научная статья по теме ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ»

УДК 681.3.06

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

В.Х. Ясовеев, P.P. Исхаков

Дан обзор принципов построения магнитострикционных датчиков перемещения на продольных и крутильных ультразвуковых волнах. Рассмотрены элементы первичных магнитострикционных преобразователей перемещения, методы повышения точности и помехоустойчивости датчиков и расширения их функциональных возможностей.

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость измерительного преобразования линейного перемещения часто возникает при построении различного рода систем управления объектами и технологическими процессами. Магнитострикционные датчики перемещения (МДП) являются перспективными средствами измерений перемещений объектов, уровней жидкостей, геометрических размеров листовых материалов, а также линейных скорости и ускорения. Они обладают высокой разрешающей способностью и линейностью передаточной характеристики при достаточно большом диапазоне преобразуемых значений перемещения, который может составлять от единиц миллиметров до нескольких метров. Например, разработан датчик с верхним пределом измерения свыше 1 м, приведенной погрешностью преобразования менее 0,1 % и разрешающей способностью менее 0,5 мм [1]. Магнитострикционные датчики работоспособны в широких диапазонах температуры и давления, им присуща высокая надежность.

Существует обширная литература, посвященная МДП — большое количество авторских свидетельств и патентов на изобретения, многочисленные публикации в виде статей в различных сборниках, журналах и материалах конференций [2—4]. В данной статье сделана попытка дать обзор приемов и принципов построения МДП и совершенствования их характеристик.

ЭЛЕМЕНТЫ МДП

Действие МДП основано на эффектах магнито-стрикции: прямом (механическая деформация магни-тострикционного материала при воздействии на него магнитного поля) и обратном (изменение намагниченности материала при его механической деформации). Чувствительный элемент базовой структурной схемы МДП (рис. 1) — первичный магнитострикционный преобразователь перемещений (ПМПП) — представляет собой прямолинейный звукопровод 3 (отрезок проволоки, трубки, ленты или стержня из магнитострикци-онного материала), неподвижно расположенный на нем входной возбуждающий электроакустический преобразователь (ЭАП) 2, выходной приемный ЭАП 4, перемещающийся вдоль звукопровода вместе с контролируемым объектом, и акустические демпферы 1 и 5, в которые заключены концы звукопровода. Принцип работы МДП заключается в преобразовании линейного положения контролируемого объекта во временной интервал, равный времени распространения ультразвуковой (УЗ) волны по магнитострикционному звукопрово-

ду от входного ЭАП до выходного. При подаче в ЭАП 2 импульса от генератора тока возбуждения ГТВ, управляемого одновибратором ОВ, в звукопроводе возникает УЗ волна. Через время задержки 1Х = х/Кц = Б\Х, где Кц — скорость ультразвука, 5] — чувствительность ПМПП, в приемном ЭАП наводится импульс ЭДС, преобразуемый усилителем-формирователем УФ в прямоугольный импульс напряжения цифрового уровня. Интервал времени Гх измеряется преобразователем временных интервалов в код (ПВИК) путем подсчета счетчиком Си количества импульсов Мх с кварцевого генератора КГ. поступающих через ключ К в течение этого интервала времени:

Nx = tv/кг = «Si */кг = Si S2x = Sx,

(1)

где /кг частота импульсов кварцевого генератора; ^ — чувствительность ПВИК; 5 — чувствительность МДП. Ключ управляется триггером Т, который устанавливается по импульсу одновибратора и опрокидывается по импульсу усилителя-формирователя.

Рис. 1. Базовая структурная схема МДП

Датчики и Системы • № 3.2001

53

Рис. 2. Электроакустический преобразователь для продольных колебаний в виде катушки

Рис. 3. Электроакустический преобразователь для продольных колебаний в виде магнитной головки

Таким образом, результат измерения перемещения представляется дискретной величиной Мх, а само измеряемое перемещение х выражается в виде

X Х-

разр'

(2)

где Хразр = Уо//кг ~ разрешающая способность МДП по перемещению.

Магнитострикционный материал звукопровода должен обладать достаточной эффективностью электромеханического преобразования и малым коэффициентом ослабления УЗ колебаний. В настоящее время наиболее приемлемыми материалами для изготовления магнито-стрикционных звукопроводов являются никель НП-2Т, магнитострикционные сплавы 49К2Ф, 49К2Ф-ВЦ, 9Ю-ВИ, 65К, алфер (13% - А1, 87% - Ре), пермал-лой-40 (40% - N1, 60% - Ре), элинвары 42НХТЮ и 44НХТЮА, 44НХМТ, 45НХТ и др. Весьма перспективно применение аморфных материалов.

Все ЭАП для возбуждения и регистрации УЗ волн в магнитострикционных звукопроводах можно подразделить на электромеханические (контактные) и электромагнитные (бесконтактные). В зависимости от конструкции ЭАП в звукопроводе ПМПП могут возбуждаться продольные или крутильные волны.

