Содержание
Датчики линейных перемещений (сенсоры положения, преобразователи пути) активно используются в различных отраслях промышленности по всему миру. Устройства, основанные на магнитострикционном принципе, отличаются высокой надежностью и точностью, что позволяет применять их в самых сложных условиях автоматизированных производств.
Эти датчики незаменимы там, где требуется точное определение местоположения объекта, движущегося прямолинейно — от гидравлических цилиндров и литьевых машин до бумагорезательных агрегатов. Ведущими производителями магнитострикционных датчиков линейных перемещений признаны компании Balluff (серия Micropulse) и MTS Sensors (линейка Temposonics).
Принцип действия
Магнитострикционный эффект характерен для ферромагнитных материалов — железа, никеля, кобальта и их сплавов. В основе явления лежат уникальные магнитомеханические свойства этих материалов. При помещении ферромагнетика в магнитное поле происходит микроскопическая деформация его кристаллической структуры, приводящая к изменению физических размеров материала.
Это объясняется поведением элементарных магнитных доменов, из которых состоит ферромагнитный материал. Без внешнего магнитного поля ориентация этих доменов хаотична. При воздействии магнитного поля домены выстраиваются вдоль его силовых линий, создавая собственное магнитное поле, которое может в сотни раз превышать внешнее.
На практике магнитострикционный эффект проявляется в незначительном удлинении ферромагнитного стержня при помещении его в параллельное магнитное поле. Величина деформации крайне мала, но достаточна для точных измерений.
В промышленных измерительных системах Micropulse и Temposonics используется частный случай магнитострикции — эффект Видемана, описывающий механическую деформацию (скручивание) длинного ферромагнитного стержня под одновременным воздействием двух магнитных полей: внешнего поля от постоянного магнита и концентрического поля от токового импульса.
Конструкция датчика Micropulse включает пять ключевых компонентов:
-
Измерительный элемент (волновод)
-
Электронный блок обработки сигналов
-
Позиционный магнит
-
Преобразователь крутильных импульсов
-
Демпфирующее устройство
Сердцем системы является ферромагнитный волновод, по которому распространяется ультразвуковая волна кручения. Измеряемое положение определяется расположением постоянного магнита, связанного с объектом измерения. Важно отметить, что между магнитом и волноводом отсутствует механический контакт, что обеспечивает исключительную долговечность устройства.
Измерительный процесс начинается с подачи кратковременного токового импульса по проводнику, расположенному вдоль волновода. В месте пересечения магнитных полей (от токового импульса и постоянного магнита) возникает механическая деформация, генерирующая ультразвуковую волну кручения. Эта волна распространяется вдоль волновода со скоростью 2830 м/с, практически не подверженной влиянию внешних факторов.
На противоположном конце волновода преобразователь фиксирует крутильную волну. Благодаря эффекту Виллари, механические колебания преобразуются в электрический сигнал, который обрабатывается электронным блоком. Точное положение определяется путем измерения времени между отправкой токового импульса и получением ответного сигнала.
Несмотря на кажущуюся сложность, магнитострикционная технология предлагает существенные преимущества:
-
Наивысшая точность измерений
-
Стабильность параметров магнитострикционных материалов
-
Защищенность от внешних воздействий
-
Высокая повторяемость результатов
-
Исключительная надежность
Реализация магнитострикционного принципа в промышленных условиях требует глубоких знаний в области физики магнитных явлений и материаловедения. Инженеры Balluff постоянно совершенствуют конструкцию датчиков, используя накопленный за десятилетия опыт исследований. Особое внимание уделяется оптимизации преобразователя крутильных импульсов, что позволяет регистрировать только крутильную составляющую волны, исключая влияние продольных колебаний.
Использование крутильных волн и специализированной системы их детектирования обеспечивает устойчивость измерений к вибрациям, поскольку крутильные импульсы не возбуждаются внешними механическими воздействиями. Специальная механическая конструкция корпуса и sophisticated электронная схема обработки сигнала гарантируют стабильность работы в самых тяжелых промышленных условиях.
