Теория магнитостриктивных датчиков

Магнитострикция — это свойство некоторых кристаллических, обычно ферромагнитных материалов, таких как железо, никель и кобальт, изменять размер и (или) форму при взаимодействии с внешним магнитным полем. Явление изменения размера и формы материала в магнитном поле представляет собой магнитостриктивный эффект.

Явление магнитострикции было открыто Дж. Джоулем в 1842 году. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, а также ряде сплавов и ферритах). Эта характеристика материала не изменяется со временем.

Считается, что материал характеризуется положительной магнитострикцией, если он расширяется при помещении в магнитное поле, и отрицательной магнитострикцией, если размеры материала уменьшаются. Средняя величина магнитострикции в основных металлах и простых магнитострикционных сплавах небольшая — порядка 1 мкм/м.

Рис. 23. Иллюстрация теории и принципа действия магнитостриктивных преобразователей: а, б — иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном стержне под действием внешнего магнитного поля B: а — хаотичное распределение магнитных моментов доменов в отсутствие поля; б — упорядочение магнитных моментов доменов при намагничивании внешним полем; L₀ — начальная длина стержня при B = 0; ΔL— удлинение при намагничивании; в, г— иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном проводнике с током I; в— распределение магнитных моментов доменов под действием магнитного поля тока B; г— скручивание магнитных моментов доменов под действием аксиального магнитного поля: 1— доменный стержень; 2— аксиальный постоянный магнит; д— измерительный принцип магнитостриктивных датчиков MTS: 1— волновод; 2— постоянный магнит-цель; 3— измерительная лента; 4— сенсорная обмотка; 5— постоянный магнит, смещающий обмотку; 6— изоляционная трубка; 7— демпфер; I— импульсный ток; B— скручивающий импульс (направление распространения импульса показано стрелками); е— типичный магнитостриктивный датчик абсолютного линейного положения: 1— сенсорный стержень (волновод в защитной трубке); 2— постоянный магнит-цель; 3— электронный блок — магнитостриктивный датчик и интегрированная электроника обработки сигнала в корпусе; 4— терминалы преобразователя; 5— элемент крепления устройства

Для того чтобы объяснить явление магнитострикции, ферромагнитный материал рассматривается как физическая совокупность доменов — областей из многих атомов — малых постоянных магнитов, характеризующихся магнитными моментами. В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов в пространстве располагаются хаотично. При намагничивании материала домены выстраиваются вдоль своих легких осей намагниченности так, что магнитные моменты стремятся к параллельности друг другу и внешнему магнитному полю (рис. 23а, б).

На рис. 23б показано, что напряженность магнитного поля H при B>0 вызывает изменение размеров тела (длины стержня L₀) вследствие выравнивания магнитных моментов доменов.

Таким образом, магнитостриктивные материалы преобразуют магнитную энергию в механическую, и наоборот. Намагничивание вызывает механическое напряжение магнитостриктивного материала, которое и приводит к изменению длины.

Поскольку приложение магнитного поля вызывает механическое напряжение, которое изменяет физические свойства магнитостриктивного материала, существует и обратный магнитостриктивный эффект, называемый эффектом Виллари: приложение внешней силы, образующей напряжение в магнитостриктивном материале (растяжение, кручение, изгиб и т. д.), изменяет магнитные свойства (магнитную проницаемость) материала.

Это двунаправленное сочетание магнитных и механических свойств обеспечивает преобразовательную способность и используется для создания как магнитостриктивных датчиков, так и исполнительных устройств.

Для создания магнитостриктивных датчиков положения применяются и прямой магнитостриктивный эффект, и эффект Виллари.

Магнитостриктивный эффект, представляющий собой взаимодействие внешнего магнитного поля с доменами, зависит от свойств материала — состава и способов обработки сплава (термического отжига, холодной обработки), а также от напряженности магнитного поля. Управление упорядочением доменов может быть оптимизировано правильным подбором перечисленных свойств и параметров.

Ферромагнитные материалы, используемые в магнитостриктивных датчиках положения, — это переходные металлы: никель, железо, кобальт. В переходных металлах третья электронная оболочка, удаленная от ядра, не заполнена на 100%, что допускает образование магнитного момента электрона. Магнитное поле вызывает изменение энергетического состояния электронов и увеличение расстояний между узлами в кристаллической решетке. Для того чтобы возвратить состояние низкой энергии электронов на поверхности, в кристалле возникает механическое напряжение.

