A elektromechanikus átalakító egy olyan eszköz, amellyel elektromos jelet hanghullámokká, vagy hanghullámokat elektromos jellé alakítanak át. Ezek az átalakítók sokoldalúbbak, és magnetostrikciós és piezoelektromos eszközöket tartalmaznak. Jelenleg a nagyteljesítményű ultrahangos alkalmazásokhoz két alapvető jelátalakítót használnak magnetostrikciós és piezoelektromos. A piezoelektromos átalakító egy piezoelektromos anyag tulajdonságát használja fel az energia elektromosból mechanikussá alakítására. A magnetostrikciós átalakító egy magnetostrikciós anyag tulajdonságát használja fel arra, hogy egy mágneses térben energiát mechanikai energiává alakítson át. Itt a mágneses mezőt egy huzaltekercs biztosítja, amely a magnetostrikciós anyag körül van lefedve. Tehát ez a cikk egy áttekintést tárgyal a magnetostrikciós jelátalakító – működés és alkalmazásai.
Mi az a magnetostrikciós jelátalakító?
Az az eszköz, amely az energiát mechanikusról mágnesesre változtatja, magnetostrikciós átalakítónak nevezik. A A magnetostrikciós jelátalakító működési elve olyan típusú mágneses anyagot használ, ahol az alkalmazott oszcilláló mágneses mező összenyomja a atomok Az anyag hosszában periodikus változást hoz létre, és magas frekvenciájú mechanikai rezgést kelt. Az ilyen típusú jelátalakítókat főként az alacsonyabb frekvenciatartományokban használják, és nagyon gyakoriak az ultrahangos megmunkálási és ultrahangos tisztító alkalmazásokban.
Magnetostrikciós átalakító sematikus diagramja
A magnetostrikciós jelátalakító működése az alábbi vázlatos diagram segítségével írható le. Ez a diagram bemutatja a nullától a teljes mágnesezésig előállított feszültség mértékét. Ez diszkrét mechanikai és mágneses tulajdonságokra oszlik, amelyek a mágneses indukcióra és a magnetostrikciós magfeszültségre gyakorolt hatásukra vannak beállítva.
Az elsõ esetben a c ábra azt mutatja, hogy mikor nem hat az anyagra a mágneses tér, akkor a keletkezett mágneses indukció mellett a hosszon belüli változás is nulla. A mágneses tér mértékét (H) a telítési határértékig (±Hsat) növeljük. Ez az axiális feszültséget „esat”-ra növeli. Ezenkívül a mágnesezettség az-e ábrán látható +Bsat értékre nő, vagy az ábrán látható -Bsat értékre csökken.
Amikor a 'Hs' érték a maximális ponton van, akkor a mágneses indukció és a legnagyobb alakváltozási telítettség érhető el. Tehát ezen a ponton, ha megpróbáljuk növelni a mező értékét, akkor az nem fogja megváltoztatni az eszköz mágnesezettségi értékét vagy mezőjét. Tehát, amikor a mező értéke eléri a telítettséget, akkor a deformáció és a mágneses indukció értékei növekedni fognak, és a központi ábra kifelé mozdulnak el.
A második esetben, ha a 'Hs' értéket fixen tartjuk, és növeljük a magnetostrikciós anyagra ható erő mennyiségét, akkor az anyagon belüli nyomónyomás a hátoldalra emelkedik az axiális nyúlás és axiális mágnesezettség értékének csökkenésével. . A c ábrán a null mágnesezettség miatt nem állnak rendelkezésre fluxusvonalak, míg az ábrán. b & ábra. A d mágneses fluxusvonalai sokkal kisebb nagyságúak a magnetostrikciós meghajtó mágneses tartományának igazítása alapján. Az a. ábrán vannak fluxusvonalak, de az áramlásuk fordított irányú lesz.
Ábra. f mutatja a fluxusvonalakat az alkalmazott „Hs” mező és a mágneses tartomány elrendezése alapján. Itt a keletkezett fluxusvonalakat a Hall-effektus elvével mérjük. Tehát ez az érték arányos lesz az erővel vagy a bemeneti feszültséggel.
