі шляху, датчики лінійного положення і т.п. набули найширшого поширення у різних галузях промисловості для автоматизації виробничих процесів. Визначення положення об'єкта, що рухається вздовж однієї осі - завдання, що дуже часто зустрічається в автоматизації. При цьому положення необхідно найчастіше визначати в найважчих умовах експлуатації: постійної вібрації, ударних навантаженнях, при високому тиску, низьких або високих температурах, високій вологості. Деревообробні верстати, гідроциліндри, інжекційне лиття, термопластавтомати, різання різних матеріалів, рухома техніка – ось неповний перелік конкретних прикладів застосування датчиків перетворювачів лінійних переміщень. І під всі ці варіанти чудово підходять вимірювачі, що функціонують на магнітострикційному принципі вимірювання. На сьогодні найпопулярнішими на ринку є датчики лінійних переміщень від компаній Balluff (Німеччина), бренд Micropulse, та MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Як вони працюють, розкажемо доступною мовою у нашій статті нижче.
Основою принципу магнітострикції є магнітомеханічні властивості феромагнітних матеріалів: залізо, нікель, кобальт, а також їх сплавів. При знаходженні феромагнетика в магнітному полі воно викликає мікроскопічну деформацію його структури, що призводить до зміни фізичних розмірів феромагнетика. Це є наслідком структури феромагнітного матеріалу, простіше кажучи, він складається з величезної кількості мікроскопічних елементарних магнітів, які прагнуть встановити паралельно один одному в межах обмежених областей, про «доменах». У звичайному стані напрямок доменів хаотичний,однак, при накладенні магнітного поля вони вишиковуються за його напрямом і вирівнюються паралельно один до одного. При цьому виникають власні магнітні поля, які можуть перевищувати зовнішнє магнітне поле в сотні разів. Вищеописане призводить до того, що якщо стрижень з феромагнітного сплаву помістити в магнітне поле паралельне осі, то стрижень отримає механічну деформацію, внаслідок якої виникне подовження. Треба розуміти, що насправді це подовження дуже мало (див. рисунок 1), проте його можна зареєструвати. Крім того, створюючи спеціальні феромагнітні сплави та додаючи до них постійні спрямовані магнітні поля можна оптимізувати та керувати магнітострикційним ефектом.
-вимірювальний елемент у вигляді хвилеводу ;-блок електроніки ;-позиційний магніт ;-перетворювач торсійного імпульсу ;-демпфер в кінці стрижня, в якій відбувається гасіння другої частини торсійного імпульсу.
Вимірювальним елементом є феромагнітний хвилевід, яким поширюється торсионная ультразвукова хвиля, детектируемая перетворювачем торсійного імпульсу. Позиція об'єкта виміру визначається положенням постійного магніту, що оточує хвилевід. Позиційний магніт пов'язаний з об'єктом вимірювання, однак, магнітом та вимірювальним елементом - хвилеводом, повністю відсутня механічна зв'язок. По суті, це безконтактний принцип вимірювання, а значить він має високу надійність і не має механічного зносу. Якщо говорити про габарити хвилеводу, його зовнішній діаметр становить близько 0.7 мм, а внутрішній близько 0.5 мм Усередині хвилеводу знаходиться мідний провідник. Сам вимірювальний процес починається з короткого струмового імпульсу мідним провідником з блоку електроніки. З переміщенням імпульсу виникає радіальне магнітне поле навколо хвилеводу (рисунок №3). При перетині з магнітним полем постійного позиційного магніту, виникає, згідно з ефектом Відемана, пластична деформація магнітострикційного хвилеводу, і ультразвукова торсіонна хвиля, яка поширюється від місця виникнення в обидва кінці хвилеводу. В одному з кінців яка повністю гаситься, виключаючи перешкоди та спотворення сигналу. Швидкість поширення цієї хвилі у хвилеводі становить 2830 м/с, і наїї не мало впливає зовнішні чинники (забруднення, температура, удари тощо.). Детектування та обробка торсійного імпульсу відбувається на іншому кінці хвилеводу в блоці електроніки. Перетворювач торсійних імпульсів складається з розташованої впоперек хвилеводу і жорстко пов'язаної з ним смуги з магнітострикційного металу; детектуючої котушки індуктивності та одного нерухомого постійного магніту.
У перетворювачі торсійного імпульсу надзвукова хвиля викликає зміну намагніченості металевої смуги згідно з ефектом Вілларі, що вже згадувався. Наступне з цього тимчасове зміна поля постійного магніту індукує електричний струм котушці індуктивності. Цей електричний сигнал, що виникає, остаточно обробляється електронікою датчика. Точне визначення позиції виходить вимірюванням часу між стартом струмового імпульсу і часу виникнення електричного сигналу у відповідь, яке визначається в перетворювачі торсіонних імпульсів при детектуванні ультразвукової хвилі.
При зовнішній складності принципів вимірювання датчиків лінійних переміщень Temposonics і Micropulse, що здається, очевидні переваги, якими володіють ці перетворювачі: вимірювання відстані з максимальною точністю, довготривалі і стабільні характеристики і параметри, висока захищеність і стійкість до зовнішніх впливів.
Треба розуміти, втілення принципів та фізичних ефектів у кінцевий надійний та точний прилад, готовий до роботи у найважчих умовах, ставить найвищі вимоги до можливостей та компетенції виробника. Інженери повинні мати фундаментальні фізичні знання, накопичені за роки досліджень і випробувань. Наприклад, перш ніж підібрати оптимальний варіант схемиперетворювача торсійних імпульсів, були досліджені та випробувані різні варіанти, представлені на малюнку №4. Виявилося, що оптимальна конструкція перетворювача повинна бути такою, як на варіанті 3. Саме так виходить найбільш впевнений і точний сигнал, так як реєструється тільки торсійна частина механічної хвилі, а поздовжні коливання не впливають на результат вимірювання. Застосування торсійних хвиль та реєструючої системи, яка реагує тільки на торсійну хвилю, дозволяє не боятися впливу вібрації на процес вимірювання, оскільки торсійний імпульс не можна викликати механічною зовнішньою вібрацією. Для того щоб всі фізичні процеси принципу вимірювання могли протікати без впливу з боку зовнішніх впливів, виробник використовує спеціальні механічну конструкцію корпусу та електронну схему при обробці сигналу. Виробники магнітострикційних датчиків лінійних переміщень MTS Sensors Temposonics і Balluff Micropulse постійно вдосконалюють матеріали, що використовуються у своїх продуктах, а також покращують схеми та конструкцію. Правильність обраного напрямку виробників і оптимальність первісної конструкції магнітострикційних перетворювачів Temposonics і Micropulse, підтверджують працездатні датчики, що регулярно зустрічаються, старих поколінь, встановлені і прослужили від п'яти до десяти років в умовах постійної промислової експлуатації.