RU214164U1 - Measuring element for magnetostrictive linear encoder - Google Patents

Measuring element for magnetostrictive linear encoder Download PDF

Info

Publication number
RU214164U1
RU214164U1 RU2021120341U RU2021120341U RU214164U1 RU 214164 U1 RU214164 U1 RU 214164U1 RU 2021120341 U RU2021120341 U RU 2021120341U RU 2021120341 U RU2021120341 U RU 2021120341U RU 214164 U1 RU214164 U1 RU 214164U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
magnetostrictive
measuring element
amplitude
utility
Prior art date
Application number
RU2021120341U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Артем Андреевич Казанов
Иван Иванович Судаков
Анна Александровна Коваленко
Андрей Павлович Сарайкин
Original Assignee
ООО "ТрейсЛайн"
Filing date
Publication date
Application filed by ООО "ТрейсЛайн" filed Critical ООО "ТрейсЛайн"
Application granted granted Critical
Publication of RU214164U1 publication Critical patent/RU214164U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в магнитострикционных датчиках для измерений и контроля линейных перемещений и положения различных механизмов.The utility model relates to measuring technology and can be used in magnetostrictive sensors for measuring and controlling linear displacements and the position of various mechanisms.

Измерительный элемент для магнитострикционного преобразователя линейных перемещений выполнен в виде катушки возбуждения, намотанной на диэлектрическую трубку, вдоль которой может свободно двигаться магнитный позиционер (один или несколько), обладающий возможностью механической связи с контролируемым объектом. Внутри диэлектрической трубки размещен волновод из материала с выраженным магнитострикционным эффектом, который появляется при намагничивании волновода магнитным полем катушки возбуждения. На одном из концов волновода закреплена концентрирующая накладка и пьезоэлемент, образующие электроакустический преобразователь, который преобразует ультразвуковой сигнал, вызванный продольным колебанием волновода, в электрический сигнал с целью дальнейшей обработки.The measuring element for a magnetostrictive linear displacement transducer is made in the form of an excitation coil wound on a dielectric tube, along which a magnetic positioner (one or more) can move freely, having the possibility of mechanical connection with the controlled object. Inside the dielectric tube there is a waveguide made of a material with a pronounced magnetostrictive effect, which appears when the waveguide is magnetized by the magnetic field of the excitation coil. At one end of the waveguide, a concentrating pad and a piezoelectric element are fixed, forming an electroacoustic transducer that converts the ultrasonic signal caused by the longitudinal vibration of the waveguide into an electrical signal for further processing.

Сущность полезной модели заключается в использовании в качестве материала волновода металлического стержня из стали ферритного класса марки 12X17 по ГОСТ 5632-2014, который значительно улучшает магнитострикционные свойства волновода по сравнению с прототипом, за счет повышения коэффициента эффективности отклика системы и снижения соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом.The essence of the utility model is to use as a waveguide material a metal rod made of ferritic steel grade 12X17 according to GOST 5632-2014, which significantly improves the magnetostrictive properties of the waveguide compared to the prototype, by increasing the efficiency of the system response and reducing the ratio of the amplitude of the signal generated by the residual magnetization, to the amplitude of the useful signal generated by the magnet.

Технический результат полезной модели состоит в существенном повышении точности измерений в магнитострикционных датчиках линейных перемещений, работающих на основе принципа продольных колебаний, с использованием заявляемого измерительного элемента, за счет подбора сплава для волновода на основе хромистой стали ферритного класса марки 12Х17 по ГОСТ 5632-2014. При использовании данного сплава в качестве волновода измерительного элемента снижается погрешность измерений линейных перемещений по сравнению с прототипом, что позволяет создавать магнитострикционные датчики линейных перемещений на основе заявляемой полезной модели измерительного элемента с точностью измерений от ±0,1 мм, то есть в 10 раз точнее существующих устройств на основе запатентованных технологий.

Figure 00000004
The technical result of the utility model consists in a significant increase in the accuracy of measurements in magnetostrictive linear displacement sensors operating on the basis of the principle of longitudinal vibrations, using the inventive measuring element, by selecting an alloy for the waveguide based on ferritic chromium steel grade 12X17 according to GOST 5632-2014. When using this alloy as a waveguide of the measuring element, the measurement error of linear displacements is reduced compared to the prototype, which makes it possible to create magnetostrictive linear displacement sensors based on the claimed utility model of the measuring element with a measurement accuracy of ±0.1 mm, that is, 10 times more accurate than existing devices based on patented technologies.
Figure 00000004

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в магнитострикционных датчиках для измерений и контроля линейных перемещений и положения различных механизмов.The utility model relates to measuring technology and can be used in magnetostrictive sensors for measuring and controlling linear displacements and the position of various mechanisms.

Уровень техникиState of the art

Известны аналоги, предназначенные для измерений перемещений, основанные на магнитострикционном эффекте.Known analogues for measuring displacements based on the magnetostrictive effect.

Известен измерительный элемент для магнитострикционного датчика линейных перемещений, описанный в патенте [1], содержащий волновод из магнитострикционного материала с демпферами на концах, опрашивающую и выходную обмотки, размещенные на волноводе, постоянный магнит, связанный с объектом перемещения. Known measuring element for a magnetostrictive linear displacement sensor, described in the patent [1], containing a waveguide made of magnetostrictive material with dampers at the ends, interrogating and output windings placed on the waveguide, a permanent magnet associated with the object of movement.

