Информационные магнитострикционные системы с распределенными индуктивными преобразователями

С.Б. Демин

ИНФОРМАЦИОННЫЕ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ИНДУКТИВНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Рассмотрены вопросы возбуждения оптимальных по форме нормальных упругих ультразвуковых волн (УЗВ) в информационных магнитострикционных системах технологического оборудования (МСТО) с сигнальными распределенными индуктивными преобразователями.

Проблемы обеспечения высокого качества продукции при постоянном повышении точности и производительности являются особенностью современного этапа развития технологического оборудования. Успешное их решение в значительной степени зависит от использования средств автоматизации при должном уровне информационного обеспечения.

Высокие требования к выходным характеристикам технологического оборудования предопределяют преимущественное развитие замкнутых технологических систем, где исключительно важную роль играют системы! автоматического управления с многоконтурной обратной связью (ОС). Одним из основных ее элементов по контуру ОС является информационная система (ИС), осуществляющая идентификацию и обработку первичной технологической информации через механические и теплотехнические величины (перемещение, усилие, крутящий момент, плотность, давление, температура и др.) в ходе выполнения технологического процесса и формирования информационных потоков, значимость которых отражается в показателях точности обрабатываемых деталей (заготовок), уровне повышения производительности обработки и динамических характеристиках процессов управления и регулирования.

Идентификация первичной технологической информации в обрабатывающем автоматизированном технологическом оборудовании сегодня осуществляется посредством технических средств ИС - измерительных преобразователей и приборов (ИП) на основе оптических, ультразвуковых и электромагнитных эффектов, которые имеют известные достоинства и недостатки и не всегда в полной мере удовлетворяют предъявляемые требования [1]. В связи с этим предпочтение отдается волновыгм ИС с малой длиной волны-носителя измерительной информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ).

Одним из новых направлений в этой области в нашей стране и за рубежом является применение ультразвуковые волновыгх ИС, использующих

эффекты продольной магнитострикции - инфор-мационныге магнитострикционныге системы!, которые по сравнению с оптическими системами несколько уступают по точности и разрешающей способности, но обладают гораздо большими функциональными возможностями и значительно дешевле в изготовлении.

Сегодня магнитострикционной информационной технологией интенсивно занимаются ведущие фирмы США, Франции, Германии, Японии. Толчком этому послужили определенные успехи микроэлектроники вычислительной техники и создание промышленных магнитострикционных интерметаллических Я-сплавов (ТЬБе2, БуРе2, 8шБе2 и др.) и аморфныгх соединений с гигантской магнитострикцией (1 > 2,5 х 10-3), что позволяет существенно улучшить выходные характеристики и упростить конструкцию первичных преобразователей магнитострикционныгх приборов (МСП) [2-3], как базовых элементов информационных систем средств автоматизации АСУТП.

Существуют магнитострикционные информационные системы [1], в которых применяются МСП с сигнальными распределенными магнито-стрикционными преобразователями (РМП). Они могут выполнять функцию источника и/или приемника информационных ультразвуковых волн (УЗВ), формируемыми в магнитострикционном чувствительном элементе (МЧЭ) акустического тракта прибора при подаче токового видеоимпульса в распределенную обмотку РМП с подвижным кольцевым или стержневым магнитом-поляризатором М. Перемещение поляризатора М по закону движения ТОУ в пределах рабочего диапазона РМП МСП позволяет выполнить идентификацию параметров движения объекта с высокой точностью (у0 = 0.2 - 0.5%) [1].

При проектировании технических средств маг-нитострикционных ИС с сигнальными РМП под конкретную техническую задачу возникает необходимость в определении желаемых конструктивных параметров и информационных характеристик МСП системы. В этом случае целесообразно проведение математического моделирования с ис-

пользованием нижеприведенных моделей РМП, полученных по расчетной схеме рисунка 1.

где х и - длительность импульса записи; 1т - амплитудное значение токового сигнала; т = Ш - период следования импульсов; Тм = Шм - период модуляционного сигнала; ю0 = 2я • 4 - круговая частота; п - число гармоник.

