Магнитоупругий эффект в энерго-информационной модели

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 621.586

МАГНИТОУПРУГИЙ ЭФФЕКТ В ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Ю.О. Мичник

В статье рассматривается использование энерго-информационного метода (ЭИМ) научно-технического творчества для анализа магнитострикционных эффектов. Приводятся величины и параметры энерго-информационной модели для прямого магнитострик-ционного эффекта. Устанавливается связь между параметрами ЭИМ и свойствами магнитострикционных материалов.

Известно, что стрикция (лат. н1гШ'ю - сжатие, натягивание) - изменение размеров и формы твердого тела при внешних воздействиях. Наиболее известными проявлениями данного эффекта являются:

• магнитострикция - изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании (эффект Джоуля). Обратное по отношению к магнитострикции явление - эффект Виллари;

• механострикция - деформация тел, возникающая при наложении механических напряжений. Механострикция - следствие магнитострикции;

• электрострикция - деформация диэлектрика под действием внешнего электрического поля;

• термострикция - деформация тел под воздействием локального изменения температуры.

Вследствие стрикции в материале возникают упругие колебания, скорость которых будет определяться константами упругости и плотностью материала.

Данные эффекты широко используются при построении датчиков параметров движения. В настоящее время во многих отраслях промышленности нашли свое применение магнитострикционные преобразователи параметров движения (МСПД). Они характеризуются высокой точностью, стабильностью при внешних возмущениях и малой стоимостью.

Модели, описывающие МСПД, широко известны1. Однако при всех их преимуществах они обладают малой наглядностью с точки зрения понимания физики процесса и большой сложностью при использовании в поисковом автоматизированном проектировании.

Магнитомеханический эффект

Рассмотрим магнитострикционный эффект подробнее.

В магнитострикционном преобразователе происходит композиционное преобразование энергии: из электромагнитной в механическую, а затем из механической в стрикцион-ную (акустическую). Данная трактовка принимается из методических соображений2.

При этом происходит преобразование входного электромагнитного сигнала в механическое напряжение звукопровода (звено 1), вследствие которого по нему распространяется упругая (ультразвуковая) волна (звено 2). Схема преобразования прямого магнитострик-ционного эффекта (эффекта Джоуля) представлена на рис. 1.

ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ:

управление и высокие технологии № 2 (2) 2008

иэл сэл 1эл К-1элимг UMr КимгСЗмл Qivm К(2млистр

ГВ1 ГА1 ГА1 М

Рис. 1. Прямой магнитострикционный эффект (эффект Джоуля): иэл - электрическое напряжение, приложенное к обмотке катушки, В; 1ЭЛ - электрический ток, наведенный в обмотке катушки, А; имг - магнитодвижущая сила, А;

Сэл - электрическая проводимость при постоянном потоке (при 11мг const), т.е. величина, обратная активному сопротивлению обмотки плюс сопротивление индуктивности рассеяния, 1/Ом;

К1элимг ~ коэффициент электромагнитной связи (витки);

KuuzQun - коэффициент магнитомеханической связи, А/м;

QMn - механический линейный заряд, т. е. деформация, м;

K-QMnUcmp - коэффициент механострикционной связи, м/Па = м2*с2/кг;

Ucmp - стрикционное воздействие, т.е. механическое напряжение, Па

Энерго-информационный метод проектирования новых технических решений При конструировании датчиков перед инженерами возникают задачи поиска не только новых физических принципов действия, но и задачи сравнения и улучшения характеристик существующих технических решений. Широкое внедрение САПР даже на начальных этапах разработки ЧЭ датчиков позволит расширить объем используемых специалистами знаний, сократить время и трудоемкость создания новых изделий за счет выбора наиболее эффективных решений при их моделировании на ЭВМ и, как следствие, уменьшить стоимость. Поэтому актуальной становится задача создания автоматизированной системы синтеза новых технических решений чувствительных элементов чувствительных элементов (ЧЭ) для систем управления различного назначения, поиска и анализа прототипов и аналогов.