Magnetostrikciós jelátalakítók típusai
Kétféle magnetostrikciós átalakító létezik; spontán magnetostrikció és mező által indukált magnetostrikció.
Spontán magnetostrikció
A spontán magnetostrikció az atomi momentumok Curie-hőmérséklet alatti mágneses rendeződéséből következik be. Ezt a típusú magnetostrikciót az invar nevű NiFe-alapú ötvözetben alkalmazzák, és nulla hőnövekedést mutat a curie-hőmérsékletig.
Az anyag telítési mágnesezettsége a Curie-hőmérsékletre hevítve csökken, mivel csökken az atomi mágneses momentumok elrendezésének mértéke. Amikor ez az elrendezés és a telítési mágnesezettség csökken, a térfogat tágulása is csökken a spontán magnetostrikció és az anyag összehúzódása révén.
Az invar esetben ez a spontán magnetostrikciós veszteség miatti összehúzódás egyenértékű a szokásos termikus rezgési módszerek által okozott kiterjedéssel, így az anyag azt mutatja, hogy a méreteken belül nincs változás. De a Curie-hőmérséklet felett általában hőtágulás következik be, és nincs többé mágneses rendeződés.
Field Indukált Magnetostrikció
A térindukált magnetostrikció főként a mágneses tartomány elrendezéséből következik be alkalmazott terepi alkalmazáson. A Terfenol anyag mutatja a legnagyobb hasznos magnetostrikciót, amely a Tb, Fe és Dy keveréke. A Terfenol anyagot helyzetérzékelőkhöz, térérzékelőkhöz, mechanikus aktuátorokhoz és hangszórókhoz használják.
A magnetostrikciós elrendezés (vagy) terhelésérzékelők egyszerűen azon a tényen keresztül működnek, hogy amikor egy magnetostrikciós anyag feszültséget tapasztal, az anyag mágnesezettsége megváltozik. A Terfenol működtetők általában tartalmaznak egy Terfenol rudat, amely összenyomás alatt van elrendezve, hogy a mágneses tartományokat a rúd hosszára merőlegesen rendezze el. Tekercset használnak a Terfenol rúd körül, egy mezőt alkalmaznak a rúdra, hogy a doméneket a hosszában sorba rendezzék.
A magnetostrikciós és a piezoelektromos jelátalakító közötti különbség
A magnetostrikciós és piezoelektromos átalakító közötti különbség a következőket tartalmazza.
|
Magnetostrikciós jelátalakító |
Piezoelektromos jelátalakító |
| A magnetostrikciós jelátalakító egy olyan eszköz, amely energiát mechanikai energiából mágneses energiává alakít át és fordítva.
|
A piezoelektromos érzékelő egy olyan eszköz, amely a gyorsuláson, nyomáson, hőmérsékleten, erőn belüli változások mérésére szolgál azáltal, hogy ezeket elektromos töltéssé változtatja. |
| A magnetostrikciós jelátalakító nagyszámú nikkellemezt vagy laminált réteget tartalmaz.
|
A piezoelektromos átalakító egy vagy dupla vastag piezoelektromos kerámia anyagú lemezt tartalmaz, általában PZT (ólomcirkonát titanát). |
| Ennek lényege, hogy a mágneses anyag mérete vagy alakja megváltozzon mágnesezéskor. | Ennek fogalma az elektromos töltés felhalmozása mechanikai nyomás alkalmazásával. |
| Ez a jelátalakító kevésbé érzékeny, mint a piezoelektromos jelátalakító a Föld mágneses mezeje miatt. | Ez a jelátalakító érzékenyebb. |
| Ez a jelátalakító a magnetostrikciós anyagtulajdonságot használja. | Ez a jelátalakító a piezoelektromos anyagtulajdonságot használja. |
| A löketmintázat ellipszis alakú. | A körvonal mintázata lineáris. |
| A frekvenciatartomány 20-40 kHz. | A frekvenciatartomány 29-50 kHz. |
| Az aktív csúcsfelület 2,3–3,5 mm. | Az aktív hegy területe a frekvencia alapján 4,3 mm. |
Hogyan válasszunk magnetostrikciós jelátalakítót?
