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.