Рис. 3.1. Принцип действия магнитострикционного датчика
В результате взаимодействия этих двух полей в волноводе возникает упругомеханическая волна возбуждения, которая распространяется с ультразвуковой скоростью от местоположения вдоль волновода (эффект Видемана). Физический механизм возникновения волны без ущерба для научной строгости изложения может быть объяснен как результат взаимодействия спиновых моментов электронов внешней оболочки атомов магнитострикционного материала с внешним магнитным полем.
Спины результирующего импульса тока и постоянного магнита позиционирования изменяют энергию связи электронов внешней орбиты.
В результате в кристаллической решетке возникают упругие напряжения (магнитострикция), позволяющие «релаксировать» электронам в состояние с более низкой энергией. Дополнительно в точке постоянного магнита возникает волна упругомеханического возбуждения, которая и используется для оценки позиционирования.
Детектор датчика, находящийся в измерительной головке, состоит из электромагнитной катушки, сердечником которой является лента из фрикционного материала, к волноводу датчика. Все устройство помещается в магнитное поле постоянного магнита смещения.
Упругомеханические волны, возбуждаемые короткими импульсами тока (1–2 мкс), распространяются по волноводу с ультразвуковой скоростью около 3000 м/с.
На рис. 3.2 представлен вид детектора упругомеханической волны.
Рис. 3.2. Внешний вид промышленного детектора упругомеханической волны
При переходе упругомеханической волны магнитная проницаемость последней приводит к изменению магнитных свойств при появлении дополнительных напряжений в кристаллической решетке.
Результирующая плотность магнитного потока через катушку изменяется. Время распространения этой волны пропорционально длине измеряемого перемещения детали.
Упругомеханическая волна распространяется по волноводу и в противоположном направлении. И для того чтобы избежать возможных помех, связанных с сигналом, отраженным от границы волновода, энергия этой части волны поглощается демпфирующим устройством, сигнал которого останавливает локальное магнитное поле (эффект Виллари).
3.1.2. Магнитострикционные датчики разных производителей
Датчики компании Megatron
Рассмотрим вариативные особенности конструктивного исполнения магнитострикционных датчиков. Этот вид измерительных устройств разрабатывается в неблагоприятной внешней среде, например в условиях высокой запыленности в цехах деревообработки. На рис. 3.3 представлен внешний вид магнитострикционного датчика компании Megatron.
Рис. 3.3. Внешний вид магнитострикционного датчика компании Megatron
Датчики компании ASM
Магнитострикционные датчики компании ASM позволяют определять линейное перемещение в диапазоне до 5,75 м (10 типономиналов) и отличаются конструктивным разнообразием. Выпускаются модели с внешним магнитом позиционирования (PCQA 22), с магнитом, скрытым в кожухе волновода (PCQA 23, PCRP 21), в особо плоском исполнении PCFP 22 (толщина 12 мм), а также взрывобезопасная серия датчиков типа PCST 21E.
Большим разнообразием отличается представление выходной информации: кроме стандартных аналоговых выходов, есть возможность встраивания на заказ наиболее распространенных интерфейсов – SSI, CANop, DeviceNet, Profibus [3].
Эффективность применения магнитострикционных датчиков в современной электронике обусловлена их основными преимуществами: абсолютный принцип измерения – движение подвижной детали оборудования непосредственно постоянным магнитом позиционирования – нуждается в юстировке нулевой позиции.
Из отличительных качеств необходимо отметить: устойчивость к влаге, степень защиты IP-67; высокая устойчивость к вибрации и ударам – бесконтактное (относительно волновода) прохождение волны возбуждения по волноводу не зависит от механических воздействий; высокое разрешение позиционирования ~2 мкм; отсутствие электропитания позиционирующего магнита (автономный режим).
Магнитострикционные датчики обеспечивают измерения в очень широком диапазоне – при этом отсутствуют условия износа трущихся активных поверхностей.
3.1.3. Магнитострикционные датчики линейного перемещения
Современные магнитоиндуктивные датчики линейных перемещений ряда WIM работают с использованием индуктивного принципа действия. Выходной сигнал датчика – ток или напряжение (4…20 мА или 0…10 В), пропорциональные положению магнитного датчика. При этом датчики компактны и, кроме того, нечувствительны к небольшим боковым смещениям датчика положения.
Имея воспроизводимость 0,5 %, такие устройства обеспечивают точные значения позиции.
