CC BY
99
УДК 681.586. 785
1Прошкин В.Н., 1Прошин И.А., 2Прошкина Л.А.
хФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ГЕЛИКОИДАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Введение
Современный уровень развития машиностроения, приборостроения, транспорта и других областей науки и техники предъявляет высокие требования к метрологическим, эксплуатационным и экономическим характеристикам измерителей угловых перемещений. Поэтому, в последние годы существенный интерес многих инженеров-разработчиков и производителей различных систем контроля и управления сконцентрирован на магнитострикционных преобразователях угловых перемещений, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям [1 - 6].
Мировым лидером в области разработки и производства новейших конструкций магнитострикционных преобразователей параметров движений является фирма MTS Sensors, выпускаемых под брендом Temposonics [7] . Актуальность таких преобразователей в системах управления во многом обусловлена не только возможностью работать в жестких условиях (вибрация, тряска, агрессивные среды, перепады температур и т. д.), но и их физической природой, конструктивными и функциональными особенностями, являющимися следствием базового измерительного принципа. Магнитострикционные преобразователи относятся к типу устройств, работающих по принципу измерения времени распространения магнитоупругой волны (МУВ) по акустическому волноводу (ВА) от магнитной системы позиционирования (МСП) до неподвижного акустоэлектрического преобразователя (ПАЭ). Это и предопределяет, в отличие от других классов преобразователей подобного назначения, возможности обеспечения высокой точности измерения линейных и угловых перемещений с использованием магнитострикци-онных эффектов известными простыми и доступными средствами измерения временных интервалов [7].
На первых изделиях измерения угловых перемещений осуществлялось путем преобразования линейного перемещения через систему прецизионных редукторных механизмов в многооборотное угловое движение. Такое решение вело к увеличению массогабаритных размеров измерительного преобразователя (ИП) и стоимости, снижению его надежности, быстродействия, а также некоторой потере точности за счет увеличения погрешности, которая пропорциональна числу звеньев механизма. На последующих изделиях MTS Sensors наладил выпуск преобразователей, выполненных в различных конструктивных модификациях на основе U-образных и С-образных волноводов для измерения углов в пределах 180°, а также с использованием круговых и спиральных волноводов, обладающих диапазоном измерения 360° и более градусов [7].
Однако у этих решений имеется один существенный недостаток, и его надо учитывать и компенсировать при разработке, изготовлении и эксплуатации преобразователя. Измерительный диапазон преобразователя, длина паразитной «мертвой» зоны, наблюдаемая в районе ПАЭ и характеристика нелинейности зависят от вида размещения волновода в корпусе ИП [1]. Для компенсации внутренних напряжений в ВА и исключения образования в его рабочем пространстве интерферирующих магнитоупругих волн, волновод устанавливается с определенными продольным и радиальным механическими напряжениями. Величина напряжений выбирается исходя из диаметра, длины и материала волновода. Для уменьшения провиса волновода дополнительно вводят систему внутренних и внешних канальных опор. Только при соблюдении этих условий можно добиться высоких метрологических и эксплуатационных характеристик изделия. Поэтому известные преобразователи способны эффективно работать только при больших радиусах кривизны сенсорного волновода.
Основная часть
Для устранения указанных выше недостатков предлагается иное решение данной проблемы. Учитывая, что ИП определяет большую часть метрологических и эксплуатационных характеристик следует измерительную систему выполнить линейную, а МСП криволинейную [8, 9].
На рисунке 1, а показан один из вариантов ИП. Магнитная система позиционирования 1 в виде одного витка геликоиды, нанесена на поверхность цилиндра 2 с радиусом R, высотой H, раной шагу винтовой линии и диапазону перемещения МСП 2мсд. Ось вращения геликоиды 001 цилиндра механически связана с осью вращения контролируемого объекта 3. Параллельно цилиндру размещен ИП 4, входящий в состав магнитострикционного преобразователя. За один оборот точка а0 в основании цилиндра последовательно перемещается в точку а8 вершины цилиндра на высоту Н. При дальнейшем вращении объекта 3 события повторяются. Вращаясь вместе с цилиндром, МСП взаимодействует с ИП. В ближайших точках взаимодействия (на рисунке 1, а это точка а3) величина магнитной индукции B имеет максимальное значение. В сенсорном волноводе измерительного преобразователя, в зоне максимальной индукции происходит формирование МУВ.
На рисунке 1, б показана развертка боковой поверхности цилиндра с геликоидой. Развертку винтовой линии на протяжении ее шага можно рассматривать как геометрическое место точек, для каждой из которых ордината пропорциональна абсциссе, т.е. y = k'x. А это уравнение прямой линии. Касательные к винтовой линии совпадают с прямой, в которую развертывается виток винтовой линии. Крутизна подъема винтовой линии выражается формулой tgp = H/2nR, где H - шаг винтовой линии, R -
радиус цилиндра, ф - угол подъема винтовой линии. Длина витка геликоиды равна L = + (2pR)2 .
а) б)
Рисунок 1 - Магнитострикционный преобразователь угловых перемещений:
а) - взаимодействие геликоидальной МСП с ИП; б) - развертка боковой поверхности цилиндра
Математически форма геликоиды представляется параметрическим трехмерным уравнением.
