Magnetostrictive Transducer : แผนผัง ประเภท ข้อดี และการใช้งาน

เดอะ ทรานสดิวเซอร์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียงหรือคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้ใช้งานได้หลากหลายกว่าและมีอุปกรณ์แมกนีโตสตริกทีฟและเพียโซอิเล็กทริก ในปัจจุบันสำหรับการใช้งานอัลตราโซนิกพลังงาน มีการออกแบบทรานสดิวเซอร์พื้นฐานสองแบบที่ใช้แมกนีโตสตริกทีฟและเพียโซอิเล็กทริก ก ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก ใช้คุณสมบัติของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกสำหรับการแปลงพลังงานจากไฟฟ้าเป็นเครื่องกล ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟใช้คุณสมบัติของวัสดุแมกนีโตสตริกทีฟเพื่อแปลงพลังงานเป็นพลังงานกลภายในสนามแม่เหล็ก ที่นี่สนามแม่เหล็กถูกจัดเตรียมผ่านขดลวดซึ่งหุ้มรอบวัสดุแม่เหล็ก บทความนี้จึงกล่าวถึงภาพรวมของก ตัวแปลงสัญญาณแม่เหล็ก - การทำงานและการใช้งาน

Magnetostrictive Transducer คืออะไร?

อุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนพลังงานจากพลังงานกลเป็นพลังงานแม่เหล็กเรียกว่า ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟ เดอะ หลักการทำงานของทรานสดิวเซอร์แม่เหล็ก ใช้วัสดุแม่เหล็กชนิดหนึ่งซึ่งสนามแม่เหล็กที่มีการสั่นจะบีบตัว อะตอม ของวัสดุ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะภายในความยาวของวัสดุ และสร้างการสั่นสะเทือนเชิงกลด้วยความถี่สูง ทรานสดิวเซอร์ประเภทนี้ส่วนใหญ่จะใช้ในช่วงความถี่ต่ำ และมักใช้ในการตัดเฉือนอัลตราโซนิกและการใช้งานเครื่องทำความสะอาดอัลตราโซนิก

แผนภาพแผนผังตัวแปลงสัญญาณแม่เหล็ก

การทำงานของตัวแปลงสัญญาณแมกนีโตสตริกทีฟสามารถอธิบายได้โดยใช้แผนภาพต่อไปนี้ ไดอะแกรมนี้อธิบายปริมาณความเครียดที่เกิดจากโมฆะไปจนถึงการดึงดูดให้สมบูรณ์ สิ่งนี้ถูกแบ่งออกเป็นคุณสมบัติทางกลและแม่เหล็กที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งถูกกำหนดโดยผลกระทบต่อการเหนี่ยวนำแม่เหล็กและความเครียดของแกนแม่เหล็ก

ในกรณีแรก รูป c แสดงให้เห็นว่าเมื่อสนามแม่เหล็กไม่ถูกนำไปใช้กับวัสดุ การเปลี่ยนแปลงภายในความยาวจะเป็นโมฆะด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ปริมาณสนามแม่เหล็ก (H) จะเพิ่มขึ้นจนถึงขีดจำกัดความอิ่มตัว (±Hsat) สิ่งนี้จะเพิ่มความเครียดในแนวแกนเป็น 'esat' นอกจากนี้ ค่าการสะกดจิตจะเพิ่มขึ้นเป็นค่า +Bsat ดังแสดงในรูปที่ e หรือลดลงเป็น –Bsat ดังที่แสดงในรูป

เมื่อค่า 'Hs' อยู่ที่จุดสูงสุด การเหนี่ยวนำแม่เหล็กและความอิ่มตัวของความเครียดสูงสุดสามารถบรรลุได้ ดังนั้น ณ จุดนี้ หากเราพยายามเพิ่มค่าฟิลด์ จะไม่เปลี่ยนค่าการสะกดจิตหรือฟิลด์ของอุปกรณ์ ดังนั้น เมื่อค่าของฟิลด์กระทบกับความอิ่มตัว ค่าความเครียดและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นและเคลื่อนออกจากตัวเลขศูนย์กลางออกไปด้านนอก

ในกรณีที่สอง เมื่อค่า 'Hs' คงที่และถ้าเราเพิ่มปริมาณของแรงบนวัสดุแมกนีโตสตริกทีฟ ความดันอัดภายในวัสดุจะเพิ่มขึ้นที่ด้านหลังโดยมีค่าความเครียดตามแนวแกนและค่าแม่เหล็กตามแนวแกนลดลง . ในรูป c ไม่มีเส้นฟลักซ์เนื่องจากการทำให้เป็นแม่เหล็กเป็นโมฆะในขณะที่ในรูป ข&ฟิกเกอร์. d มีเส้นฟลักซ์แม่เหล็กที่มีขนาดน้อยกว่ามากตามการจัดตำแหน่งโดเมนแม่เหล็กในไดรเวอร์แม่เหล็ก รูป a มีเส้นฟลักซ์ แต่การไหลจะกลับทิศทาง