Недостатком устройства [1] является отсутствие указанного материала звуковода, а также его влияния на точность измерений. The disadvantage of the device [1] is the absence of the specified material of the sound guide, as well as its impact on the measurement accuracy.

Известен измерительный элемент для магнитострикционного датчика [2], содержащий звукопровод из магнитострикционного материала, в качестве которого выбрана проволока со значительным магнитоупругим эффектом - низкоуглеродистая сталь 10 или 20. При этом отсутствует обоснование выбора материала звукопровода и оценка его влияния на точность измерений.A known measuring element for a magnetostrictive sensor [2], containing a sound guide made of a magnetostrictive material, which is a wire with a significant magnetoelastic effect - low-carbon steel 10 or 20. There is no justification for the choice of material for the sound guide and an assessment of its effect on measurement accuracy.

Известны измерительные элементы для магнитострикционных датчиков угловых перемещений, описанные в патентах [3] и [4], которые содержат звуковод в виде проволоки, сечением 1,0 мм, из прецизионных ферромагнитных сплавов 44НХТЮ, 42НХТЮ или им подобным, применение которых в известных устройствах гарантирует заданную точность измерений в известном интервале температур.Measuring elements for magnetostrictive angular displacement sensors are known, described in patents [3] and [4], which contain a sound guide in the form of a wire with a cross section of 1.0 mm, made of precision ferromagnetic alloys 44NKhTYu, 42NKhTYu or the like, the use of which in known devices guarantees given measurement accuracy in a known temperature range.

Известен магнитострикционный датчик угловых перемещений [5], в котором обосновано использование звуковода из недорогостоящих элинварных ферросплавов, применение которых гарантирует заданную точность измерений в более широком диапазоне температур, по сравнению с ферросплавами 44НХТЮ, 42НХТЮ.Known magnetostrictive sensor of angular displacements [5], which justified the use of a sound guide made of inexpensive elinvar ferroalloys, the use of which guarantees a given measurement accuracy in a wider temperature range, compared with ferroalloys 44NKhTYu, 42NKhTYu.

При этом в устройствах [3], [4], [5] также отсутствует исследование влияния материала волновода на точность измерений.At the same time, in the devices [3], [4], [5] there is also no study of the influence of the waveguide material on the measurement accuracy.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является измерительный элемент для магнитострикционного преобразователя линейных перемещений [8], выполненный в виде катушки возбуждения, намотанной на диэлектрическую трубку, вдоль которой может свободно двигаться магнитный позиционер (один или несколько), имеющий возможность соединения с контролируемым объектом, внутри диэлектрической трубки размещен звукопровод из материала с выраженным магнитострикционным эффектом, а на одном из концов звукопровода закреплен пьезоэлемент, выполненный в виде электроакустического преобразователя. В качестве материала звукопровода в прототипе применяется низкоуглеродистая сталь 10.The closest analogue, taken as a prototype, is a measuring element for a magnetostrictive linear displacement transducer [8], made in the form of an excitation coil wound on a dielectric tube, along which a magnetic positioner (one or more) can freely move, which can be connected to a controlled object , a sound duct made of a material with a pronounced magnetostrictive effect is placed inside the dielectric tube, and a piezoelectric element made in the form of an electroacoustic transducer is fixed at one of the ends of the sound duct. Low-carbon steel 10 is used as the material of the sound guide in the prototype.

Недостатком прототипа, как и устройств [1], [2], [3], [4] и [5] является отсутствие обоснования выбора материала звуковода (волновода) и оценки его влияния на точность измерений. Применяемые в данных устройствах сплавы для волноводов имеют существенные недостатки, связанные с магнитострикционным эффектом, которые ограничивают повышение точностных характеристик магнитострикционных преобразователей перемещений.The disadvantage of the prototype, as well as devices [1], [2], [3], [4] and [5] is the lack of substantiation of the choice of the material of the sound guide (waveguide) and evaluation of its impact on the measurement accuracy. The waveguide alloys used in these devices have significant drawbacks associated with the magnetostrictive effect, which limit the increase in the accuracy characteristics of magnetostrictive displacement transducers.

В известных работах [6] и [7] исследованы свойства магнитострикционных преобразователей перемещений, которые определяются волноводом (звуководом), как основным преобразующим элементом, связанным с измерением физических параметров движения. Эксплуатационные и метрологические свойства магнитострикционных преобразователей перемещений напрямую зависят от физико-механических, электрических и магнитных характеристик материалов волноводов, которые, в свою очередь, чувствительны к химическому составу материала, наличию примесей и технологии изготовления.In the well-known works [6] and [7], the properties of magnetostrictive displacement transducers, which are determined by the waveguide (sound guide), as the main transforming element associated with the measurement of the physical parameters of motion, are studied. The operational and metrological properties of magnetostrictive displacement transducers directly depend on the physical-mechanical, electrical and magnetic characteristics of waveguide materials, which, in turn, are sensitive to the chemical composition of the material, the presence of impurities and manufacturing technology.

