Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 13. Магнитостриктивные преобразователи – актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента
В данной части статьи рассмотрены измерительные принципы и аспекты функционирования магнитостриктивных преобразователей — относительно нового в автоэлектронике класса датчиков на основе прямых и обратных физических эффектов, связанных с явлением магнитострикции. Физические свойства магнитостриктивных компонентов и разработанные в последние годы эффективные измерительные принципы обосновывают актуальность этого типа датчиков, предназначенных для решения многих задач автоэлектроники — детектирования линейного и нелинейного положения (криволинейного и углового), а также крутящего момента.
Все статьи цикла:
- Часть 1. Потенциометры и датчики Холла, (Компоненты и технологии №2’2005)
- Часть 2. Технологии, схемотехника, программирование и монтаж интегральных датчиков Холла, (Компоненты и технологии №3’2005)
- Часть 3. Физические основы и коммерческие перспективы технологий полупроводниковых и пермаллоевых магниторезистивных датчиков, (Компоненты и технологии №4’2005)
- Часть 4. Новые перспективы автомобильных датчиков — технологии магниторезисторов ГМР и КМР, (Компоненты и технологии №5’2005)
- Часть 5. Новые перспективы бесконтактных угловых измерений в диапазоне угла 360°, снова датчики Холла — угловые магнитные энкодеры, (Компоненты и технологии №6’2005)
- Часть 6. Концепции создания магнитных угловых энкодеров на основе эффекта Холла, (Компоненты и технологии №7’2005)
- Часть 7. MLX90316 MELEXIS – первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Tria*is, (Компоненты и технологии №8’2005)
- Часть 8. Классические индуктивные преобразователи — надёжный запас, (Компоненты и технологии №9’2005)
- Часть 10. Передовые технологические решения ведущих производителей индуктивных преобразователей, (Компоненты и технологии №2’2006)
- Часть 11. Ёмкостные датчики – новые игроки автомобильного рынка, (Компоненты и технологии №4’2006)
- Часть 12. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике, (Компоненты и технологии №5’2006)
- Часть 13. Магнитостриктивные преобразователи – актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента, (Компоненты и технологии №6’2006)
- Часть 14. Итоговый сравнительный анализ. Выводы и обновление, (Компоненты и технологии №7’2006)
Введение
В последние годы интерес многих автомобильных производителей и инженеров-разработчиков вызывают магнитостриктивные датчики, применение которых в автоэлектронике и промышленности обычно связано с предоставляемой ими возможностью детектирования значительных линейных перемещений [185–191]. Как было показано в предыдущих частях цикла, многие эффективные измерительные принципы реализованы именно в угловых системах автоэлектроники (эффект Холла, АМР, ГМР, оптические энкодеры, планарные индуктивные и емкостные датчики). Линейные датчики обычно отличаются значительной длиной (потенциометры, LVDT, энкодеры). За исключением потенциометров, реализация многих линейных систем связана также с важнейшим конструктивным ограничением, которым является значительная длина цели и, следовательно, цена. Уменьшение длины цели накладывает сопутствующие функциональные ограничения, такие как компромисс измерительного диапазона и разрешения (датчики Холла и некоторые другие известные концепции индуктивных, емкостных, оптических преобразователей и т. д).
В качестве примера задач линейных автомобильных систем можно назвать контроль подвески (положения кузова и колес), линейные датчики положения педалей акселератора и тормоза, сиденья, хода линейных двигателей рулевого управления и переключения коробки передач. Еще одно применение линейных датчиков относится к области автомобильного тестирования — для контроля размеров, поверхностей и зазоров.
На современном автомобильном рынке растет спрос на чисто линейные системы, поскольку в противном случае требуется включение системы прецизионных редукторных механизмов для преобразования линейного перемещения в многооборотное угловое движение. При этом получение компактного и недорогого измерительного сенсорного блока, напротив, означает увеличение системного пространства, сложности и цены. Включение системы редукторов также сопровождается некоторой потерей точности датчика в реальном времени, поскольку ее значение прямо пропорционально числу звеньев механизма, увеличивающих сумму цепочки допусков, и обратно пропорционально его цене.
Магнитостриктивные датчики — новая возможность для эффективного решения в первую очередь именно линейных задач. Благодаря бесконтактности, особенностям физических свойств компонентов и рабочего принципа, основанного на измерении времени распространения прямой и отраженной от цели волны (времени импульсного отклика), магнитостриктивные преобразователи отвечают растущим потребностям автомобильного рынка в датчиках с высокой надежностью, отличающихся значительным сроком службы, в течение которого обеспечивается стабильность временных и температурных характеристик. Магнитостриктивные датчики характеризуются высокой точностью, обусловленной высокими показателями качества сигнала: высокой линейностью, разрешающей способностью, ограничиваемой только обрабатывающей электроникой, высокой повторяемостью, малым гистерезисом, достаточной электромагнитной совместимостью.