รูป. f แสดงเส้นฟลักซ์ตามฟิลด์ 'Hs' ที่ใช้และการจัดเรียงโดเมนแม่เหล็ก ที่นี่เส้นฟลักซ์ที่ผลิตจะถูกวัดด้วยหลักการ Hall Effect ดังนั้นค่านี้จะเป็นสัดส่วนกับแรงหรือความเครียดอินพุต

ประเภทของทรานสดิวเซอร์แมกนีโตสตริกทีฟ

ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟมีสองประเภท แมกนีโตสตริกชันที่เกิดขึ้นเองและแมกนีโตสตริกชันที่เกิดจากสนามแม่เหล็ก

การหดตัวของแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเอง

การหดตัวของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองเกิดขึ้นจากการจัดลำดับแม่เหล็กของโมเมนต์อะตอมภายใต้อุณหภูมิคูรี Magnetostriction ชนิดนี้ใช้ในโลหะผสมที่มี NiFe ซึ่งเรียกว่า invar และแสดงอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเป็นศูนย์จนถึงอุณหภูมิคูรี

การทำให้แม่เหล็กอิ่มตัวของวัสดุลดลงเมื่อให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิคูรี เนื่องจากการลดลงภายในจำนวนการจัดเรียงของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอม เมื่อการจัดเรียงนี้และความอิ่มตัวของแม่เหล็กลดลง การขยายตัวของปริมาตรก็จะลดลงเช่นกันผ่านแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองและการหดตัวของวัสดุ

ในกรณี invar การหดตัวนี้เนื่องจากการสูญเสียสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองนั้นเทียบเท่ากับการขยายตัวที่เกิดจากวิธีการสั่นด้วยความร้อนตามปกติ และด้วยเหตุนี้วัสดุจะแสดงว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงภายในมิติ แต่เหนืออุณหภูมิคูรี โดยปกติการขยายตัวทางความร้อนจะเกิดขึ้นและไม่มีการสั่งแม่เหล็กอีกต่อไป

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำส่วนใหญ่เกิดขึ้นส่วนใหญ่จากการจัดเรียงโดเมนแม่เหล็กในแอปพลิเคชันภาคสนาม วัสดุ Terfenol แสดงการหดตัวของแม่เหล็กที่มีประโยชน์มากที่สุด ซึ่งเป็นส่วนผสมของ Tb, Fe และ Dy วัสดุ Terfenol ใช้สำหรับเซ็นเซอร์ตำแหน่ง เซ็นเซอร์ภาคสนาม แอคชูเอเตอร์เชิงกลและลำโพง

เซ็นเซอร์โหลด (หรือ) การจัดเรียงแม่เหล็กเข้มงวดเพียงทำงานผ่านข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อใดก็ตามที่วัสดุแมกนีโตสตริกทีฟประสบกับความเครียด การสะกดจิตของวัสดุจะเปลี่ยนไป โดยปกติแล้ว แอคชูเอเตอร์ของ Terfenol จะประกอบด้วยแท่ง Terfenol ที่ถูกจัดเรียงภายใต้การบีบอัดเพื่อจัดเรียงโดเมนแม่เหล็กให้มีความยาวแท่งในแนวตั้งฉาก มีการใช้ขดลวดรอบแท่ง Terfenol ฟิลด์จะถูกนำไปใช้กับแท่งเพื่อจัดเรียงโดเมนตลอดความยาวของมัน

ความแตกต่างระหว่าง Magnetostrictive และ Piezoelectric Transducer

ความแตกต่างระหว่างทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟและเพียโซอิเล็กทริกมีดังต่อไปนี้

จะเลือกทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟได้อย่างไร

การเลือกทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟสามารถทำได้ตามข้อมูลจำเพาะด้านล่าง