Одним из способов реализации такого подхода является использование автоматизированного банка данных физико-технических эффектов (ФТЭ) и изобретений3. Увеличение объема информации в банке данных, связанное с появлением новых ФТЭ и изобретением новых промышленных образцов, значительно расширяет возможности эффективного синтеза технических решений и анализа существующих конструкций. Пополнение имеющегося банка данных хотя бы одним ФТЭ позволяет получить большее количество новых вариантов физического принципа действия (ФПД) технического устройства, и, следовательно, необходимая часть системы - это автоматизированный отбор наилучших из полученных вариантов. Энерго-информационная модель цепей (ЭИМЦ) различной физической природы и аппарат параметрических структурных схем (ПСС) являются одним из подобных методов. Использование ЭИМЦ и ПСС требует большего времени для составления паспортов ФТЭ, но в то же время позволяет сделать процесс поискового конструирования технических устройств более содержательным, раскрывает качественные и количественные связи, акцентирует внимание разработчиков на наиболее ответственных узлах объекта. И, кроме того, позволяет перейти к структурной схеме устройства в целом и по ней составить уравнение, т.е. дать количественную оценку характеристик устройства.

Основные понятия ЭИМЦ Цепью определенной физической природы называется идеализированная материальная среда, имеющая определенные геометрические размеры и характеризующаяся физическими константами, присущими только явлениям данной физической природы.

Величины цепи одной и той же физической природы изменяются в широких пределах и характеризуют внешнее воздействие на цепь данной физической природы и ее реакцию на него.

Параметры характеризуют относительную неизменность материальной среды, в которой протекают физические процессы.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Энерго-информационная модель оперирует обобщенными величинами и параметрами: N - мощность, Р - импульс, - заряд реакции, и - сила воздействия, I - скорость реакции, Я - сопротивление, в = 1/Я - проводимость, С - емкость, = 1/С - жесткость, Ь - индуктивность, Б = 1/Ь - дедуктивность.

Синтезированные параметрические структурные схемы в ЭИМЦ ранжируются с помощью 10 параметров, важнейший из которых4 - чувствительность.

Энерго-информационный метод реализован в системе поиска новых научно-технических решений «Интеллект». В настоящее время в системе «Интеллект» имеется информация о более чем 300 ФТЭ, в том числе о прямом магнитострикционном эффекте (рис. 2).

ил

^Циг

Магмитострикциоииыи эффект ( линейным >

[кЦмгОмл]

С)МУ1

Чувствительность: 4е 05 (М)/(Л) Цена: Ю раб

Надежность: 1е 05 отк/час

Погрешность: Ю /

Нелинейность: 6 'А

Диапазон: - 1е+09 А

Эффект заключается б возникновении в некоторых антиферромагнетиках деформации при воздействии на них магнитным полем.

Рис. 2. Магнитострикционный эффект

Энерго-информационная модель магнитострищионного эффекта Примем в качестве величины воздействия величину индукции магнитного поля В с

размерностью [Тл] = [—-], так как именно данная величина является базовой при пря-

с ^ А

мом магнитострикционном эффекте. Если принять индукцию в качестве величины воздей-

м2 * А

ствия, то в качестве параметра реакции должна выступать величина с размерностью -,

с

которая есть отношение магнитного момента рт к времени воздействия X или более точно

. Физический смысл данной величины есть скорость изменения магнитного момента,

возникающего из-за деформации образца в магнитном поле.

Тогда на основе понятия полного термодинамического потенциала внешнего воздействия, а также после применения теории подобия и анализа размерностей могут быть выведены основные величины и параметры (см. табл.).

Физический смысл емкости С есть (с точностью до коэффициента) механический

момент М = X $ образца.

Далее воспользуемся известной зависимостью:

АУ Н2

V 2

др'

^н^ ¡2Л

V к V к

где Лу - объемная магнитострикция, Н - напряженность магнитного поля,

ПРИКАСПИИСКИИ ЖУРНАЛ:

управление и высокие технологии № 2 (2) 2008

(3 - _ — * (Т—) ~ изотермическая сжимаемость материала, % - Рт - изотермическая маг-

V Трн-Т НУ

нитная восприимчивость (причем обычно % не зависит от Н и может считаться характеристическим свойством образца), к - коэффициент, равный

др Т

Таблица

Основные величины и параметры

Величины

Воздействие и = В [Тл]

Реакция ф„ м2*А I- Ит -[ ] си с

Заряд 0 = рт | м2* А |

Импульс Р = \ В* А = [ Кг ] = [Тл * с] = [кг/Кл] А*с

Параметры

Емкость г=0_ = Р^={м2*А2*с2 _Вб иВ кг м3 м 'р.* Я

Сопротивление ¡в*л кг*с р. 'а"*.,"1

Проводимость с-."- \В*Ж кг* с

Ш= 1 = в =[ кг ] С рт м2 * А2 *с2

Индуктивность Т =р/т= {\В*А)*Ж= [ кг ] с1рт А2 * м2

Примечание: рт - плотность магнитного заряда, Н - напряженность магнитного поля, рт -магнитный момент.