Магнитостриктивные датчики позволяют детектировать значительные линейные перемещения (1–3 м и более), но вследствие своей природы работают менее эффективно на диапазонах до 150 мм.
До недавнего времени магнитостриктивные устройства предназначались в основном для применения в заводской автоматизации, выпускались в монолитном заказном исполнении в относительно малых партиях и продавались по достаточно высокой цене. Однако необходимость увеличения объемов и снижения цены — важнейших составляющих коммерческого успеха в автомобильной сфере — привела к интенсивному развитию магнитостриктивной технологии. Так, компания MTS создала модульную конструкцию датчика, предназначенного для непосредственного встраивания в автомобильные системы. Адаптация к условиям работы и уменьшение стоимости конструкции достигнуты за счет комбинирования различных исполнений взаимозаменяемых модулей с адаптируемым выходом.
Таким образом, для применения магнитостриктивных линейных измерителей в автоэлектронике сегодня практически не существует ограничений.
К числу важнейших применений встраиваемых магнитостриктивных датчиков относится производство амортизаторов, где востребованы бесконтактный дизайн датчика, высокие характеристики, абсолютный принцип измерений.
Для многооборотных угловых систем разработаны также методы детектирования углового положения, как в диапазоне менее 360°, так и свыше 360°. Помимо угловых и линейных перемещений магнитостриктивные датчики способны детектировать и любые нелинейные и уникальные траектории, что является их принципиальным отличием от всех прочих типов датчиков положения.
Еще одно актуальное и уникальное применение магнитостриктивных преобразователей в автоэлектронике— детектирование крутящего момента в системах рулевого управления и коробки передач. В отличие от методов вычислений дифференциальных углов двух валов кручения по сигналам от двух датчиков положения, применяемых в оптических, индуктивных или любых других системах, надежные и стабильные магнитостриктивные преобразователи позволяют с высокой точностью измерять крутящий момент единственного вала, используя при этом только один износостойкий магнитоупругий элемент и единственный бесконтактный датчик магнитного поля, что способствует снижению системной сложности и цены.
Поиск наиболее подходящего датчика положения для конкретной автомобильной системы — одна из насущных задач, которую решают современные инженеры. Она требует от них знаний о существующих преимуществах и ограничениях, а также о возможностях технологий, обеспечивающих рабочие характеристики.
Основная цель данной статьи — предоставление информации о современном технологическом уровне магнитостриктивных датчиков, иллюстрация преимуществ и недостатков преобразователей, которые необходимо учитывать разработчику при оптимизации конкретной автомобильной системы.
Теория магнитостриктивных датчиков
Магнитострикция — это свойство некоторых кристаллических, обычно ферромагнитных материалов, таких как железо, никель и кобальт, изменять размер и (или) форму при взаимодействии с внешним магнитным полем. Явление изменения размера и формы материала в магнитном поле представляет собой магнитостриктивный эффект.
Явление магнитострикции было открыто Дж. Джоулем в 1842 году. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, а также ряде сплавов и ферритах). Эта характеристика материала не изменяется со временем.
Считается, что материал характеризуется положительной магнитострикцией, если он расширяется при помещении в магнитное поле, и отрицательной магнитострикцией, если размеры материала уменьшаются. Средняя величина магнитострикции в основных металлах и простых магнитострикционных сплавах небольшая — порядка 1 мкм/м.
а, б — иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном стержне под действием внешнего магнитного поля B:
а — хаотичное распределение магнитных моментов доменов в отсутствие поля;
б — упорядочение магнитных моментов доменов при намагничивании внешним полем;
L0 — начальная длина стержня при B = 0; ΔL— удлинение при намагничивании;
в, г— иллюстрация магнитостриктивного эффекта в ферромагнитном проводнике с током I;
в— распределение магнитных моментов доменов под действием магнитного поля тока B;
г— скручивание магнитных моментов доменов под действием аксиального магнитного поля: 1— доменный стержень; 2— аксиальный постоянный магнит;
д— измерительный принцип магнитостриктивных датчиков MTS: 1— волновод; 2— постоянный магнит-цель; 3— измерительная лента; 4— сенсорная обмотка;
5— постоянный магнит, смещающий обмотку; 6— изоляционная трубка; 7— демпфер; I— импульсный ток;
B— скручивающий импульс (направление распространения импульса показано стрелками);
е— типичный магнитостриктивный датчик абсолютного линейного положения: 1— сенсорный стержень (волновод в защитной трубке); 2— постоянный магнит-цель;
3— электронный блок — магнитостриктивный датчик и интегрированная электроника обработки сигнала в корпусе; 4— терминалы преобразователя; 5— элемент крепления устройства
Для того чтобы объяснить явление магнитострикции, ферромагнитный материал рассматривается как физическая совокупность доменов — областей из многих атомов — малых постоянных магнитов, характеризующихся магнитными моментами [185–186, 190–195]. В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов в пространстве располагаются хаотично. При намагничивании материала домены выстраиваются вдоль своих легких осей намагниченности так, что магнитные моменты стремятся к параллельности друг другу и внешнему магнитному полю (рис. 83а, б).