Известные работы [6] и [7] позволяют рассмотреть задачу увеличения точности измерений линейных перемещений с учетом влияния магнитоупругих свойств материала волновода.The well-known works [6] and [7] allow us to consider the problem of increasing the accuracy of measurements of linear displacements, taking into account the influence of the magnetoelastic properties of the waveguide material.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает решение технической проблемы существенного повышения точности измерений линейных перемещений магнитострикционным преобразователем, за счет выбора сплава волновода, сочетающего оптимальные механические, электрические и магнитные характеристики.The proposed utility model provides a solution to the technical problem of significantly increasing the accuracy of measuring linear displacements with a magnetostrictive transducer, by choosing a waveguide alloy that combines optimal mechanical, electrical and magnetic characteristics.

Раскрытие сущности полезной моделиDisclosure of the essence of the utility model

Измерительный элемент для магнитострикционного датчика линейных перемещений выполнен в виде катушки возбуждения, намотанной на диэлектрическую трубку, вдоль которой может свободно двигаться магнитный позиционер (один или несколько), обладающий возможностью механической связи с контролируемым объектом. Внутри диэлектрической трубки размещен волновод из материала с выраженным магнитострикционным эффектом, который появляется при намагничивании волновода магнитным полем катушки возбуждения. На одном из концов волновода закреплена концентрирующая накладка и пьезоэлемент, образующие электроакустический преобразователь, который преобразует ультразвуковой сигнал, вызванный продольным колебанием волновода, в электрический сигнал с целью дальнейшей обработки.The measuring element for a magnetostrictive linear displacement sensor is made in the form of an excitation coil wound on a dielectric tube, along which a magnetic positioner (one or more) can freely move, having the possibility of mechanical connection with the controlled object. Inside the dielectric tube there is a waveguide made of a material with a pronounced magnetostrictive effect, which appears when the waveguide is magnetized by the magnetic field of the excitation coil. At one end of the waveguide, a concentrating pad and a piezoelectric element are fixed, forming an electroacoustic transducer that converts the ultrasonic signal caused by the longitudinal vibration of the waveguide into an electrical signal for further processing.

Общий вид измерительного элемента для магнитострикционного датчика линейных перемещений приведен на фиг.1.General view of the measuring element for a magnetostrictive linear displacement sensor is shown in Fig.1.

На основе проведенных авторами исследований различных сплавов, а также с учетом анализа имеющихся литературных данных, был выбран сплав, который значительно улучшает магнитострикционные свойства волновода по сравнению с прототипом, за счет повышения коэффициента эффективности отклика системы и снижения соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом. Сущность полезной модели заключается в использовании в качестве материала волновода металлического стержня из стали ферритного класса марки 12X17 по ГОСТ 5632-2014, обеспечивающего существенное снижение погрешности измерений линейных перемещений по сравнению с прототипом. Based on the studies of various alloys carried out by the authors, as well as taking into account the analysis of the available literature data, an alloy was chosen that significantly improves the magnetostrictive properties of the waveguide compared to the prototype, by increasing the efficiency of the system response and reducing the ratio of the amplitude of the signal formed by the residual magnetization to the amplitude of the useful signal generated by the magnet. The essence of the utility model lies in the use of a metal rod made of ferritic steel grade 12X17 according to GOST 5632-2014 as a waveguide material, which provides a significant reduction in the measurement error of linear displacements compared to the prototype.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 приведен общий вид полезной модели - измерительного элемента для магнитострикционного датчика линейных перемещений, где обозначены позиции:In FIG. 1 shows a general view of the utility model - a measuring element for a magnetostrictive linear displacement sensor, where the positions are indicated:

1 – волновод,1 - waveguide,

2 – пьезоэлемент,2 - piezoelectric element,

3 – концентрирующая накладка,3 - concentrating pad,

4 – катушка возбуждения,4 - excitation coil,

5 – трубка полиэтиленовая,5 - polyethylene tube,

6 – магнит постоянный кольцевой.6 - permanent ring magnet.

На фиг. 2 представлена схема испытательной установки для испытаний образцов волноводов из различных материалов, где обозначены позиции:In FIG. 2 shows a diagram of a test setup for testing samples of waveguides made of various materials, where positions are indicated:

7 – генератор постоянных импульсов (Г5-63),7 - constant pulse generator (G5-63),

8 – осциллограф (Rohde & Schwarz RTC1002),8 - oscilloscope (Rohde & Schwarz RTC1002),

9 – операционный усилитель с усилением сигнала 40:1.9 - operational amplifier with signal amplification 40:1.

На фиг. 3 представлена осциллограмма для расчета соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом. In FIG. Figure 3 shows an oscillogram for calculating the ratio of the amplitude of the signal generated by the residual magnetization to the amplitude of the useful signal generated by the magnet.

На фиг. 4 изображены осциллограммы выходного импульса сигнала, снятые с прототипа и с заявляемой полезной модели.In FIG. 4 shows oscillograms of the output signal pulse taken from the prototype and from the claimed utility model.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Полезная модель содержит катушку возбуждения 4, намотанную на диэлектрическую трубку 5, вдоль которой может свободно двигаться постоянный магнит 6 (один или несколько). Внутри диэлектрической трубки 5 размещен волновод 1, выполненный из стали марки 12X17 по ГОСТ 5632-2014. На одном из концов волновода 1 закреплена концентрирующая накладка 3 и пьезоэлемент 2, образующие электроакустический преобразователь.The utility model contains an excitation coil 4 wound on a dielectric tube 5, along which a permanent magnet 6 (one or more) can move freely. Inside the dielectric tube 5 there is a waveguide 1 made of steel grade 12X17 according to GOST 5632-2014. At one end of the waveguide 1, a concentrating pad 3 and a piezoelectric element 2 are fixed, forming an electroacoustic transducer.