Температурный дрейф составляет 0,09 %/°С. Имея подобные характеристики, этот ряд заполняет промежуток между чисто дискретным позиционированием и высокоточными измерительными электронными системами. С помощью WIM-датчиков можно просто и экономично решить многочисленные задачи не только в классическом машиностроении, но и в других отраслях: робототехника, грузоподъемная техника и др.
Внимание, важно!
В связи с тем, что датчик положения имеет осевую намагниченность, он нечувствителен к поворотам самого магнита. Поэтому они могут использоваться во многих случаях, когда установлен намагниченный в направлении определения расстояния датчик положения, например при измерении потоков с помощью качающегося флажка или в подъемных вентилях. При этом имеющийся магнит во многих случаях может и далее использоваться, что существенно упрощает переоборудование.
Магнитоиндуктивные датчики линейных перемещений имеют три диапазона измеряемых перемещений (30 мм, 70 мм и 110 мм), четыре различных датчика положения и прочное механическое исполнение. Благодаря этому, а также бесконтактному принципу работы они имеют универсальное применение.
На индуктивный датчик перемещений WI70 воздействует короткозамкнутое кольцо, в которое входит чувствительный элемент датчика. Короткозамкнутое кольцо может быть специально изготовленным объектом. Но короткозамкнутым кольцом может являться и глухое отверстие в детали, и отверстие в листе металла. Поэтому упрощаются сфера и возможности применения датчика.
Датчики линейных перемещений, работающие на магнитострикционном принципе TURCK, служат для измерения перемещений в диапазоне от 100 до 4500 мм. Они работают бесконтактно на магнитострикционном принципе и при разрешении 16 бит имеют точность, близкую к мкм-диапазону. Предлагаются стандартный и экономичный варианты.
В обоих измерительный диапазон подстраивается для конкретного применения путем простейшего программирования. Стандартный ряд имеет дополнительно трехцветный светодиод индикации режимов работы, а также настройку на силу внешнего магнитного поля.
Экономичный (LC) ряд вследствие его более низкой цены лучше всего подходит для применения в стандартных установках.
Датчики линейных перемещений TURCK являются наилучшим решением для многочисленных применений: имея диапазон рабочих температур -40…+70 °C и вид защиты IP67, эти датчики удовлетворяют самым жестким требованиям. Минимальная высота корпуса (только 21 мм), а также очень маленькие мертвые зоны (только 76,2 мм в начале и 38,1 мм в конце датчика) позволяют применение датчика в ограниченных пространствах.
Стандартизованный разъем М12х1 существенно облегчает подключение датчика. С помощью новых датчиков линейных перемещений могут решаться задачи позиционирования с высокой точностью во многих отраслях:
• металло– и деревообрабатывающие станки;
• прессовое оборудование;
• формовочное, прокатное и литейное оборудование;
• термоавтоматы и др.
Новые магнитоиндуктивные датчики линейных перемещений модельного ряда WIM функционируют на новом индуктивном принципе работы. Их выходной сигнал представляет собой ток или напряжение, пропорциональные расстоянию магнита – датчика положения от самого датчика. Эти датчики в зарубежной литературе имеют также название «датчики линейных перемещений типа TURCK»; они служат для измерения перемещений в диапазоне от 100 до 4500 мм.
Такие электронные устройства работают бесконтактно на магнитострикционном принципе и при разрешении 16 бит имеют точность, близкую к мкм-диапазону. Измерительный диапазон при конкретном применении подстраивается путем простейшего программирования.
На рис. 3.4 представлен функционал датчика линейных перемещений.
Рис. 3.4. Функционал датчика линейных перемещений
На производстве датчики линейных перемещений можно встретить нередко. На рис. 3.5 представлен вид пресса, в котором задействован датчик линейных перемещений.
Рис. 3.5. Датчик линейных перемещений обеспечивает контроль работы мощного пресса
LTX250M-R10-LU0-X3-H1151
Эти разновидности магнитострикционных датчиков LTX250M-R10-LU0-X3-H1151 предназначены для гидравлических цилиндров.
Датчик устойчив к давлению до 340 бар (постоянно), 680 бар (краткосрочно). Ударостойкость до 1000 g. Индикация статуса: 3 светодиода, разрешение 16 бит. Программируемый измерительный диапазон.
Рабочая температура стержня от -40 до +105 °C.
Рабочая температура электроники от -40° до +85 °C.
Степень защиты IP68.
Питание 7…30