С

Из равенства В = ¿и0 * (1Н--) * Н, где //,, - магнитная постоянная, Т - темпера-

Т -Тс

тура материала, Тс - точка Кюри, С - постоянная Кюри, получаем в = ц^* (у \ ^ ) * ; '' •

0 Т-Тс V к

что позволяет связать величину воздействия с параметрами материала, где //0 - магнитная постоянная, Т - температура материала, Тс - точка Кюри, С - постоянная Кюри, Лу - объемная магнитострикция.

Таким образом, в рамках ЭИМ возможно построить модель магнитострикционного эффекта, которая пригодна для автоматизации научно-технического творчества с помощью системы «Интеллект» и учитывает свойства магнитострикционных материалов.

В магнитострикционных эффектах осуществляется преобразование входной величины Ипщ магнитной цепи в величину ()мл механической линейной цепи. Таким образом, схема прямого магнитострикционного эффекта есть Ипщ - Ки1г^()т1 - От1, где К.ит§0т1 есть коэффициент преобразования (или чувствительность) магнитострикционного эффекта.

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Согласно определению чувствительность - отношение изменения выходной величины Ввых1 к изменению входной величины BBXJ:

К(в j) = —-dB_j

Причем в общем случае Ввых1 и В|К| - величины разной физической природы (i Ф j) 1.

Известно5, что для характеристики интенсивности магнитострикционных колебаний в переменном магнитном поле при наличии постоянного подмагничивания вводится магни-тострикционная постоянная а:

Л1_0

А в при 1 [А/м]

Важным параметром магнитострикционных материалов является коэффициент маг-нитомеханической связи Kjy[]y[:

_ ¡4-л-а2  [1 _ 1/1-Е-Л,

V Е i В

где Хк - магнитострикция при насыщении намагничивания; |1 - действующая магнитная проницаемость материала звукопровода при наличии постоянного подмагничивающего поля, H/A2; Е - модуль упругости, Па.

В работе6 коэффициент магнитомеханической связи рассматривается как

Ku„rQ™ = k*a = F/Ф

где х - деформация, м; а - магнитострикционный коэффициент (см. выше, А/м), k - безразмерный коэффициент, зависящий от устройства преобразователя; Ф ' - производная магнитного потока по времени, В; Ф - магнитный поток, Вб; 1< сила, Н.

Таким образом, коэффициент магнитомехнической связи К^^ характеризует эффективность энергетических преобразований подводимой магнитной энергии в энергию упругих волн и, наоборот, может выступать в качестве параметра чувствительности при описании магнитострикционного эффекта с помощью энерго-информационного метода.

Существующая модель прямого магнитострикционного эффекта, включенная в систему «Интеллект», не учитывает свойства магнитострикционных материалов. Это является существенным недостатком модели, так как свойства материалов (и, соответственно, параметры устройств) вариативны, зависят от методики получения материала и условий эксплуатации аппаратуры, других факторов.

Поскольку предложенная модель связывает параметры ЭИМЦ и параметры ФТЭ со свойствами магнитострикционных материалов, то она дает возможность учесть свойства материалов при проектировании датчиковой аппаратуры, что особенно важно при разработке прецизионной и высокочувствительной техники.

1 СкучикЕ. Основы акустики. Т. 1. М., 1973.

2 Харкевич А.А. Теория электроакустических преобразователей. Волновые процессы. М., 1973.

3 Зарипов М.Ф., Зайнуллин Н.Р., Петрова И.Ю. Энерго-информационный метод научно-технического творчества. М.: ВНИИПИ, 1988.

4 Там же.

5 Захарьящев Л.И. Конструирование линий задержки. М., 1972.

6 Харкевич А.А. Указ. соч. М., 1973.