Авторами данного технического решения полезной модели проведены исследования большого количества сплавов, подходящих по магнитным и эксплуатационным характеристикам для применения в качестве волновода для измерительного элемента в магнитострикционном датчике линейных перемещений, основанном на принципе продольных колебаний, а также проведен анализ имеющихся литературных данных для выбора химического состава сплава, который значительно улучшает магнитострикционные свойства волновода, за счет повышения коэффициента эффективности отклика системы (КЭОС) и уменьшения коэффициента соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (КН/ПС). The authors of this technical solution of the utility model have studied a large number of alloys that are suitable in terms of magnetic and operational characteristics for use as a waveguide for a measuring element in a magnetostrictive linear displacement sensor based on the principle of longitudinal vibrations, and also analyzed the available literature data to select the chemical composition of the alloy , which significantly improves the magnetostrictive properties of the waveguide, by increasing the efficiency of the system response (K EOS ) and reducing the ratio of the amplitude of the signal generated by the residual magnetization to the amplitude of the useful signal generated by the magnet (K N/PS ).

При подборе материала волновода, кроме электромагнитных характеристик, учитывались следующие дополнительные факторы: доступность материала необходимого сортамента (и его качества) на российском рынке; свойства материала, имеющие отношения к эксплуатационным характеристикам приборам (коррозионная стойкость, прочность и т. д).When selecting the waveguide material, in addition to electromagnetic characteristics, the following additional factors were taken into account: the availability of the material of the required assortment (and its quality) on the Russian market; material properties related to the performance of devices (corrosion resistance, strength, etc.).

Для подбора материала волновода проведены испытания образцов, различающихся по химическому составу. Для проверки образцов была создана испытательная установка. Схема установки приведена на фиг. 2. Волновод (1) диаметром 1 мм и длиной 1000 мм с установленным на него пьезоэлементом (2) поместили в полиэтиленовую трубку (3) с намотанной на неё, витком к витку, катушкой индуктивности (4). На катушку установили постоянный кольцевой магнит и несколько раз переместили по всей длине волновода (от края среза волновода до точки крепления пьезоэлемента) для снятия намагниченности, которая может быть в состоянии поставки материала, после чего кольцевой магнит устанавливается примерно на середине измерительного элемента. На катушку с генератора (7) подается короткий электрический импульс, заданной амплитуды и длительности, а на осциллографе (8) фиксируется амплитуда электрического сигнала, сформированного пьезоэлементом в результате преобразования акустического импульса упругой деформации, возникшего в точке воздействия на волновод (1) постоянного кольцевого магнита (6). Для возможности полноценно фиксировать импульс, сформированный пьезоэлементом, он усиливается с коэффициентом 40:1 операционным усилителем (9).To select the waveguide material, tests were carried out on samples differing in chemical composition. A test setup was set up to test the samples. The setup diagram is shown in Fig. 2. A waveguide (1) with a diameter of 1 mm and a length of 1000 mm with a piezoelectric element (2) installed on it was placed in a polyethylene tube (3) with an inductor coil (4) wound around it, turn to turn. A permanent ring magnet was installed on the coil and moved several times along the entire length of the waveguide (from the edge of the cut of the waveguide to the point of attachment of the piezoelectric element) to remove the magnetization, which may be in the material supply state, after which the ring magnet is installed approximately in the middle of the measuring element. A short electrical pulse of a given amplitude and duration is applied to the coil from the generator (7), and the amplitude of the electrical signal generated by the piezoelectric element as a result of the conversion of the acoustic elastic pulse generated at the point of impact on the waveguide (1) of the permanent ring magnet is recorded on the oscilloscope (8). (6). To be able to fully capture the pulse generated by the piezoelectric element, it is amplified with a factor of 40:1 by an operational amplifier (9).

Измерительный элемент работает следующим образом: на катушку (4) подается импульс возбуждения амплитудой 10 В, который вызывает магнитострикционный эффект в волноводе (1). В момент подачи импульса в катушку внешней схемой управления запускается таймер, который начинает отсчет времени. В точке взаимодействия постоянного кольцевого магнита (6) и волновода (1) возникает акустический импульс, который перемещается по волноводу и, достигая электроакустического преобразователя (2), преобразуется в электрический сигнал, после чего таймер выключается, а измеренное время используется для вычисления расстояния от постоянного кольцевого магнита (6) до электроакустического преобразователя (2). В данной испытательной установке время (T) измеряется осциллографом (8) и пересчитывается в единицы длины (L) вручную, с использованием формулы: The measuring element works as follows: an excitation pulse with an amplitude of 10 V is applied to the coil (4), which causes a magnetostrictive effect in the waveguide (1). At the moment a pulse is applied to the coil, an external control circuit starts a timer, which starts the countdown. At the point of interaction between the permanent ring magnet (6) and the waveguide (1), an acoustic pulse occurs, which travels along the waveguide and, reaching the electroacoustic transducer (2), is converted into an electrical signal, after which the timer is turned off, and the measured time is used to calculate the distance from the constant ring magnet (6) to electroacoustic transducer (2). In this test setup, time (T) is measured with an oscilloscope (8) and manually converted to units of length (L) using the formula:

Figure 00000001
(1)
Figure 00000001
(one)

где VЗВ - скорость распространения ультразвуковых колебаний в волноводе.where V SV is the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the waveguide.