х = R • sin у < y = R • cos у
Z = Імш . у
2 п
где x, y, z - координаты декартовой системы координат, центром которой является точка пересечения оси цилиндра с перпендикуляром, восстановленным в точке начала рабочей зоны а0, показанной на рисунке, причем ось 001 совпадает с осью объекта вращения; R - радиус цилиндра; 1мсп - длина рабочей зоны измерения угловых перемещений; ф - угол поворота вращающего объекта.
Формирование магнитоупругих волн в ВА показано на рисунке 2.
В среду волновода 1 подается импульс тока возбуждения іитв и формирует в его рабочем пространстве циркулярное (круговое) электромагнитное поле. Вследствие взаимодействия циркулярного поля и аксиального (продольного) поля магнитной системы позиционирования 2 (на рисунке для наглядности
показана часть МСП) образуется результирующее импульсное магнитное поле. В результате чего в среде акустического волновода 1 формируются крутильные МУВ ультразвуковой природы (эффект Видемана), которые распространяются от места возникновения в обе стороны по спирали. Эти волны достигают в некоторый момент акустоэлектрический преобразователь 3, считываются им (эффект Матузи) и поглощаются демпфером 4. Время, разделяющее начало подачи токового импульса и получения считывающего импульса іитс пропорционально расстоянию от места возникновения упругой волны до ПАЭ 3. На другом конце волновода расположен еще один демпфер 5, который исключает возможность образования отраженных волн от его конца, что позволяет исключить интерференцию сигналов в волноводном тракте. Вычисление параметров вращения контролируемого объекта происходит во вторичном преобразователе, входящем в состав магнитострикционного преобразователя угловых перемещений (на рисунке не показан) .
Рисунок 2 - Формирование магнитоупругих волн: 1 - акустический волновод;
2 - магнитная система позиционирования; 3 - акустоэлектрический преобразователь; 4 и 5 - акустические демпферы
Заключение
Магнитная система позиционирования может быть выполнена с использованием различных технологий, например, на магнитных эластомерах. Магнитная система позиционирования на магнитных эластомерах. Достоинство магнитоэластомеров заключается в удачном сочетании эластических и магнитных свойств. Кроме того, они обладают достаточно высокой прочностью, легко поддаются механической обработке, из них можно формировать детали сложной конфигурации, а эластичность позволяет им плотно прилегать к искривленным поверхностям. По структуре магнитоэластомеры представляют собой композиционные материалы, состоящие из эластичной полимерной матрицы и наполнителя - магнитотвердого дисперсного порошка. Разработаны научные основы технологии магнитных эластомеров на основе фторкаучука СКФ-26 и порошка сплава системы Nd-Fe-B, обладающих высокими магнитными и эластическими характеристиками [10] .
Сенсорный волновод изготавливается по прецизионной технологии из ферромагнитных магнитомягких сплавов, например 44НХМТ-1,0 [11].
Проведенный анализ и экспериментальные исследования разработанного способа и магнитострикцион-ного преобразователя угловых перемещений показали, что, в сравнении с другими методами угловых измерений, он обладает следующими преимуществами: технологичность, малые габаритные размеры, высокая точность, линейность, надежность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прошкин В.Н. Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений для специальных условий эксплуатации //Датчики и системы. - М.: 2007. - № 6. - С. 35 - 38.
2. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. Исследование и проектирование элементов обратных связей систем управления динамическими стендами авиационных тренажеров //Надежность и качество. (II том) Труды международного симпозиума. Пенза, Пенз. ГУ, 2009. - С. 421 - 423.
3. Прошин И.А., Прошкин В.Н., Тимаков В.М. Совершенствование динамических стендов авиационных тренажеров на базе гидроприводов //Надежность и качество. (II том) Труды международного симпозиума. Пенза, Пенз. ГУ, 2009. - С. 423 - 428.
4. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. Принципы построения преобразователей параметров движений для гидропривода тренажеров транспортных средств //Надежность и качество. Труды Межд. симпоз. -Т. 1. - Пенза: 2010. С. 272 - 275.
5. Прошкина Л.А. Прошкин В.Н. Повышение качества и конкурентоспособности авиационных тренажеров на основе модернизации //Надежность и качество. Труды Межд. симпоз. - Т. 2. - Пенза: - 2013. - С. 262.
6. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Способ измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах //Надежность и качество. Труды Межд. симпоз. - Т. 2. - Пенза: - 2010. - С. 153 - 154.
7. Сысоева С.С. Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 13. Магнитострикционные преобразователи - актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента. Компоненты и технологии № 6 (№ 59). 2006. С. 92-103.
8. Патент RU 2343645 МПК: H04R 15/00, С01В 17/00. Магнитострикционный датчик перемещений /В.Н. Прошкин, А.Н. Дигузов, А.Н. Шеркутов// Опубл. 10.01.2009. - Бюл. № 1.
9. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Прошкина Л.А. Способ детектирования угловых перемещений на магнито-стрикционных эффектах с геликоидальной магнитной системой позиционирования. //Естественные и технические науки. 2013. № 6 (68). С. 342-347.
10. Таганова В. А. Технология магнитных эластомеров с повышенными эксплуатационными свойствами: дис...канд. техн. наук. - Саратов, 2011. - 135 с.
11. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Материалы для чувствительных элементов магнитострикционных преобразователей параметров движения //Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. - Пенза: -2012. - С. 258.