На рис. 83б показано, что напряженность магнитного поля H при B>0 вызывает изменение размеров тела (длины стержня L0) вследствие выравнивания магнитных моментов доменов.
Таким образом, магнитостриктивные материалы преобразуют магнитную энергию в механическую, и наоборот. Намагничивание вызывает механическое напряжение магнитостриктивного материала, которое и приводит к изменению длины.
Поскольку приложение магнитного поля вызывает механическое напряжение, которое изменяет физические свойства магнитостриктивного материала, существует и обратный магнитостриктивный эффект, называемый эффектом Виллари: приложение внешней силы, образующей напряжение в магнитостриктивном материале (растяжение, кручение, изгиб и т. д.), изменяет магнитные свойства (магнитную проницаемость) материала.
Это двунаправленное сочетание магнитных и механических свойств обеспечивает преобразовательную способность и используется для создания как магнитостриктивных датчиков, так и исполнительных устройств.
Для создания магнитостриктивных датчиков положения применяются и прямой магнитостриктивный эффект, и эффект Виллари.
Магнитостриктивный эффект, представляющий собой взаимодействие внешнего магнитного поля с доменами, зависит от свойств материала — состава и способов обработки сплава (термического отжига, холодной обработки), а также от напряженности магнитного поля. Управление упорядочением доменов может быть оптимизировано правильным подбором перечисленных свойств и параметров.
Ферромагнитные материалы, используемые в магнитостриктивных датчиках положения, — это переходные металлы: никель, железо, кобальт. В переходных металлах третья электронная оболочка, удаленная от ядра, не заполнена на 100%, что допускает образование магнитного момента электрона. Магнитное поле вызывает изменение энергетического состояния электронов и увеличение расстояний между узлами в кристаллической решетке. Для того чтобы возвратить состояние низкой энергии электронов на поверхности, в кристалле возникает механическое напряжение.
Для создания датчиков линейного положения на основе проводов с током, изготовленных из магнитостриктивного материала, используется обусловленный магнитострикцией эффект Видемана — механическое закручивание ферромагнитного магнитостриктивного стержня с протекающим вдоль стержня электрическим током при одновременном действии на него кругового магнитного поля, созданного током, и продольного (спирального) магнитного поля (рис. 83 в, г).
На рис. 83г проиллюстрирован эффект Видемана, который состоит в скручивании вследствие аксиального магнитного поля, приложенного к ферромагнитному стержню, по которому протекает электрический ток.
Известен также эффект, обратный эффекту Видемана, — эффект Матисси (Matteucci), сходный с эффектом Виллари. Он состоит в создании магнитного поля, когда материал подвержен крутящему моменту.
На практике способность магнитостриктивных материалов преобразовывать механическую энергию в магнитную используется в датчиках крутящего момента, а способность преобразовывать магнитную энергию в механическую делает их подходящими для создания исполнительных устройств.
Если к магнитостриктивному стержню приложить импульс тока короткой длительности в 1 или 2 мкс, будет получено скручивание в месте локализации аксиального магнитного поля, обычно от постоянного магнита, вследствие взаимодействия магнитного поля магнита с полем тока в стержне [185–186, 190–195]. Минимальная плотность тока наблюдается вдоль центра проводов, максимальная (вследствие скин-эффекта) — на поверхности проводов. Интенсивность магнитного поля также наибольшая на поверхности проводов. Поскольку к стержню прикладывается импульсный ток, механические скручивания распространяются в стержне, вызывая ультразвуковую волну, для которой магнитостриктивный стержень является волноводом. Скорость распространения волны составляет приблизительно 3000 м/с.
Принцип действия магнитостриктивного датчика линейного положения проиллюстрирован рис. 83г, д.
Аксиальное магнитное поле обеспечивается целью — постоянным магнитом, связанным с детектируемым объектом, например, гидравлическим цилиндром. Положение цели изменяется и детектируется.
