Козлов О.Ю. менеджер ТОВ "Техноком-Ост"
У всьому світі два десятиліття з успіхом застосовуються датчики лінійних переміщень (або як їх ще називають: датчики лінійного положення, датчики та вимірювачі шляху). Світовим лідером і піонером у виробництві даних сенсорів є компанія MTS Sensors, відділення американської корпорації MTS Systems. Цей підрозділ було створено в 1984 році після покупки MTS компанії Temposonics Inc, зараз, Temposonics - торгова марка, яку можна бачити на будь-якому магнітострикційному датчику переміщення MTS Sensors.
Магнітострикція була виявлена тільки в феромагнітних матеріалах, таких як залізо, нікель, кобальт і сплавах. Основою принципу магнитострикции є магнітомеханічне властивості цих матеріалів. Тобто, якщо ферромагнетик знаходиться в області магнітного поля, то воно викликає мікроскопічну деформацію його молекулярної структури, що призводить до зміни фізичних розмірів феромагнетика. Така поведінка пояснюється існуванням незліченної кількості маленьких елементарних магнітів, з яких складається феромагнітний матеріал. Вони будуть прагнути встановитися паралельно один одному в межах обмежених просторових областей, вже без зовнішнього магнітного поля. У цих так званих доменах, все елементарні магніти спрямовані однаково. Але первинний розподіл доменів хаотично і зовні феромагнітна тіло здається немагнітним. При додатку магнітного поля. домени шикуються у напрямку цього поля і вирівнюються паралельно один одному.
Магнітострикційний ефект обумовлюється сукупністю магнітних і механічних властивостей феромагнітних матеріалів, відповідно його можна оптимізувати за допомогою створення спеціальних сплавів і управляти за допомогою направленої дії зовнішнього магнітного поля. У промислових вимірювальних системах Temposonics використовується магнітострикційний ефект, який називається ефект Видемана. Він описує механічну деформацію (скручування) довгого, тонкого феромагнітного стрижня, який знаходиться під впливом двох магнітних полів: зовнішнього і внутрішнього, створюваного провідником, по якому протікає електричний струм. У датчиках лінійних переміщень MTS Sensors зовнішнє магнітне поле створюється позиційним магнітом, яке при перетині з концентричних магнітним полем, створюваним електричним струмом, викликає механічну деформацію в невеликій області вимірювального елемента в формі стрижня (Рис.2). Так само, в датчиках Temposonics використовується так званий, Магнітопружний ефект (або ефект Виллари). Він пов'язаний зі зміною магнітних властивостей феромагнетика, наприклад, намагніченості феромагнітного бруска, яке викликається поздовжньої деформацією.
Щоб перетворити викладені вище фізичні основи в надійно працюючу вимірювальну систему, була запропонована конструкція датчика, представлена на малюнку 3. Датчик лінійних переміщень Temposonics складається з 5 основних частин:
-вимірювальний елемент (хвилевід);
-позиционер у вигляді постійного магніту;
-перетворювач торсіонного імпульсу;
-демпфуюча частина (на кінці стрижня, в якій гаситься друга частина торсіонного імпульсу).
«Стрижнем» вимірювальної системи є феромагнітний вимірювальний елемент, що використовується як хвилевід, через який поширюється торсіонна ультразвукова хвиля до перетворювача імпульсів. Вимірюється позиція визначається положенням постійного магніту, який оточує хвилевід. Цей магніт створює магнітне поле в волноводе і пов'язаний з об'єктом вимірювання. Тут потрібно підкреслити, що між позиционером (магнітом) і вимірювальним елементом (хвилеводом), повністю відсутня механічна зв'язок. Це гарантує дуже довгий термін служби датчиків MTS Temposonics на основі цього принципу вимірювання.
При вимірі короткий імпульс струму надсилається з електронної частини сенсора за допомогою хвилеводу. При переміщенні імпульсу виникає радіальне магнітне поле навколо хвилеводу (Рис.3). При перетині з магнітним полем постійного магніту-позиционера, виникає, відповідно до ефекту Видемана, пластична деформація магнитострикционного хвилеводу, яка є високо динамічною процесом, внаслідок швидкості токового імпульсу. Через це виникає ультразвукова торсіонна хвиля, яка поширюється від місця виникнення в обидва кінці хвилеводу, проте в одному з кінців вона повністю гаситься і, таким чином, перешкоди і спотворення сигналу виключаються. Детектування і обробка торсіонного імпульсу відбувається на іншому кінці хвилеводу в спеціальному перетворювачі. Перетворювач торсіонних імпульсів складається з розташованої поперек хвилеводу і жорстко пов'язаної з ним смуги з магнитострикционного металу; детектуючої котушки індуктивності і одного нерухомого постійного магніту.
У перетворювачі торсіонного імпульсу, надзвукова хвиля викликає зміна намагніченості металевої смуги згідно ефекту Виллари, вже згадуваному. Наступне з цього тимчасова зміна поля постійного магніту індукує електричний струм котушці індуктивності. Цей виникає електричний сигнал остаточно обробляється електронікою датчика.
Торсіонна ультразвукова хвиля переміщається по волноводу з постійною швидкістю звуку. Точне визначення позиції виходить виміром часу між стартом токового імпульсу і часу виникнення відповідного електричного сигналу, яке визначається в перетворювачі торсіонних імпульсів при детектуванні ультразвукової хвилі.
При зовнішній складності принципу вимірювання, на якому створені датчики лінійних переміщень Temposonics. очевидні кілька переваг, якими вони володіють: вимірювати відстань можна з найвищою точністю; металеві магнітострикційні матеріали володіють довгостроковими і дуже стабільними параметрами; завдяки ноу-хау компанії MTS Sensors - спеціальному дизайну і конструкції датчика, вся вимірювальна система надійно захищена від зовнішніх впливів, наприклад від вібрації верстатів. Із суми цих переваг отримуємо високоточні датчики переміщення MTS Temposonics. мають найвищу повторюваністю вимірювань і дуже великою надійністю.
Втілення магнитострикционного принципу в вимірювальну систему, що задовольняє суворим вимогам промислового виробництва, ставить високі вимоги до можливостей і компетенції виробника датчиків. Інженери MTS володіють фундаментальними фізичними знаннями, накопичену за десятиліття лабораторних дослідів інформацію по магнітострикційним матеріалами.
Наприклад, були детально досліджені різні варіанти схеми перетворювача торсіонних імпульсів, які представлені на малюнку 4. При цьому виявилося, що оптимальна конструкція перетворювача повинна бути такою, як на варіанті 3. Саме так виходить найбільш впевнений і точний сигнал, так як реєструється тільки торсіонна частина механічної хвилі, а поздовжні коливання не впливають на результат вимірювання.
Застосування торсіонних хвиль і реєструє системи, яка реагує тільки на торсионную (скручує) хвилю, дозволяє не боятися впливу вібрації на процес вимірювання, так як торсіонний імпульс можна викликати зовнішньої механічної вібрацією.
Для того, щоб всі фізичні процеси принципу вимірювання могли протікати без впливу з боку зовнішніх впливів, MTS використовує спеціальні механічну конструкцію корпусу і електронну схему при обробці сигналу. Причому в кожному поколінні датчиків Temposonic конструкція і схема удосконалюються і розвиваються, перебуваючи на найсучаснішому рівні.
Дізнатися про основні сучасних моделях магнітострикційних датчиків переміщення, які поставляються на ринок можна дізнатися тут: /articles/47/element_1137.html.