Der elektromechanischer Wandler ist ein Gerät, mit dem entweder ein elektrisches Signal in Schallwellen oder eine Schallwelle in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Diese Wandler sind vielseitiger und enthalten magnetostriktive und piezoelektrische Geräte. Gegenwärtig gibt es für Leistungsultraschallanwendungen zwei grundlegende Wandlerkonstruktionen, die magnetostriktiv und piezoelektrisch verwendet werden. A piezoelektrischer Wandler nutzt die Eigenschaft eines piezoelektrischen Materials zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Ein magnetostriktiver Wandler nutzt die Eigenschaft eines magnetostriktiven Materials, innerhalb eines Magnetfelds Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Hier wird das Magnetfeld durch eine Drahtspule bereitgestellt, die um das magnetostriktive Material herum bedeckt ist. Daher behandelt dieser Artikel einen Überblick über a magnetostriktiver Wandler – Arbeiten & seine Anwendungen.
Was ist ein magnetostriktiver Wandler?
Ein Gerät, das verwendet wird, um die Energie von mechanischer zu magnetischer Energie umzuwandeln, wird als magnetostriktiver Wandler bezeichnet. Der Funktionsprinzip des magnetostriktiven Wandlers verwendet eine Art magnetisches Material, bei dem ein angelegtes oszillierendes Magnetfeld das Material zusammendrückt Atome des Materials, erzeugt eine periodische Änderung innerhalb der Materiallänge & erzeugt eine mechanische Schwingung mit hoher Frequenz. Diese Arten von Wandlern werden hauptsächlich in den niedrigeren Frequenzbereichen verwendet und sind sehr verbreitet in Ultraschallbearbeitungs- und Ultraschallreinigungsanwendungen.
Schematische Darstellung des magnetostriktiven Wandlers
Die Funktionsweise eines magnetostriktiven Wandlers kann anhand des folgenden schematischen Diagramms beschrieben werden. Dieses Diagramm erläutert den Dehnungsbetrag, der von Null bis zur vollständigen Magnetisierung erzeugt wird. Diese wird unterteilt in diskrete mechanische & magnetische Attribute, die in ihrer Wirkung auf die magnetische Induktion & magnetostriktive Kerndehnung eingestellt sind.
Im ersten Fall, Bild c zeigt, wenn das Magnetfeld nicht an das Material angelegt wird, dann ist die Längenänderung auch null mit der erzeugten magnetischen Induktion. Die Magnetfeldstärke (H) wird auf ihre Sättigungsgrenzen (±Hsat) erhöht. Dadurch erhöht sich die axiale Dehnung auf „esat“. Außerdem wird der Magnetisierungswert auf den in Abbildung-e gezeigten +Bsat-Wert erhöht oder auf –Bsat reduziert, wie in der Abbildung gezeigt.
Wenn der „Hs“-Wert seinen Höchstwert erreicht hat, können die magnetische Induktion und die höchste Dehnungssättigung erreicht werden. Wenn wir also an dieser Stelle versuchen, den Feldwert zu erhöhen, wird dies den Magnetisierungswert oder das Feld des Geräts nicht ändern. Wenn also der Feldwert die Sättigung erreicht, steigen die Dehnungs- und magnetischen Induktionswerte und bewegen sich von der mittleren Figur nach außen.
Im zweiten Fall, wenn der 'Hs'-Wert konstant gehalten wird und wir die Kraftmenge auf das magnetostriktive Material erhöhen, steigt der Druck innerhalb des Materials auf der Rückseite mit einer Abnahme der axialen Dehnungs- und axialen Magnetisierungswerte . In Abbildung-c sind wegen der Nullmagnetisierung keine Flusslinien verfügbar, während in Abbildung. b & Abbildung. d hat magnetische Flusslinien von viel geringerer Größe basierend auf der magnetischen Domänenausrichtung in dem magnetostriktiven Treiber. Abbildung-a hat Flusslinien, aber ihr Fluss wird in der umgekehrten Richtung sein.
Figur. f zeigt die Flusslinien basierend auf dem angelegten „Hs“-Feld und der magnetischen Domänenanordnung. Hier werden die erzeugten Feldlinien nach dem Hall-Effekt-Prinzip gemessen. Dieser Wert ist also proportional zur Kraft oder Eingangsdehnung.