В прототипе в качестве волновода использовался металлический стержень диаметром 1 мм из стали 10 по ГОСТ 1050 без термической обработки (в состоянии поставки).In the prototype, a metal rod with a diameter of 1 mm made of steel 10 according to GOST 1050 without heat treatment (as delivered) was used as a waveguide.

Подавая на катушку сигнал амплитудой Uвх = 10 В, получили амплитуду выходного сигнала на пьезоэлементе (усиленную) Uвых = 2 В.By applying a signal with amplitude Uin = 10 V to the coil, we obtained the amplitude of the output signal on the piezoelectric element (enhanced) Uout = 2 V.

Значение коэффициента эффективности отклика системы (КЭОС) для прототипа, при этом: The value of the system response efficiency factor (K EOS ) for the prototype, while:

Figure 00000002
(2)
Figure 00000002
(2)

Для расчета соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (КН/ПС), на осциллограмме измеренный уровень полезного сигнала (UПС) соотнесли с измеренным уровнем остаточной намагниченности (UН) (фиг.3) .To calculate the ratio of the amplitude of the signal generated by the remanence to the amplitude of the useful signal generated by the magnet (K N/PS ), on the oscillogram, the measured level of the useful signal (U PS ) was correlated with the measured level of residual magnetization (U H ) (figure 3).

При полученном выходном сигнале Uвых = 2 В, измеренная амплитуда уровня намагниченности для прототипа составляет UН = 0,3 В. Коэффициент соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом, составляет:With the obtained output signal Uout = 2 V, the measured amplitude of the magnetization level for the prototype is U N = 0.3 V. The ratio of the amplitude of the signal generated by the residual magnetization to the amplitude of the useful signal generated by the magnet is:

Figure 00000003
(3)
Figure 00000003
(3)

Задачей заявляемой полезной модели является увеличение точности измерений в магнитострикционных датчиках линейных перемещений, в работе которых реализован принцип продольных колебаний, за счет значительного улучшения магнитных свойств волновода измерительного элемента по сравнению с прототипом. The objective of the claimed utility model is to increase the accuracy of measurements in magnetostrictive linear displacement sensors, in which the principle of longitudinal oscillations is implemented, due to a significant improvement in the magnetic properties of the measuring element waveguide compared to the prototype.

Технический результат достигается путем подбора сплава, имеющего минимальное значение КН/ПС, при максимальном значении КЭОС.The technical result is achieved by selecting an alloy having a minimum value of K N/PS , with a maximum value of K EOS .

На первом этапе исследования были проведены испытания измерительных элементов с волноводами из материалов со специальными магнитными свойствами, широко применяемых в магнитострикционных устройствах. Характеристики испытанных сталей приведены в таблице 1.At the first stage of the study, testing of measuring elements with waveguides made of materials with special magnetic properties, widely used in magnetostrictive devices, was carried out. The characteristics of the tested steels are shown in Table 1.

Таблица 1 - Характеристики сталей со специальными магнитными свойствамиTable 1 - Characteristics of steels with special magnetic properties

Марка сплаваAlloy grade Коэрцитивная сила,
Нс (А/м)
Coercive force,
Ns (A/m)
Остаточная намагниченность,
Вс (Тл)
residual magnetization,
Sun (T)
65К65K 100100 2,202.20 НП2NP2 8080 1,601.60 44НХТЮ44NKhTYu 0,280.28 47,7547.75 42НХТЮ42NKhTYu 0,180.18 47,7547.75

Результаты испытаний и расчета по формулам (2) и (3) для сталей из таблицы 1 приведены в таблице 2. Для удобства анализа в таблицу 2 занесены и данные стали 10, используемой в прототипе.The results of tests and calculations according to formulas (2) and (3) for steels from table 1 are shown in table 2. For convenience of analysis, data of steel 10 used in the prototype are also listed in table 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний и расчета КЭОС и КН/ПС для сталей со специальными магнитными свойствамиTable 2 - Results of testing and calculation of K EOS and K N / PS for steels with special magnetic properties

Марка сплаваAlloy grade Ампли-туда входного сигнала, Uвх, ВInput signal amplitude, Uin, V Ампли-туда выход-ного сигнала, Uвых, ВOutput signal amplitude, Uout, V Амплиту-да сигна-ла, сформи-рованного остаточ-ной намагни-чен-ностью,
Uш, В
The amplitude of the signal generated by the residual magnetism,
Ush, V
Коэффи-циент эффек-тивности отклика системы, КЭОС System response efficiency coefficient, K EOS Соотношение амплитуды сигнала, сформирован-ного остаточной намагни-ченностью, к амплитуде выходного сиг-нала, КН/ПС The ratio of the amplitude of the signal formed by residual magnetization to the amplitude of the output signal, K N / PS
10 (прототип)10 (prototype) 10ten 2,02.0 0,30.3 0,200.20 0,150.15 65К65K 10ten 3,23.2 0,50.5 0,320.32 0,160.16 НП2NP2 10ten 5,05.0 3,03.0 0,500.50 0,600.60 44НХТЮ44NKhTYu 10ten 4,44.4 2,12.1 0,440.44 0,480.48 42НХТЮ42NKhTYu 10ten 4,84.8 2,02.0 0,480.48 0,430.43

