Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse

Датчики линейных перемещений применяют в различных отраслях промышленности, где требуется определить положение объекта. Компании Balluff (датчики перемещения Micropulse) и MTS Sensors (датчики Temposonics) - мировые лидеры в разработке и производстве магнитострикционных датчиков линейных перемещений.

Принцип работы

Магнитострикцию обнаружили в ферромагнитных материалах: никель, железо, кобальт и их сплавах. Принцип магнитострикции заключается в магнитомеханических свойствах этих материалов. В случае, когда ферромагнетик находится в области магнитного поля, то оно деформирует его структуры, что может привести к изменению размеров ферромагнетика. Это объясняется наличием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, которые составляют ферромагнитный материал. В этих доменах все элементарные магниты имеют одинаковое направление. Так как первоначальное распределение доменов хаотично, поэтому снаружи ферромагнитное тело выглядит немагнитным. При наличии магнитного поля, домены выстраиваются параллельно друг другу по направлению поля и выравниваются. Таким образом, образуются собственные магнитные поля, превосходящие внешнее магнитное поле в сотни раз.

Например, при помещении стерженя из ферромагнитного сплава в магнитное поле параллельное его оси, стержень подвергается механической деформации и получает линейное удлинение. В действительности удлинение за счет магнитострикционного эффекта незначительное (рис. 1).

Так как магнитострикционный эффект характеризуется наличием магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, то такой эффект можно оптимизировать за счет создания специальных сплавов. В измерительных системах Micropulse и Temposonics применяют магнитострикционный эффект (эффект Видемана), который описывает механическую деформацию длинного, тонкого ферромагнитного стержня под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего (создаваемого проводником), по которому проходит электрический ток. В датчиках линейных перемещений Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создает позиционный магнит при пересечении с концентрическим магнитным полем, вызванным электрическим током, что вызывает механическую деформацию в области измерительного элемента в форме стержня. Кроме этого, в датчиках Micropulse применяется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика.

Для создания надежной измерительной системы разработали конструкцию датчика, состоящую из 5 частей (рис. 3):

• измерительный элемент (волновод);

• электроника датчика;

• позиционер - постоянный магнит;

• преобразователь торсионного импульса;

• демпфирующая часть (на конце стержня, которую гасит вторая часть торсионного импульса).

Ферромагнитный измерительный элемент - «стержень» измерительной системы, использующийся как волновод, по которому торсионная ультразвуковая волна распространяется до преобразователя импульсов. Измеряемую позицию определяет положение постоянного магнита, который образует магнитное поле в волноводе. Между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом) отсутствует механическая связь, что обеспечивает длительный срок службы датчиков Баллуфф Micropulse (MTS Temposonics) на основе этого принципа измерения. Наружный диаметр волновода в сенсорах линейных перемещений Micropulse составляет 0.7 мм, а внутренний 0.5 мм.

Измерительный процесс инициируется за счет короткого импульса тока из электронной части сенсора. Радиальное магнитное поле образуется вокруг волновода при перемещении импульса (рис. 3), а при пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера, возникает пластическая деформация магнитострикционного волновода. Вследствие чего, образуется ультразвуковая торсионная волна, которая исключает помехи и искажения сигнала. Скорость распространения волны в волноводе составляет 2830 м/с. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит в преобразователе, в котором сверхзвуковая волна изменяет намагниченность металлической полосы (эффект Виллари). Изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности, возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика.

Преимущества датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse:

• измеряют расстояние с максимальной точностью;

• металлические магнитострикционные материалы имеют стабильные параметры;

• измерительная система надежно защищена от внешних воздействий (вибрация станков).

• Датчики обладают высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

На рис.4 показано детальное исследование различных вариантов схемы преобразователя торсионных импульсов. При этом оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Так образуется наиболее точный сигнал. Для того, чтобы все физические процессы протекали без влияния со стороны внешних воздействий применяют механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала, которые в каждом поколении магнитострикционных датчиков Balluff постоянно совершенствуются и развиваются на современном уровне.