Рисунок 1. Расчетная схема РМП МСП магнитострикционной системы: а,ь,а п ,Ь п - расстояния от поверхности МЧЭ до нижнего и

верхнего слоев обмотки и поляризатора; 11,1п. 1,12,1п.2 - собственные и эффективные длины обмотки и поляризатора; Ккэ. 1, Ккэ.2 - краевые эффекты;

Еэ - скин-слой; х,у - координаты

Рассмотрим случай, когда РМП выступает в качестве источника возбуждения УЗВ в среде МЧЭ акустического тракта системного МСП. Для этого на выводы его распределенной обмотки (индуктивный преобразователь) подают токовые импульсы записи требуемой формы (рисунок 2) для получения необходимой величины отношения сигнал/шум (помехоустойчивости), которые описываются следующими выражениями:

а) для одинарного прямоугольного импульса (рис. 2, а):

/n---х, 4

1X 2 ^ 1 ixl(t) = im+ -£-sin [ Т -^n

б) для парного однополярного прямоугольного видеоимпульса (рис. 2 ,б):

íx,(t)=im

— sin ( П - X" 1- cos [n - 2- - f (t -х )]+ 2х, + 2 y n ^ Т 1 L v "/J

Т - „=, 2 ^ 1 . I n - - - х„

+

^ s

cos [n  2- - f (( - 3хн)]

в) для однополярного симметричного прямоугольного видеоимпульса (рис .2, в):

íx . 3(t) = ím

11 ^ j-cos [n-2--f (t-х„ )]-

1 —1-

• II. •

- cos [n-2--f

г) для модулированного импульса с прямоугольной огибающей (рис. 2, г):

ix,(t) =

Тм

ik -1 )+Z

—sinIn-rnM— |-siní(m„ + n-rnM)t]+ n ^ M 2 J Vo m;

n 1 + ^ — sin I n

' • -

sin [( - n -rnM ) t]

Рисунок 2. Формы сигналов возбуждения УЗВ

Прохождение токового сигнала через распределенную обмотку сигнального РМП создает в ее рабочем пространстве однородное продольное магнитное поле напряженностью при:

а) однослойной обмотке индуктивного преобразователя:

Hx . ПОе . .(t) = J ix(t) - W

-

dx =

W -

arctan

I x +11/2

- arctan

'x -11/2 4

б) многослойной обмотке индуктивного преобразователя:

>(t) = jHxn0B,(t) - dy =

W

= ix(t)-4b -

arctan

/x +11/2 Л

- arctan

x - 11/2

- a

arctan

/x +11/2 Л

- arctan

/x -11/2 Л

+ (x + 11/2)1n 2

2

1n

b2 + x11 +

a2 - x11 +

Ь2 - х11 + (х2 +112/4) где W, W1, W2 - число ампер-витков обмоток РМП при разном исполнении, которое в зоне эффективного магнитомеханического преобразования (эф. Джоуля) 1п2 << 1п1, определяемое величинами коэффициентов краевого эффекта обмотки и поляризатора как: Ккэ = ехр[( я-х э с /(с +1))/1, где 1 -исходный конструктивный размер, хэ = Ув • хи - эквивалентная длина зоны эффективного преобразо-

a

x-11/2

a

a

a

b

b

+

a

a

n=1

+

2

-

n=1

X

2

X

2

С.Б. Демин

Информационные магнитострикционные системы с распределенными индуктивными ...

вания, с - расстояние до средней линии элемента, суммируется с продольным полем напряженности Но поляризатора, если их векторы совпадают. В результате формируется результирующее поле (в случае многослойного РМП):

НХПо„ (1) = эми [Но Ккэ.2 + Нх,(1)] =

= ^п^Щ

агСап

'АХ +12 / 2 Л

— агСап

АХ —12 /2

+ (1Х(1) • W2

агСап

х +11 / 2

ерх2в1 +

Ь

— агСап

/ / агс1ап

—а

V

\ \

х —11 /2 Ь

\\

— агс1ап

/х-1,/2Л

х +11 /2 а

х — 11 / 2

х + 11 / 2

• 1пА1 +

• 1пА,

х ерх2в2}}, здесь

АХ = (± X + х )<

2

А _ Ь2 + х11 + [х2 + (11 /2)2] 1 а2 + х41 + [х2 + (11/2)2]

_ а2 — х1. + [х2 + (11/2) А2 _ 1,2

Ь2 — х • 11 + [х2 + (11/2)2]

В1 _

Сп 1

Сп +12 1

в2 _ ТС/сСЛ!)/1[,

Сп _ (ап + Ьп) / 2 - расстояние от поверхности МЧЭ до линии среднего сечения поляризатора, х - его смещение от оси продольной симметрии РМП МСП.

