ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Шувалова Ирина Владимировна

студентка 4 курса, ФИОТ, ПГТА, г. Пенза

Е-mail: irinashuvalova@me.com

Володин Василий Анатольевич

студент 4 курса, ФИОТ, ПГТА, г. Пенза

Е-mail: Yahuu92@mail.ru

Ермолаев Николай Александрович

научный руководитель, канд. тех. наук, доцент. каф. «Информационные технологии и системы» ПГТА, г. Пенза

Карпухин Эдуард Владимирович

научный руководитель, доцент каф. «Электроника и электротехника» ПГТА, г. Пенза

Магнитострикционные преобразователи перемещений (МПП) нашли применение во многих отраслях современной промышленности. Работая в составе систем автоматического регулирования, они позволяют решать широкий круг задач и гарантируют высокую точность полученных результатов. Их отличает широкая область возможного применения, низкая себестоимость, простота конструкции, высокое быстродействие и разрешающая способность [1, 2].

Принцип работы МПП основан на возбуждении и считывании акустических сигналов в среде магнитострикционного звукопровода [1, 2].

Известно, что на этот процесс в наибольшей степени оказывают влияние внешние дестабилизирующие факторы среды, такие как температура  и упругие напряжения  [2]. В связи с этим возникает необходимость учета этих факторов при проведении математического моделирования МПП на УЗВ кручения.

Создание в среде ферромагнетика продольных  или крутильных  напряжений приводит к нарушению исходной доменной структуры в результате сложных обменных энергетических процессов, зависящих от предыстории состояния материала. Это в свою очередь вызывает изменение магнитной восприимчивости , магнитной проницаемости , коэффициента магнитострикции , удельного электрического сопротивления  материала [3].

Установлено, что изменение магнитной восприимчивости  ферромагнитного материала звукопровода МПП под действием растягивающих напряжений  происходит по закону [2]:

,                                      (1)

где:  — начальная магнитная восприимчивость материала,

 — коэффициент энергетических потерь на гистерезис,

 — коэффициент продольного напряжения.

Изменение магнитной восприимчивости  (1) приводит к изменению магнитной проницаемости  и коэффициента магнитострикции  в соответствии с выражениями [2]:

,                                               (2)

.                                                (3)

Графики зависимостей (2), (3) для сплава Ю14 приведены на рисунке 1.

Как видно на рисунке 1, с ростом растягивающих напряжений  магнитная проницаемость  уменьшается, а коэффициент магнитострикции  увеличивается.

Другим фактором, заметно влияющим на параметры магнитострикционного звукопровода МПП, является температура  окружающей среды. Её воздействие учитывается через коэффициент температурного изменения , определяемый в соответствии с выражением [2]:

,                                              (4)

где:  — текущее значение температуры,

 — температура фазового перехода второго рода (точка Кюри),

 — показатель влияния температуры на параметр материала.

Исследования показывают, что повышение температуры , приводит к изменению коэффициента магнитострикции  по зависимости [2]:

,                                      (5)

а магнитная проницаемость  материала магнитострикционного звукопровода МПП изменяется в соответствии с выражением [2]:

.                                          (6)

а)                                                       б)

Рис. 1. Влияние растягивающего усилия  на магнитную проницаемость  (а) и коэффициент магнитострикции  (б) сплава Ю14

Результаты моделирования (5) и (6) для различных магнитострикционных материалов звукопровода МПП приведены на рисунке 2.

Еще одним фактором, влияющим на коэффициент магнитострикции  материала магнитострикционного звукопровода МПП, является гистерезис магнитострикции, возникающий при наличии продольного магнитного поля постоянного магнита в зоне магнитоупругого преобразования. При этом коэффициент магнитострикции  изменяется в зависимости от напряженности  продольного поля  в соответствии с известным выражением [2]

,                                 (7)

где:  — коэффициент коэрцитивности,

 — коэффициент напряженности магнитного поля,

 — коэрцитивная сила ферромагнетика.

Для учета совместного влияния рассмотренных дестабилизирующих факторов, воспользовавшись выражениями (2) — (7), окончательно запишем:

;                                     (8)

.                                  (9)

а)                                                б)

Рисунок 2. Зависимости коэффициента магнитострикции  (а) и магнитной проницаемости (б) от температуры

Модели выражений (8), (9) для сплава Ю14 приведены на рисунке 3.

Как было показано в ряде работ [2, 3], влияние отмеченных внешних дестабилизирующих факторов среды на электрические параметры магнитострикционного звукопровода МПП, является незначительным и при моделировании им можно пренебречь.

В результате, под действием геликоидального магнитного поля в среде магнитострикционного звукопровода МПП формируются УЗВ кручения, распространяемые в обе стороны от места прямого магнитострикционного преобразования.

а)                                                       б)

Рисунок 3. Совместное влияние температуры  и растягивающих усилий  на магнитную проницаемость  (а) и коэффициент магнитострикции  (б)

Таким образом, проведенное моделирование показывает, что изменение температуры  и наличие растягивающих усилий  в значительной степени влияют на основные характеристики МПП на УЗВ кручения. При этом увеличение упругих напряжений , можно использовать в качестве температурной компенсации, для поддержания значения коэффициента магнитострикции  в рабочем диапазоне и тем самым расширить температурный диапазон данного вида преобразователей перемещений.

Список литературы:

1.Демин С.Б. Магнитострикционные системы для автоматизации технологического оборудования: Монография. Пенза: ИИЦ ПГУ, 2002. — 182 с.

2.Карпухин Э.В. Моделирование магнитных полей магнитострикционных преобразователей перемещений / Э.В. Карпухин, С.Б. Демин, А.А. Воронцов, Н.А. Ермолаев // Наука и образование — 2011: Сб. статей международной НТК. Мурманск: МГТУ, 2011. — C. 85—91.

3.Надеев А.И. Математическая модель прохождения магнитострикционного импульса по цилиндрическому звукопроводу/А.И. Надеев, А.И. Мащенко, И.П. Мащенко// Сборник научных трудов АГТУ. Серия «Морская техника и технология». Астрахань: АГТУ, 2000. — C. 150—155.