Принцип на действие на магнитострикционни сензори за линейно преместване Micropulse и Temposonics

Магнитострикционни преобразуватели за линейно преместване или, както се наричат още: пътемери, линейни сензори за положение и др. получи най-широко разпространение в различни индустрии за автоматизация на производствените процеси. Определянето на позицията на обект, движещ се по една ос, е много често срещана задача в автоматизацията. В същото време позицията най-често трябва да се определя в най-трудните условия на работа: постоянни вибрации, ударни натоварвания, високо налягане, ниски или високи температури, висока влажност. Дървообработващи машини, хидравлични цилиндри, леене под налягане, машини за леене под налягане, рязане на различни материали, мобилно оборудване - това е непълен списък от конкретни примери за използване на линейни преобразувателни сензори. И за всички тези опции измервателните уреди, работещи на принципа на магнитострикционното измерване, са перфектни. Днес най-популярните на пазара са сензорите за линейно изместване от Balluff (Германия), марка Micropulse и MTS Sensors (САЩ), марка Temposonics. Как работят, ще разкажем на достъпен език в нашата статия по-долу.

В основата на принципа на магнитострикцията са магнитомеханичните свойства на феромагнитните материали: желязо, никел, кобалт, както и техните сплави. Когато феромагнетик е в магнитно поле, той причинява микроскопична деформация на структурата си, което води до промяна във физическите размери на феромагнетика. Това е следствие от структурата на феромагнитния материал, с други думи, той се състои от огромен брой микроскопични елементарни магнити, които са склонни да бъдат успоредни един на друг в ограничени области, така наречените "домейни". В нормално състояние посоката на домейните е хаотична,обаче, когато се приложи магнитно поле, те се подреждат в неговата посока и се подравняват успоредно един на друг. В този случай възникват собствени магнитни полета, които могат да превишават външното магнитно поле стотици пъти. Горното води до факта, че ако прът от феромагнитна сплав се постави в магнитно поле, успоредно на неговата ос, тогава прътът ще получи механична деформация, поради което ще настъпи удължение. Трябва да се разбере, че всъщност това удължение е много малко (виж Фигура 1), но е възможно да се регистрира. В допълнение, чрез създаване на специални феромагнитни сплави и прилагане на постоянни насочени магнитни полета към тях е възможно да се оптимизира и контролира магнитострикционният ефект.

Сега се доближаваме до това, което се случва в линейни енкодери като Temposonics или Micropulse. В тези пътемери се използва ефектът на Видеман, който описва механичната деформация на феромагнитен прът, който е под въздействието на две магнитни полета: външно и вътрешно, създадени от проводник, през който протича електрически ток. В магнитострикционните линейни енкодери MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse външното магнитно поле се генерира от специален позиционен магнит, който при пресичане с вътрешно концентрично магнитно поле, генерирано от електрически ток, причинява механична деформация в малка площ на прътовиден измервателен елемент. Използва се и магнитоеластичен ефект (ефект на Вилари), свързан с промяна в магнитните свойства на феромагнетик, например намагнитването на феромагнитен прът, което се причинява от надлъжна деформация.

Физическият процес на описания по-горе процес трябва да се превърне в надеждно измерванесистема. И след дълго търсене и тестване магнитострикционните сензори получиха общ дизайн, схематично представен на фигура № 3. Преобразувателите за линейно изместване имат няколко основни части:

-измервателен елемент под формата на вълновод ;-електронен блок ;-позиционен магнит ;-торсионен импулсен преобразувател ;-демфер в края на пръта, в който се демпфира втората част от импулса на усукване.

Измервателният елемент е феромагнитен вълновод, през който се разпространява торсионна ултразвукова вълна, която се регистрира от преобразувателя на торсионен импулс. Позицията на измервания обект се определя от позицията на постоянния магнит, който обгражда вълновода. Позиционният магнит е свързан с обекта на измерване, но няма механична връзка между магнита и измервателния елемент - вълновода. Всъщност това е безконтактен принцип на измерване, което означава, че има висока надеждност и липса на механично износване. Ако говорим за размерите на вълновода, тогава неговият външен диаметър е около 0,7 мм, а вътрешният диаметър е около 0,5 мм Вътре във вълновода има меден проводник. Самият процес на измерване започва с кратък токов импулс през медния проводник от електронния блок. С движението на импулса около вълновода възниква радиално магнитно поле (Фигура № 3). При пресичане на магнитното поле на постоянен позиционен магнит, съгласно ефекта на Видеман, възниква пластична деформация на магнитострикционния вълновод и ултразвукова торсионна вълна се разпространява от мястото на възникване до двата края на вълновода. В единия край, който е напълно загасен, изключвайки смущения и изкривяване на сигнала. Скоростта на разпространение на тази вълна във вълновода е 2830 m/s ипрактически не се влияе от външни фактори (замърсяване, температура, удар и др.). Откриването и обработката на торсионния импулс се извършва в другия край на вълновода в електронния блок. Торсионният импулсен преобразувател се състои от лента от магнитостриктивен метал, разположен напречно на вълновода и твърдо свързан с него; откриващ индуктор и един фиксиран постоянен магнит.

В торсионния импулсен преобразувател свръхзвуковата вълна предизвиква промяна в намагнитването на металната лента съгласно вече споменатия ефект на Villari. Получената временна промяна в полето на постоянния магнит индуцира електрически ток в индуктора. Този получен електрически сигнал накрая се обработва от сензорната електроника. Точно определяне на позицията се получава чрез измерване на времето между началото на токовия импулс и времето на поява на отговорния електрически сигнал, който се определя в преобразувателя на импулс на усукване, когато се открие ултразвукова вълна.

При привидната външна сложност на принципите на измерване на сензорите за линейно изместване Temposonics и Micropulse, предимствата, които тези преобразуватели имат, са очевидни: измерване на разстояние с максимална точност, дългосрочни и стабилни характеристики и параметри, висока сигурност и устойчивост на външни влияния.

Трябва да се разбере, че въплъщението на принципите и физическите ефекти в окончателното надеждно и точно устройство, готово за работа в най-трудните условия, поставя най-високите изисквания към възможностите и компетентността на производителя. Инженерите трябва да имат фундаментални физически познания, придобити чрез години изследвания и тестове. Например, преди да изберете оптималния вариант на схемататорсионен импулсен преобразувател, бяха изследвани и тествани различни опции, показани на фигура № 4. Оказа се, че оптималната конструкция на преобразувателя трябва да бъде същата като при вариант 3. Така се получава най-сигурният и точен сигнал, тъй като се записва само торсионната част на механичната вълна, а надлъжните вибрации не влияят на резултата от измерването. Използването на торсионни вълни и система за запис, която реагира само на торсионна вълна, ви позволява да не се страхувате от влиянието на вибрациите върху процеса на измерване, тъй като импулсът на усукване не може да бъде причинен от външни механични вибрации. За да гарантира, че всички физически процеси на принципа на измерване могат да протичат без влияние от външни влияния, производителят използва специален механичен дизайн на корпуса и електронна схема за обработка на сигнала. Производителите на магнитостриктивни сензори за линейно изместване MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse непрекъснато подобряват материалите, използвани в техните продукти, както и веригите и дизайна. Правилността на избраната посока на производителите и оптималността на първоначалния дизайн на магнитострикционните преобразуватели Temposonics и Micropulse се потвърждават от редовно срещани работещи сензори от стари поколения, инсталирани и обслужвани от пет до десет години в постоянна промишлена експлоатация.