Для создания датчиков линейного положения на основе проводов с током, изготовленных из магнитостриктивного материала, используется обусловленный магнитострикцией эффект Видемана — механическое закручивание ферромагнитного магнитостриктивного стержня с протекающим вдоль стержня электрическим током при одновременном действии на него кругового магнитного поля, созданного током, и продольного (спирального) магнитного поля (рис. 23 в, г).

На рис. 23г проиллюстрирован эффект Видемана, который состоит в скручивании вследствие аксиального магнитного поля, приложенного к ферромагнитному стержню, по которому протекает электрический ток.

Известен также эффект, обратный эффекту Видемана, — эффект Матисси (Matteucci), сходный с эффектом Виллари. Он состоит в создании магнитного поля, когда материал подвержен крутящему моменту.

На практике способность магнитостриктивных материалов преобразовывать механическую энергию в магнитную используется в датчиках крутящего момента, а способность преобразовывать магнитную энергию в механическую делает их подходящими для создания исполнительных устройств.

Если к магнитостриктивному стержню приложить импульс тока короткой длительности в 1 или 2 мкс, будет получено скручивание в месте локализации аксиального магнитного поля, обычно от постоянного магнита, вследствие взаимодействия магнитного поля магнита с полем тока в стержне. Минимальная плотность тока наблюдается вдоль центра проводов, максимальная (вследствие скин-эффекта) — на поверхности проводов. Интенсивность магнитного поля также наибольшая на поверхности проводов. Поскольку к стержню прикладывается импульсный ток, механические скручивания распространяются в стержне, вызывая ультразвуковую волну, для которой магнитостриктивный стержень является волноводом. Скорость распространения волны составляет приблизительно 3000 м/с.

Принцип действия магнитостриктивного датчика линейного положения проиллюстрирован рис. 23г, д.

Аксиальное магнитное поле обеспечивается целью — постоянным магнитом, связанным с детектируемым объектом, например, гидравлическим цилиндром. Положение цели изменяется и детектируется.

Волновод представляет собой стационарную часть датчика, размещенную внутри корпусазащитной изоляционной трубки, изолирующей волновод (экранирующей) от внешней среды. Присутствие магнита определяется при первом приложении токового импульса к волноводу, поскольку благодаря возникающему в стержне эффекту Видемана отраженная волна достигает импульсного измерительного блока в концевой части волновода. Для точного измерения положения момент подачи токового импульса регистрируется микроконтроллером, который включает таймер до момента регистрации датчиком отраженного импульса, после чего микроконтроллер выключает таймер. Зафиксированное таймером время распространения волны на известной скорости соответствует расстоянию между магнитом и датчиком, или абсолютному положению магнита.

На рис. 83д показан индуктивный импульсный измеритель в сенсорном блоке датчика, который функционирует на основе эффекта Виллари. В индуктивном измерителе лента из магнитостриктивного материала приваривается к волноводу близ одного его конца. Магнитостриктивная лента является сердечником для обмотки, смещаемой постоянным магнитом. Ультразвуковая волна распространяется, достигая окончания ленты, и механическое напряжение, наводимое в ленте волной, вызывает волну изменения магнитной проницаемости ленты — эффект Виллари, что приводит к изменению в плотности магнитного потока обмотки и образованию импульса выходного напряжения на терминалах обмотки (эффект Фарадея).

В качестве детектора ультразвуковой волны может быть использован и любой другой подходящий тип измерителя — например, пьезоэлектрический, пьезорезистивный или емкостной датчик, а также другие конфигурации. Так, компания MTS Temposonics использует индуктивные измерители, показанные на рис. 25д, а компания Spinix на основе комбинации магнитостриктивных и пьезоэлектрических преобразователей разработала линейку пассивных регистраторов импульсного магнитного поля PSSM — датчиков скорости, тока и расхода.

Ультразвуковая волна распространяется также и в противоположном направлении. Для того чтобы избежать интерференции сигнала с волнами, распространяющимися в противоположном направлении, их энергия абсорбируется демпфером (рис. 25д).

Внешний вид типичного магнитостриктивного преобразователя, известного также как MLDT (magnetostrictive linear displacement transducers), показан на рис. 25е. Подвижный элемент MLDT— постоянный магнит — создает скручивающий импульс в металлическом волноводе с импульсным током. Импульс тока, сгенерированный в сенсорном блоке, перемещается по волноводу на известной скорости до цели и обратно к волновому детектору. Измеряя время отклика, MLDT образует выход, пропорциональный положению магнита относительно детектора¹.