A magnetostrikciós jelátalakító kiválasztása az alábbi specifikációk alapján történhet.
- Ennek a jelátalakítónak bizonyos típusú mágneses anyagot kell használnia, hogy kölcsönhatásba lépjen, és nagyon pontosan le tudja térképezni a távolságokat.
- A jelátalakítónak lehetővé kell tennie az érintésmentes és kopásmentes mérést.
- Hatóságának 50 és 2500 mm között kell lennie.
- Maximális felbontása körülbelül 2 µm legyen.
- A maximális linearitás ±0,01 % lehet.
- Az elmozdulási sebességnek 10 m/s-nál kisebbnek kell lennie.
- Az analóg kimenet 0–10 V, 4–20 mA.
- 24 VDC ±20 % Tápfeszültség
- IP67 védelmi osztály
- Az üzemi hőmérsékletnek -30...+75 °C között kell lennie.
Előnyök és hátrányok
A A magnetostrikciós jelátalakító előnyei a következőket tartalmazzák.
- Ezek a jelátalakítók megbízhatóak, karbantartást nem igényelnek, jelentősen csökkentik a működési hibák és a gép leállási idejét
- A magnetostrikciós jelátalakítóknak nincsenek érintkező részei, így hosszabb az élettartamuk.
- Ezek pontosabbak, mint a rögzített érintkezős átalakítók.
- Jó érzékenységgel, hosszú távú ellenőrzéssel, tartóssággal, könnyű kivitelezéssel stb.
A A magnetostrikciós jelátalakító hátrányai a következőket tartalmazzák.
- A magnetostrikciós jelátalakítók drágák.
- A magnetostrikciós jelátalakító fizikai méretkorlátozásokkal rendelkezik, így megközelítőleg 30 kHz alatti frekvenciákon működik.
Alkalmazások
A magnetostrikciós jelátalakító alkalmazásai a következőket tartalmazzák.
- A magnetostrikciós jelátalakítót helyzetmérésre használják.
- Ez az átalakító kulcsszerepet játszik a mechanikai energia mágneses energiává alakításában.
Korábban ezt az eszközt különféle alkalmazásokban használták, beleértve a nyomatékmérőket, hidrofonokat, szonáros letapogató eszközöket, telefonvevőket stb. - Jelenleg különféle eszközök gyártására használják, mint például nagy erejű lineáris motorok, zajszabályozó rendszerek vagy aktív vibráció, orvosi és ipari ultrahang, adaptív optika pozícionálók, szivattyúk stb.
- Ezeket az átalakítókat főként sebészeti eszközök, vegyi feldolgozás, anyagfeldolgozás és víz alatti szonár készítésére fejlesztették ki.
- A magnetostrikciós jelátalakítók a gépek mozgó részein belüli forgó tengelyek nyomatékának mérésére szolgálnak.
- Ez a jelátalakító alkalmazás két üzemmódra oszlik; Ez a Joule Effect, a másik pedig a Villari Effect. Amikor a mágneses energiát mechanikussá alakítjuk, akkor az aktuátorok esetében erő előállítására, érzékelők esetében pedig mágneses tér érzékelésére használható. Ha az energia mechanikusról mágnesesre változik, akkor azt a mozgás vagy az erő érzékelésére használják.
Így ez a magnetostrikciós átalakító áttekintése. Ezt az átalakítót mágneselasztikus átalakítónak is nevezik. Ezek a jelátalakítók rendkívül nagy mechanikai bemeneti impedanciával rendelkeznek, és alkalmasak nagy statikus és dinamikus erők, gyorsulás és nyomás mérésére. Erős szerkezeti jellemzőkkel rendelkeznek, és amikor ezeket az átalakítókat aktív átalakítóként használják, a kimeneti impedancia alacsony lesz. Itt egy kérdés, hogy mi az Magnetostrikció Jelenség?
