МАГНИТОСТРИКЦИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

MAGNETOSTRICTION IN MEASURING TECHNOLOGY

Anastasiya Vasileva

Student, faculty of Avionics, Energy and Infocommunications, Ufa University of Science and Technology,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

В настоящее время автоматизация производственных процессов является одной из главных областей развития в науке. Существует достаточно много способов реализации данного направления. Одним из широко используемых методов осуществления автоматизации производственного процесса являются магнитострикционные преобразователи.

В данной статье предлагается рассмотреть, что же такое магнитострикция и в чем заключается принцип работы магнитострикционного преобразователя положения.

ABSTRACT

The automation of production processes is one of the main areas of development in science nowadays. There are many ways to implement this direction. Magnetostrictive converters are one of the widely used methods for automating the production process.

In this article, it is proposed to consider what is magnetostriction and what is the principle of operation of a magnetostrictive linear displacement converter.

Ключевые слова: магнитострикция, магнитострикционный преобразователь, преобразователь перемещений.

Keywords: magnetostriction, magnetostrictive effect, magnetostrictive converter, displacement converter.

Для начала стоит ответить на вопрос: что такое магнитострикция?

Первооткрывателем данного явления является Дж. Прескотт Джоуль. В 1841 году ученый опубликовал статью, в которой описал результаты своих наблюдений за поведением металлических предметов при помещении их в магнитное поле. Кратко суть открытого им явления можно описать следующим образом [1]:

• При охлаждении ферромагнитных материалов ниже точки Кюри они начинают проявлять свойства постоянных магнитов.
• Одновременно с этим наблюдается деформация кристаллической решетки выбранной заготовки.
• Происходящие изменения вызывают увеличение геометрических размеров исследуемых предметов.

Обобщив вышеописанное, можно сделать вывод, что данное явление происходит вследствие деформации кристаллической решетки ферромагнетика, находящегося под действием сильного магнитного поля, что приводит к изменению степени намагниченности ферромагнитного тела.

Теперь определив кем, было открыто данное явление и в чем его суть мы можем дать определение магнитострикции.

Магнитострикция – это явление, при котором изменяется форма и размеры тела, вследствие деформации его кристаллической решетки, при его намагничивании. Это явление наиболее свойственно сильно магнитным (ферромагнитным) веществам, так как в них магнитное взаимодействие частиц особенно велико, но также встречается в парамагнитных и диамагнитных веществах.

Данное явление можно объяснить следующим образом. Ферромагнитный материал имеет в своем составе бесчисленное количество маленьких элементарных магнитов. Все элементарные магниты имеют одинаковое направление в пределах ограниченных пространственных областей (доменах). Изначально домены располагаются хаотично и снаружи ферромагнитное тело не имеет магнитных свойств. Когда к ферромагнитному телу прикладывается магнитное поле, домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу. Таким образом, домены получают свои собственные магнитные поля, и в следствии, ферромагнитное тело испытывает механическую деформацию и получает линейное удлинение в направлении магнитного поля (Рисунок 1).

Рисунок 1. Удлинение ферромагнитного тела под действием магнитострикционного эффекта

Источник: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=534939

Магнитострикция оценивается безразмерной величиной − относительным изменением размеров магнетика λ = , где l - удлинение (или укорочение) при включении магнитного поля H, а l - длина образца [2].

Также стоит отметить, что существует обратный магнитострикционный эффект. Суть данного явления заключается в том, что при деформации ферромагнитного тела происходит изменение его намагниченности. Также обратной магнитострикционный эффект по-другому можно назвать эффектом Виллари, в честь открывшего данный эффект итальянского физика. Эффект Виллари обусловлен изменением под действием механических напряжений доменной структуры ферромагнетика, определяющей его намагниченность [2].

В промышленных измерительных системах используется магнитострикционный эффект, который называется эффектом Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который подвергается воздействию двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток [2].

Примером использования магнитострикционного эффекта в измерительных системах может служить магнитострикционный преобразователь линейных перемещений MTS Sensors Temposonics.

Конструкция датчика линейных перемещений Temposonics представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2. Конструкция датчика линейных перемещений.

Источник: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=534939

Датчик линейных перемещений Temposonics состоит из 5 основных частей:

• измерительный элемент (волновод);
• электронная часть датчика;
• постоянный магнит;
• преобразователь торсионного импульса;
• демпфирующая часть (на конце стержня, в которой гасится вторая часть торсионного импульса).

По ферромагнитному измерительному элементу (волноводу) распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле и связан с объектом измерения. Из блока электроники с помощью волновода посылается короткий импульс тока, который при перемещении создает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок 2). При пересечении  магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем, образовавшимся при перемещении короткого импульса тока внутри волновода, согласно эффекту Видемана, происходит пластическая деформация магнитострикционного волновода. Вследствие этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода с постоянной скоростью звука. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). В одном из концов она полностью гасится, таким образом, исключая помехи и искажения. На другом конце волновода располагается преобразователь торсионных импульсов, за счет него происходит детектирование и обработка торсионного импульса. 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 эффекту Виллари. После этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электронной частью датчика. 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.

Преимуществом магнитострикционного преобразователя линейных перемещений является, то, что такой тип датчиков является одним из наиболее устойчивых к тяжелым условиям эксплуатации, а также стоит отметить, что конструкция данного преобразователя не включает в себя механически изнашиваемые части, что увеличивает срок его службы и не требует особенного технического обслуживания. Магнитострикционный преобразователь имеет высокую помехозащищенность, что помогает ему сохранять в работе высокую точность измерений. Следовательно, можно сделать вывод, что данный датчик наиболее точен и прост в эксплуатации и использование такой измерительной системы является эффективным решением для автоматизации производственных процессов.

Список литературы:

1. Магнитострикция. Свойства и применение. Особенности: [Электронный ресурс] // Информационно-познавательный сайт «ЭЛЕКТРОСАМ.РУ». URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitostrikciya/. (Дата обращения: 02.07.2023).
2. Использование магнитострикционного эффекта для измерения физических величин: [Элетронный ресурс] // Элетронная библиотека студента Библиофонд. Минск. 2010. URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=534939. (Дата обращения: 02.07.2023)
3. Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Micropulse и Temposonics: [Электронный ресурс]. URL: https://sensor365.ru/stati/princip-dejstviya-magnitostrikcionnyh-datchikov-linejnyh-peremewenij/. (Дата обращения: 02.07.2023)