Продольная УЗ волна представляет собой локальную механическую деформацию в направлении, совпадающем с продольной осью звукопровода и распространя-

ется со скоростью около 5000 м/с. Продольные волны возбуждаются только электромагнитными ЭАП, в которых постоянное магнитное поле поляризующего магнита и магнитное поле, создаваемое импульсом тока, воздействуют непосредственно на звукопровод. Наиболее часто конструкция ЭАП для возбуждения и регистрации продольных волн представляет собой охватывающую звукопровод 1 (рис. 2) многослойную катушку 4, намотанную на каркас 2 [5]. Для усиления прямого и обратного магнитострикционного эффекта служит поляризующий магнит 3. Поток магнитного поля, создаваемый протекающим через обмотку импульсом тока, проходя через звукопровод, вызывает в нем вследствие прямого магнитострикционного эффекта волну упругой механической деформации. Изменение намагниченности материала звукопровода в зоне упругой деформации приводит вследствие обратного магнитострикционного эффекта к наведению импульса ЭДС в обмотке приемного ЭАП.

Известен ЭАП (рис. 3) в виде кольцевой магнитной головки, состоящей из магнитопровода 2 и обмотки 3 [6]. Головка помещается рабочим зазором магнитопровода под звукопровод 1 ПМПП. Такие ЭАП не нашли широкого применения.

В зависимости от геометрических размеров катушки различают ЭАП сосредоточенные (см. рис. 2), способные перемещаться вдоль звукопровода и длина которых во много раз меньше длины рабочей части звукопровода, и распределенные (рис. 4) — их обмотка 4 на каркасе 2 занимает всю рабочую часть звукопровода 1 и неподвижна относительно него. В распределенных ЭАП УЗ волны возбуждаются в зоне звукопровода, под-магничиваемой постоянным магнитом 3, а в момент ее прохождения через эту зону в обмотке наводится импульс ЭДС. Первичные преобразователи с распределенными ЭАП обладают повышенной надежностью ввиду отсутствия перегиба питающих проводов при движении контролируемого объекта. Датчики с такими ЭАП могут применяться для измерения уровней жидкостей в герметичных резервуарах с немагнитными стенками (поплавок с постоянным магнитом внутри резервуара, ПМПП — возле стенки резервуара снаружи). Однако ввиду большого омического сопротивления обмотки 4 требуется генератор тока повышенной мощности, а при приеме УЗ волн необходим усилитель-формирователь с высоким входным сопротивлением, что снижает помехоустойчивость МДП.

Электроакустические преобразователи для продольных УЗ колебаний могут быть комбинированными — применяться в качестве входных и выходных одновременно.

Крутильная УЗ волна представляет собой упругую волну локальной деформации кручения звукопровода вокруг его продольной оси и распространяется вдоль него. Скорость крутильной волны в разных магнито-стрикционных материалах колеблется около значения 3000 м/с, поэтому МДП на крутильных волнах обладают

Рис. 5. Электромеханический ЭАП с рычажным механизмом

Рис. 6. Электромеханический ЭАП, в котором колебания звукопроводу передаются от диска

нитное поле. Сложение взаимно перпендикулярных постоянного и переменного полей приводит вследствие эффекта Видемана к возникновению крутильных колебаний диска, состоящего из соединенных между собой внутреннего кольца б, магнитострикционного элемента 3 и внешнего кольца 7. Колебания диска передаются маг-нитострикционному звукопроводу, по которому начинает распространяться крутильная ультразвуковая волна. Внешний радиус кольца 7 выбирается, исходя из требуемой частоты ультразвуковых колебаний в звукоп-роводе, значение которой для увеличения амплитуды колебаний желательно добиваться равным резонансной частоте собственных механических колебаний системы возбуждения. Концентрацию механических напряжений можно существенно повысить, если толщину кольца плавно уменьшить к центру.

Общий недостаток электромеханических ЭАП заключается в отличие от электромагнитных, в принципиальной невозможности их перемещения вдоль зву-копровода.

В состав электромагнитного ЭАП (рис. 7) входят расположенный вдоль магнитострикционного звукоп-ровода б постоянный магнит смещения 1 и магнито-провод, состоящий из секторов двух типов 2 и 5 [9]. На секторах 2 расположены обмотки возбуждения 3, включенные таким образом, что в смежных полюсах создаются магнитные потоки противоположных направлений. Между полюсами секторов 5 расположены магнитные экраны 4. С помощью обмоток возбуждается переменное магнитное поле, действующее перпендикулярно оси звукопровода, при взаимодействии которого с постоянным полем магнита в звукопроводе возбуждаются крутильные УЗ волны. За счет уменьшения полей выпучивания с помощью магнитных экранов и уменьшения толщины магнитопровода у основания полюсов можно уменьшить эффективную длину участка возбуждения и тем самым расширить полосу пропускания преобразователя.

В случае трубчатого звукопровода часто применяется ЭАП, изображенный на рис. 8. При пропускании

более высокой чувствительностью и лучшей разрешающей способностью, чем МДП на продольных волнах.

Для электромеханических ЭАП характерна передача энергии колебаний от излучателя звукопроводу путем механического контакта. В основу электромеханического ЭАП, изображенного на рис. 5, положен рычажный механизм из двух магнитост

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.

Показать целиком