Величину продольного магнитного поля Но магнита-поляризатора сигнального РМП системного МСП можно определить по методу эквивалентного соленоида, через который проходит постоянный ток 1о одного направления, при котором векторы полей Нх и Но совпадают. Используя расчетную схему, приведенную на рисунке 3, имеем:

4 1п(К ю,) 2"

тг Во.п Но _--ехр

то

1м2

где созданная им индукция Воп _ Вг (остаточная) продольного магнитного поля Но в произвольной точке а, х рабочего пространства РМП составляет величину, описываемую выражением:

Во.п _то Но _

11 111 £

I

э.ш[Х+(1—1) Ио

р !_1 (а + См)д/[См (1 + а)]2 + [X + (1 — 1) • Ио]

^ См2 + (а + См)2 + [X + (1 — 1) • Ио]2 ^

X (С; ---^-"-----— С2},

1 [См (1 — а)]2 + [X + (1 — 1) • Ио]2 2

здесь С1,С2 - эллиптические интегралы 1-го и 2-го порядков аргумента:

к2 _

4 •См

[См (1 + а)]2 + [X + (1 — 1) • Ио]2 которые описываются выражениями:

1,

(2п — 1)!!

2п • п!

к2

2п —11

_-П—2к 2 — зо • к 4 —...

р

2

С2 + Х

(2п —1)!!

2п • п!

• к2п

_-<|1 + ^к 2 + 8100 • к 4 +...

р

2

4

при известных: то - магнитной постоянной, См, И, 1м - полутолщине, ширине и длине эквивалентного соленоида, Ио - шаг между его п витками.

Это импульсное результирующее магнитное поле под поляризатором РМП возбуждает УЗВ соответствующей полярности:

ох (1) _ эмп[ £ 1 • Е • Кт, • Кмм (1 —е—/0) •

• А](хи) • Нх(1) • ехр(Хп /2 — ти)], где 1 - коэффициент магнитострикции, е - модуль Юнга, Кц1 - коэффициент магнитной проницаемости материала в сечениях МЧЭ 1 -той формы, Кмм -коэффициент магнитомеханического преобразования, 0 - фазовое сопротивление цепи записи, А_Кти) - параметр, описывающий гармонический спектр возбуждаемого сигнала, тп - эффективная

Рисунок 3. Расчетная схема поляризатора РМП

]

а

а

Ь

+

2

2

2

а

п_1

+

2

длительность сигнала записи, ) = 2, 3, 4, 8 - число перепадов одинарного токового импульса записи, которая транслируется вдоль МЧЭ и считывается выходным сигнальным преобразователем через искомое время измерительного преобразования Тх = Ьх/У, где Ьх - положение ТОУ в координа-

тах ТС, У - фазовая скорость УЗВ в акустической среде, формируя цифровой код Ш = Тх • ^, где ^ - частота дискретизации [2-3].

Приведенные математические модели сигнальных РМП системных МСП имеют точность 5-7% при общепринятых ограничениях [1].

Список использованной литературы:

1. Демин С.Б. Информационно-измерительные системы металлорежущего оборудования. Учебное. пособие. - Пенза: Изд-во ПензГУ, 2000. - 75 с.

2. А.с. 1573343 (СССР). МКИ: 001Б17/00. Преобразователь линейных перемещений / С.Б. Демин // Опубл. 23.06.90, Бюлл. №23.

3. А.с. 1757428 (СССР). МКИ: С01Б17/00. Магнитострикционный преобразователь перемещений / С.Б. Демин // Опубл. 30.08.92, Бюлл. №32.

4. Патент 2075728 (РФ). МКИ: С01С9/06. Ультразвуковой преобразователь угла наклона / С.Б. Демин // Опубл. 20.03.97, Бюлл. №8.