• ทรานสดิวเซอร์นี้ต้องใช้วัสดุแม่เหล็กชนิดหนึ่งเพื่อให้สามารถโต้ตอบและทำแผนที่ระยะทางได้อย่างแม่นยำ
• ทรานสดิวเซอร์ต้องอนุญาตการวัดแบบไร้สัมผัสและไม่สึกหรอ
• ช่วงของมันจะต้องอยู่ระหว่าง 50 ถึง 2,500 มม.
• ความละเอียดสูงสุดควรอยู่ที่ประมาณ 2 µm
• ความเป็นเชิงเส้นสูงสุดต้องเป็น ±0.01 %
• ความเร็วการเคลื่อนที่ควรน้อยกว่า 10 เมตร/วินาที
• เอาต์พุตแบบอะนาล็อกคือ 0 ถึง 10 V, 4 ถึง 20 mA
• การจ่ายแรงดันไฟฟ้า 24 VDC ±20 %
• ระดับการป้องกัน IP67
• อุณหภูมิในการทำงานต้องอยู่ระหว่าง -30..+75 °C

ข้อดีและข้อเสีย

เดอะ ข้อดีของทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟ รวมสิ่งต่อไปนี้

• ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้เชื่อถือได้ ไม่ต้องบำรุงรักษา ลดโอกาสเกิดข้อผิดพลาดในการทำงานและเวลาหยุดทำงานของเครื่องจักรได้อย่างมาก
• ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟไม่มีส่วนสัมผัส จึงมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า
• สิ่งเหล่านี้มีความแม่นยำมากกว่าเมื่อเทียบกับทรานสดิวเซอร์แบบสัมผัสคงที่
• มีความไวที่ดี การตรวจสอบระยะไกล ความทนทาน การนำไปใช้งานง่าย ฯลฯ

เดอะ ข้อเสียของทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟ รวมสิ่งต่อไปนี้

• ทรานสดิวเซอร์แม่เหล็กมีราคาแพง
• ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟมีข้อจำกัดด้านขนาด ดังนั้น จึงถูกจำกัดให้ทำงานที่ความถี่ต่ำกว่า 30 kHz โดยประมาณ

แอพพลิเคชั่น

เดอะ การประยุกต์ใช้ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟ รวมสิ่งต่อไปนี้

• ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟใช้สำหรับการวัดตำแหน่ง
• ทรานสดิวเซอร์นี้มีบทบาทสำคัญในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานแม่เหล็ก
  ก่อนหน้านี้ อุปกรณ์นี้ถูกใช้ในแอพพลิเคชั่นต่างๆ ซึ่งรวมถึงทอร์กมิเตอร์ ไฮโดรโฟน อุปกรณ์โซนาร์สแกน เครื่องรับโทรศัพท์ ฯลฯ
• ในปัจจุบัน มีการใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น มอเตอร์เชิงเส้นแรงสูง ระบบควบคุมเสียงรบกวนหรือการสั่นสะเทือนแบบแอคทีฟ อัลตราโซนิกทางการแพทย์และอุตสาหกรรม ตัวกำหนดตำแหน่งสำหรับออปติกแบบปรับได้ ปั๊ม ฯลฯ
• ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่ได้รับการพัฒนาเพื่อผลิตเครื่องมือผ่าตัด การแปรรูปทางเคมี การแปรรูปวัสดุ และโซนาร์ใต้น้ำ
• ทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟใช้สำหรับการวัดแรงบิดที่พัฒนาโดยเพลาหมุนภายในชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ของเครื่องจักร
• แอปพลิเคชั่นทรานสดิวเซอร์นี้แบ่งออกเป็นสองโหมด หมายถึง Joule Effect และอีกอันคือ Villari Effect เมื่อพลังงานจากแม่เหล็กเป็นกลไกถูกแปลง จะถูกใช้เพื่อสร้างแรงในกรณีของแอคชูเอเตอร์ และสามารถใช้ตรวจจับสนามแม่เหล็กในกรณีของเซ็นเซอร์ หากพลังงานจากกลไกเป็นแม่เหล็กเปลี่ยนไป พลังงานจะถูกใช้เพื่อตรวจจับการเคลื่อนไหวหรือแรง

ดังนั้น นี่คือภาพรวมของทรานสดิวเซอร์แบบแมกนีโตสตริกทีฟ ทรานสดิวเซอร์นี้เรียกอีกอย่างว่าทรานสดิวเซอร์แบบยืดหยุ่นของแมกนีโต ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้มีอิมพีแดนซ์อินพุตเชิงกลที่สูงมาก และเหมาะสมสำหรับการวัดแรงสถิตและแรงไดนามิก การเร่งความเร็ว และแรงดันขนาดใหญ่ มีความแข็งแกร่งในโครงสร้างและเมื่อใช้ทรานสดิวเซอร์เหล่านี้เป็นแอคทีฟทรานสดิวเซอร์ อิมพีแดนซ์เอาต์พุตจะต่ำ นี่คือคำถามสำหรับคุณคืออะไร แม่เหล็ก ปรากฏการณ์?