Полученные данные по коэффициентам КЭОС и КН/ПС для специальных сплавов не позволяют выбрать один из них в качестве материала волновода, так как несмотря на более высокий коэффициент КЭОС, коэффициент КН/ПС также увеличен, по сравнению с данными по прототипу, что не позволит существенно улучшить выходной сигнал. По ключевому показателю КН/ПС материал прототипа оказался значительно лучше специальных марок стали, предназначенных для магнитострикционных устройств.The obtained data on the coefficients K EOS and K N / PS for special alloys do not allow choosing one of them as the material of the waveguide, since despite the higher coefficient K EOS , the coefficient K N / PS is also increased, compared with the data on the prototype, which will not significantly improve the output signal. According to the key indicator K N / PS , the material of the prototype turned out to be significantly better than special steel grades intended for magnetostrictive devices.

На втором этапе исследования были выбраны и испытаны марки конструкционной стали, доступные на российском рынке, с наименьшим значением остаточной намагниченности по [6]. Выбранные марки стали и их характеристики приведены в таблице 3.At the second stage of the study, structural steel grades available on the Russian market with the lowest value of residual magnetization according to [6] were selected and tested. Selected steel grades and their characteristics are shown in Table 3.

Таблица 3 - Магнитные характеристики конструкционных сталейTable 3 - Magnetic characteristics of structural steels

СтальSteel Коэрцитивная сила,
Нс (А/м)
Coercive force,
Ns (A/m)
Остаточная намагниченность,
Вс (Тл)
residual magnetization,
Sun (T)
10 (прототип)10 (prototype) 240240 0,80.8 20twenty 320320 1,171.17 08Х17Т08Х17Т 400400 0,410.41 12Х1712X17 230230 0,30.3 20Х1320X13 11101110 0,580.58

В соответствии с таблицей 3 наименьшей остаточной намагниченностью обладает сталь марки 12X17. В таблице 4 приведены данные испытаний, а также рассчитанные значения КЭОС и КН/ПС.In accordance with table 3, steel grade 12X17 has the lowest residual magnetization. Table 4 shows the test data, as well as the calculated values of K EOS and K N/PS .

Таблица 4 - Результаты испытаний и расчета КЭОС и КН/ПС для сталейTable 4 - Results of testing and calculation of K EOS and K N / PS for steels

Марка сплаваAlloy grade Ампли-туда входного сигнала, Uвх, ВInput signal amplitude, Uin, V Ампли-туда выход-ного сигнала, Uвых, ВOutput signal amplitude, Uout, V Ампли-туда сигнала, сформи-рованного остаточ-ной намаг-ничен-ностью,
Uш, В
The amplitude of the signal generated by the residual magnetization,
Ush, V
Коэффи-циент эффек-тивности отклика системы, КЭОС System response efficiency coefficient, K EOS Соотношение амплитуды сигнала, сформирован-ного остаточной намагни-ченностью, к амплитуде выходного сиг-нала, КН/ПС The ratio of the amplitude of the signal formed by residual magnetization to the amplitude of the output signal, K N / PS
10ten 10ten 2,02.0 0,300.30 0,200.20 0,150.15 65К65K 10ten 3,23.2 0,500.50 0,320.32 0,160.16 НП2NP2 10ten 5,05.0 3,003.00 0,500.50 0,600.60 44НХТЮ44NKhTYu 10ten 4,44.4 2,12.1 0,440.44 0,480.48 42НХТЮ42NKhTYu 10ten 4,84.8 2,02.0 0,480.48 0,430.43 12Х1712X17 10ten 3,03.0 0,150.15 0,30.3 0,050.05

В соответствии с результатами испытаний волновод из стали ферритного класса марки 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 имеет коэффициент эффективности отклика системы (КЭОС) выше, чем у прототипа, а коэффициент соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (КН/ПС), существенно ниже, что позволят считать сталь с содержанием 16-18% хрома, остальное железо, с минимальным содержанием других примесей в составе, лучшим материалом волновода (из исследованных) для измерительного элемента в составе магнитострикционного датчика линейных перемещений, в работе которого реализован принцип продольных колебаний, с повышенной точностью измерений. In accordance with the test results, the waveguide made of ferritic steel grade 12X17 according to GOST 5632-2014 has a system response efficiency coefficient (K EOS ) higher than that of the prototype, and the ratio of the amplitude of the signal generated by the residual magnetization to the amplitude of the useful signal generated by the magnet ( K N/PS ), which is significantly lower, which will make it possible to consider steel with a content of 16-18% chromium, the rest of iron, with a minimum content of other impurities in the composition, the best waveguide material (from those studied) for a measuring element as part of a magnetostrictive linear displacement sensor, in which implements the principle of longitudinal oscillations, with increased measurement accuracy.

На фиг. 4 приведена осциллограмма выходного сигнала для испытуемого измерительного элемента с волноводом в виде стержня из стали марки 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 (фиг. 4б) и осциллограмма прототипа (фиг. 4а).In FIG. Figure 4 shows the oscillogram of the output signal for the tested measuring element with a waveguide in the form of a rod made of steel grade 12X17 according to GOST 5632-2014 (Fig. 4b) and an oscillogram of the prototype (Fig. 4a).