Волновод представляет собой стационарную часть датчика, размещенную внутри корпусазащитной изоляционной трубки, изолирующей волновод (экранирующей) от внешней среды. Присутствие магнита определяется при первом приложении токового импульса к волноводу, поскольку благодаря возникающему в стержне эффекту Видемана отраженная волна достигает импульсного измерительного блока в концевой части волновода. Для точного измерения положения момент подачи токового импульса регистрируется микроконтроллером, который включает таймер до момента регистрации датчиком отраженного импульса, после чего микроконтроллер выключает таймер. Зафиксированное таймером время распространения волны на известной скорости соответствует расстоянию между магнитом и датчиком, или абсолютному положению магнита.
На рис. 83д показан индуктивный импульсный измеритель в сенсорном блоке датчика, который функционирует на основе эффекта Виллари. В индуктивном измерителе лента из магнитостриктивного материала приваривается к волноводу близ одного его конца. Магнитостриктивная лента является сердечником для обмотки, смещаемой постоянным магнитом. Ультразвуковая волна распространяется, достигая окончания ленты, и механическое напряжение, наводимое в ленте волной, вызывает волну изменения магнитной проницаемости ленты — эффект Виллари, что приводит к изменению в плотности магнитного потока обмотки и образованию импульса выходного напряжения на терминалах обмотки (эффект Фарадея).
В качестве детектора ультразвуковой волны может быть использован и любой другой подходящий тип измерителя — например, пьезоэлектрический, пьезорезистивный или емкостной датчик, а также другие конфигурации. Так, компания MTS Temposonics использует индуктивные измерители, показанные на рис. 83д, а компания Spinix на основе комбинации магнитостриктивных и пьезоэлектрических преобразователей разработала линейку пассивных регистраторов импульсного магнитного поля PSSM — датчиков скорости, тока и расхода [196].
Ультразвуковая волна распространяется также и в противоположном направлении. Для того чтобы избежать интерференции сигнала с волнами, распространяющимися в противоположном направлении, их энергия абсорбируется демпфером (рис. 83д).
Внешний вид типичного магнитостриктивного преобразователя, известного также как MLDT (magnetostrictive linear displacement transducers), показан на рис. 83е. Подвижный элемент MLDT— постоянный магнит — создает скручивающий импульс в металлическом волноводе с импульсным током. Импульс тока, сгенерированный в сенсорном блоке, перемещается по волноводу на известной скорости до цели и обратно к волновому детектору. Измеряя время отклика, MLDT образует выход, пропорциональный положению магнита относительно детектора1.
Импульсный сигнал напряжения с выхода магнитостриктивного преобразователя или другого измерителя в сенсорном блоке датчика обрабатывается электронной схемой и преобразуется посредством ASIC в требуемый выходной формат.
а— аналоговый выход:
б— цифровой выход импульсов «старт–стоп»;
L— детектируемое положение магнита;
Leff — эффективная длина стержня — рабочий диапазон, предоставляющий сигнал;
T∼L — время между стартовым и стоповым импульсами, измеряемое датчиком, пропорциональное положению магнита
Стандартным выходным форматом сигнала абсолютного положения является пропорциональное аналоговое напряжение (рис. 84а), но магнитостриктивные преобразователи поддерживают многие другие типы выхода: постоянное напряжение, постоянный ток, ШИМ, цифровые импульсы старт-стоп (рис. 84б), CANbus, Profibus, SSI, HART и другие.
Магнитостриктивные датчики в автоэлектронике
В последние годы увеличивается спрос на магнитостриктивные преобразователи в автоэлектронике. Применение магнитостриктивных технологий в автомобильных системах обосновали компании Bosch, General Motors, Ford и другие компании, применяющие эти датчики для самых различных задач [197–206].
Основное применение автомобильные магнитостриктивные датчики находят в детектировании линейных перемещений — это подвески, линейные системы рулевого управления, переключение передач и контроль положения колес, где в первую очередь для повышения точности желательна минимизация числа угловых преобразователей с механизмами преобразования одного вида движения в другой [197–202].
а— датчики CSPR семейства CSP MTS в металлическом корпусе с классом защиты IP67 для автомобильных задач;
б— магнитостриктивные преобразователи линейного положения Micropulse AT Balluff, рассчитанные на работу в автомобильных системах
а— базовый модуль — сенсорный элемент CSE; б— типичная функциональная диаграмма электронного модуля датчика;
в— типичный внешний вид модульных датчиков серии С для высокообъемных сфер применения; г— датчик серии C в защитном металлическом корпусе для жестких условий эксплуатации;
д— типичные датчики семейства CSP на основе модуля CSE; е , ж— иллюстрация применения датчиков MTS в гидравлических цилиндрах автомобилей Mercedes