1. Принцип действия и область применения

1.1 Область применения

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ - ферромагнитные металлы и сплавы и ферримагнитные ферриты, обладающие хорошо выраженными магнитострикционными свойствами; применяются для изготовления магнито-стрикиионных преобразователей. Существуют металлические и ферритовые магнитострикционные материалы.

Из металлических магнитострикционных материалов наиболее употребительны никель и сплавы на его основе, а также железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы. Их используют в поликристаллической форме. Железо-кобальтовый сплав - пермендюр - обладает большей магнитострикцией насыщения и более высокими магнитными и магнитострикционными константами, чем никель, благодаря чему он применяется в мощных излучателях звука. Электромеханические и электроакустические преобразователи из металлических магнитострикционных материалов применяют на частотах до 20-40 кГц, практически без ограничения прочности.

Ферритовые магнитострикционные материалы. К ним относятся ферриты со структурой шпинели - феррит никеля и твердые растворы на его основе. Для электроакустических преобразователей применяют ферриты-шпинели на основе феррита никеля, которые обладают достаточно хорошими константами преобразования, высокой механической добротностью, коррозионной стойкостью. Однако относительно малая механическая прочность и низкие значения магнитострикционной насыщения этих магнитострикционных материалов ограничивают предельную амплитуду излучателей звука из ферритов. Для использования в электромеханических фильтрах, резонаторах путём модификации химического состава созданы образцы керамических ферритов с добротностью свыше 5000 и весьма малыми температурными коэффициентом резонансной частоты сердечников. Они применяются на частотах от 104 до 106 Гц. [1]

1.2 Принцип действия

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как железо, никель, кобальт и сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства этих материалов. То есть, если ферромагнетик находится в области магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его молекулярной структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение

объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, из

которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу  в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В этих  так называемых доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. При приложении магнитного поля , домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу. Таким образом, получаются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее  магнитное поле в сотни раз. Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение. Но в реальности удлинение посредством магнитострикционного эффекта очень мало. (рисунок 1.1) [1]

Рисунок 1.1 - Магнитострикционный эффект

Магнитострикционный эффект обуславливается совокупностью магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, соответственно его можно оптимизировать посредством создания специальных сплавов и управлять с помощью направленного действия внешнего магнитного поля. В промышленных измерительных системах Temposonicsиспользуется магнитострикционный эффект, который называется эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений MTS Sensors внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом, которое при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня(рисунок 1.2). Так же, в датчиках Temposonics используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением  магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией. [1]

Рисунок 1.2 - Ферромагнитный стержень

Чтобы превратить изложенные выше физические основы в надежно работающую измерительную систему, была предложена конструкция датчика, представленная на рисунке 1.3. Датчик линейных перемещений Temposonicsсостоит из 5 основных частей: [1]

• измерительный элемент  (волновод);

• электроника датчика;

• позиционер в виде постоянного магнита;

• преобразователь торсионного импульса;

• демпфирующая часть.

Рисунок 1.3 – Общая схема

«Стержнем» измерительной  системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного

магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. Здесь нужно подчеркнуть, что между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом), полностью отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков MTS Temposonics на основе этого принципа измерения.

При измерении короткий импульс тока посылается из электронной части сенсора с помощью волновода. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (Рис.3). При пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера, возникает ,согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высокодинамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится и ,таким образом, помехи и искажения сигнала исключаются. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. [1]

Торсионная ультразвуковая волна перемещается по волноводу с постоянной скоростью звука. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципа измерения, на котором созданы  датчики линейных перемещений Temposonics, очевидны несколько преимуществ, которыми они обладают: измерять расстояние можно с наивысшей точностью; металлические магнитострикционные материалы обладают долговременными и очень стабильными параметрами; благодаря ноу-хау компании MTS Sensors – специальному дизайну и конструкции датчика, вся измерительная система надежно защищена от внешних воздействий, например от вибрации станков. Из суммы этих преимуществ получаем высокоточные датчики перемещения MTS Temposonics , обладающие высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью. [1]

 Рисунок 1.4 – Вариант конструкции преобразователя торсионных импульсов

Воплощение магнитострикционного принципа в измерительную систему, удовлетворяющую суровым требованиям промышленного производства, ставит высокие требования к возможностям и компетенции производителя датчиков. Инженеры MTS обладают фундаментальными физическими знаниями, накопленную за десятилетия лабораторных опытов информацию по магнитострикционным материалам.

Например, были детально исследованы различные варианты схемы преобразователя торсионных импульсов, которые представлены на рисунке 1.4. При этом оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте (рисунок 1.3). Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. [1]

Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную (скручивающую) волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией.

Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, MTS использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Причем в каждом поколении датчиков Temposonic конструкция и схема совершенствуются и развиваются, находясь на самом современном уровне.[1]