Результатом применения нового материла волновода, отраженным на осциллограммах, является снижение влияния остаточной намагниченности на формирование полезного сигнала, которое происходит в процессе интерференции (сложения) двух типов акустических волн, образующихся в волноводе во время измерительного цикла. При этом один тип волн возникает единовременно по всей длине волновода в результате остаточной намагниченности последнего, а другой тип возникает в точке взаимодействия волновода с постоянным кольцевым магнитом и является полезным сигналом. Явление интерференции, возникающее при взаимодействии данных типов волн, вызывает искажение фронтов полезного сигнала, используемых в качестве точек отсчета для измерения времени (и как следствие, линейного расстояния). В результате неоднородности импульсов, вызываемых остаточной намагниченностью, как по амплитуде, так и по времени возникновения, компенсировать погрешность методом калибровки и введением поправочных коэффициентов практически невозможно. Таким образом, снижение погрешности реализуется при помощи снижения коэффициента соотношения амплитуды сигнала, сформированного остаточной намагниченностью, к амплитуде полезного сигнала, сформированного магнитом (КН/ПС), что практически достигается выбором материала волновода с наименьшей остаточной намагниченностью, при наибольшем значении коэффициента эффективности отклика системы (КЭОС).The result of the use of a new waveguide material, reflected on the oscillograms, is a decrease in the influence of residual magnetization on the formation of a useful signal, which occurs in the process of interference (addition) of two types of acoustic waves generated in the waveguide during the measurement cycle. In this case, one type of waves occurs simultaneously along the entire length of the waveguide as a result of the residual magnetization of the latter, and the other type occurs at the point of interaction of the waveguide with a permanent ring magnet and is a useful signal. The phenomenon of interference that occurs when these types of waves interact causes distortion of the fronts of the useful signal, which are used as reference points for measuring time (and, as a result, linear distance). As a result of the inhomogeneity of the pulses caused by the residual magnetization, both in amplitude and in the time of occurrence, it is practically impossible to compensate for the error by the calibration method and the introduction of correction factors. Thus, the error is reduced by reducing the ratio of the amplitude of the signal generated by the residual magnetization to the amplitude of the useful signal generated by the magnet (K N/PS ), which is practically achieved by choosing the waveguide material with the lowest residual magnetization, at the highest value of the system response efficiency coefficient (To EOS ).

При оценке влияние коэффициента КН/ПС на точность измерений линейных перемещений установлено, что в случае использования сплавов из таблицы 1, погрешность измерения составляет от ±0,5 до ±1,0 мм, что подтверждается отсутствием на рынке датчиков линейных перемещений, работающих на основе принципа продольных колебаний, с погрешностью измерений линейных перемещений менее, чем ±1 мм. В случае применения стали 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 погрешность уменьшается до значения ±0,1 мм.When evaluating the effect of the coefficient K N / PS on the accuracy of measuring linear displacements, it was found that in the case of using alloys from Table 1, the measurement error is from ± 0.5 to ± 1.0 mm, which is confirmed by the lack of linear displacement sensors on the market operating on based on the principle of longitudinal vibrations, with an error in measuring linear displacements less than ±1 mm. In the case of using steel 12X17 according to GOST 5632-2014, the error is reduced to ±0.1 mm.

Технический результат полезной модели состоит в существенном повышении точности измерений в магнитострикционных датчиках линейных перемещений, работающих на основе принципа продольных колебаний, с использованием заявляемого измерительного элемента, за счет подбора сплава для волновода на основе хромистой стали. При использовании данного сплава в качестве волновода измерительного элемента снижается погрешность измерений линейных перемещений по сравнению с прототипом, что позволяет создавать магнитострикционные датчики линейных перемещений на основе заявляемой полезной модели измерительного элемента с точностью измерений от ±0,1 мм, то есть в 10 раз точнее существующих устройств на основе запатентованных технологий. При этом используемый в качестве волновода стержень из стали 12Х17 по ГОСТ 5632-2014 сочетает оптимальные механические, электрические, магнитные и эксплуатационные характеристики.The technical result of the utility model consists in a significant increase in the accuracy of measurements in magnetostrictive linear displacement sensors operating on the basis of the principle of longitudinal vibrations, using the inventive measuring element, by selecting an alloy for the waveguide based on chromium steel. When using this alloy as a waveguide of the measuring element, the measurement error of linear displacements is reduced compared to the prototype, which makes it possible to create magnetostrictive linear displacement sensors based on the claimed utility model of the measuring element with a measurement accuracy of ±0.1 mm, that is, 10 times more accurate than existing devices based on patented technologies. At the same time, a rod made of steel 12X17 according to GOST 5632-2014 used as a waveguide combines optimal mechanical, electrical, magnetic and operational characteristics.

Источники информацииSources of information

1. Патент RU 2 121 658 C1, кл. G 01 B 17/00, 1998.1. Patent RU 2 121 658 C1, class. G 01 B 17/00, 1998.

2. Патент RU 2 222 786 C1, кл. G 01 F 23/28, 2004.2. Patent RU 2 222 786 C1, class. G 01 F 23/28, 2004.

3. Патент RU 2 343 645 C2, кл. H 04 R 15/00, G 01 B 17/00, 2009.3. Patent RU 2 343 645 C2, class. H 04 R 15/00, G 01 B 17/00, 2009.

4. Патент RU 2 452 918 C2, кл. G 01 B 17/00, 2012.4. Patent RU 2 452 918 C2, class. G 01 B 17/00, 2012.

5. Патент RU 2 032 179 C1, кл. G 01 P 3/481, 1995.5. Patent RU 2 032 179 C1, class. G 01 P 3/481, 1995.

6. Материалы для чувствительных элементов магнитострикционных преобразователей параметров движения / Э.А. Артемьев, В.Н. Прошкин // Труды международного симпозиума «Надежность и качество». – Пенза: 2012 – Т. 2 – С. 258.6. Materials for sensitive elements of magnetostrictive transducers of motion parameters / E.A. Artemiev, V.N. Proshkin // Proceedings of the International Symposium "Reliability and Quality". - Penza: 2012 - Vol. 2 - S. 258.

7. Артемьев Э.А. Материалы для звукопроводов волноводных трактов магнитострикционных преобразователей перемещений. // Уч. пос. – Астрахань: АГТУ, 1997. – 93 с.7. Artemiev E.A. Materials for sound ducts of waveguide paths of magnetostrictive displacement transducers. // Uch. settlement - Astrakhan: AGTU, 1997. - 93 p.

8. Патент RU 134 631 U1, кл. G 01 B 17/00, 2013 - прототип.8. Patent RU 134 631 U1, class. G 01 B 17/00, 2013 - prototype.

Claims (1)

Измерительный элемент для магнитострикционного датчика линейных перемещений, выполненный в виде катушки возбуждения, намотанной на диэлектрическую трубку, внутри которой размещен волновод, выполненный из хромистых сталей с содержанием хрома от 15 до 19%, остальное железо, с минимальным содержанием других примесей в составе, при этом на одном из концов волновода закреплена концентрирующая накладка и пьезоэлемент, образующие электроакустический преобразователь.Measuring element for a magnetostrictive linear displacement sensor, made in the form of an excitation coil wound on a dielectric tube, inside which a waveguide is placed, made of chromium steels with a chromium content of 15 to 19%, the rest is iron, with a minimum content of other impurities in the composition, while at one end of the waveguide, a concentrating pad and a piezoelectric element are fixed, forming an electroacoustic transducer.
RU2021120341U 2021-07-09 Measuring element for magnetostrictive linear encoder RU214164U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU214164U1 true RU214164U1 (en) 2022-10-13

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1562700A1 (en) * 1988-07-01 1990-05-07 Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе Magnetostriction transducer of displacements
RU134631U1 (en) * 2013-04-15 2013-11-20 ООО "ОКБ Вектор" MAGNETOSTRICTION CONVERTER OF LINEAR MOVEMENTS
CN103529131A (en) * 2013-10-18 2014-01-22 国家电网公司 Adjustable magnetostrictive waveguide sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1562700A1 (en) * 1988-07-01 1990-05-07 Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе Magnetostriction transducer of displacements
RU134631U1 (en) * 2013-04-15 2013-11-20 ООО "ОКБ Вектор" MAGNETOSTRICTION CONVERTER OF LINEAR MOVEMENTS
CN103529131A (en) * 2013-10-18 2014-01-22 国家电网公司 Adjustable magnetostrictive waveguide sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Isla et al. Optimization of the bias magnetic field of shear wave EMATs
EP0204184A1 (en) Position detecting apparatus
US7215118B2 (en) Transducer for generating and measuring torsional waves, and apparatus and method for structural diagnosis using the same
CN109060206A (en) A kind of ferrimagnet stress measurement device and method
CN110471010B (en) SH of magnetostriction curve of ferromagnetic material0Modal ultrasonic guided wave measuring method
RU214164U1 (en) Measuring element for magnetostrictive linear encoder
Hristoforou et al. Sensors based on eddy currents in a moving disk
JP3299505B2 (en) Ultrasonic flaw detection method using magnetostriction effect
RU2660770C1 (en) Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids
JP3799415B2 (en) Magnetostrictive displacement detector
WO2006098404A1 (en) Method of measuring hydrogen concentration in member and device of measuring hydrogen concentration
Vorontsov et al. Mathematical modeling of output signal from acoustic path of magnetostrictive linear or angular displacement transducers
EP2243174B1 (en) Magnetostrictive displacement transducer with phase shifted bias burst
RU222271U1 (en) Magnetostrictive linear displacement sensor
Hristoforou New position sensor based on the magnetostrictive delay line principle
RU2104501C1 (en) Ultrasonic level indicator
Ferrari et al. Introducing a new measurement method for magnetostrictive linear displacement transducers
JPH02183117A (en) Displacement detector
DE4343225A1 (en) Ferromagnetic workpiece magnetic and mechanical testing method
JPS58501194A (en) Method and apparatus for magnetically testing mobile ferromagnetic specimens for mechanical properties
SU1129490A1 (en) Method of touch-free measuring of displacements
JP2001249118A (en) Method for ultrasonically detecting degradation of metal
US20220148787A1 (en) Hybrid magnetic core for inductive transducer
König et al. A Novel Method for Eddy Current based Velocity Estimation by Magnetostrictive Position Sensors
SU543868A1 (en) Electromagnetic transducer