Arten von magnetostriktiven Wandlern
Es gibt zwei Arten von magnetostriktiven Wandlern; spontane Magnetostriktion und feldinduzierte Magnetostriktion.
Spontane Magnetostriktion
Spontane Magnetostriktion entsteht durch die magnetische Anordnung von Atommomenten unter der Curie-Temperatur. Diese Art der Magnetostriktion wird in der Legierung auf NiFe-Basis namens Invar verwendet und zeigt bis zu ihrer Curie-Temperatur keinen thermischen Anstieg.
Die Sättigungsmagnetisierung des Materials nimmt beim Erhitzen auf die Curie-Temperatur ab, da die Anordnung der atomaren magnetischen Momente abnimmt. Wenn diese Anordnung und die Sättigungsmagnetisierung abnehmen, nimmt auch die Volumenausdehnung durch die spontane Magnetostriktion ab und das Material zieht sich zusammen.
Im Invar-Fall entspricht diese Kontraktion aufgrund des spontanen Magnetostriktionsverlusts der Expansion, die durch übliche thermische Vibrationsmethoden verursacht wird, und daher zeigt das Material, dass es keine Änderung der Abmessungen gibt. Aber über der Curie-Temperatur tritt normalerweise eine Wärmeausdehnung auf und es gibt keine magnetische Ordnung mehr.
Feldinduzierte Magnetostriktion
Feldinduzierte Magnetostriktion tritt hauptsächlich hauptsächlich aus der Magnetdomänenanordnung bei einer angelegten Feldanwendung auf. Das Terfenol-Material zeigt die größte nutzbare Magnetostriktion, die die Mischung aus Tb, Fe und Dy ist. Terfenol-Material wird für Positionssensoren, Feldsensoren, mechanische Aktuatoren und Lautsprecher verwendet.
Magnetostriktive Anordnungen (oder) Lastsensoren arbeiten einfach durch die Tatsache, dass sich die Magnetisierung des Materials ändert, wenn ein magnetostriktives Material einer Dehnung ausgesetzt wird. Üblicherweise enthalten Terfenol-Aktuatoren einen Terfenol-Stab, der unter Druck angeordnet ist, um die magnetischen Domänen senkrecht zur Stablänge anzuordnen. Eine Spule wird um den Terfenol-Stab herum verwendet, ein Feld wird an den Stab angelegt, um die Domänen über seine Länge auszurichten.
Unterschied zwischen magnetostriktiven und piezoelektrischen Wandlern
Der Unterschied zwischen einem magnetostriktiven und einem piezoelektrischen Wandler umfasst Folgendes.
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Magnetostriktiver Wandler |
Piezoelektrischer Wandler |
| Ein Magnetostriktionswandler ist ein Gerät, das verwendet wird, um Energie von mechanischer in magnetische Energie und umgekehrt umzuwandeln.
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Ein piezoelektrischer Sensor ist ein Gerät, das verwendet wird, um Änderungen in Beschleunigung, Druck, Temperatur, Kraft oder Dehnung zu messen, indem es sie in eine elektrische Ladung umwandelt. |
| Der magnetostriktive Wandler enthält eine große Anzahl von Nickelplatten oder -laminierungen.
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Der piezoelektrische Wandler umfasst eine einfach oder doppelt dicke Scheibe aus piezoelektrischem Keramikmaterial, normalerweise PZT (Blei-Zirkonat-Titanat). |
| Das Konzept dabei ist, die Abmessung oder Form eines magnetischen Materials bei Magnetisierung zu ändern. | Das Konzept dabei ist die elektrische Ladungsakkumulation durch Aufbringen von mechanischem Druck. |
| Dieser Wandler ist aufgrund der Wirkung des Erdmagnetfeldes weniger empfindlich als der piezoelektrische Wandler. | Dieser Wandler ist empfindlicher. |
| Dieser Wandler nutzt die magnetostriktive Materialeigenschaft. | Dieser Wandler nutzt die piezoelektrische Materialeigenschaft. |
| Das Strichmuster ist elliptisch. | Das Strichmuster ist linear. |
| Der Frequenzbereich liegt zwischen 20 und 40 kHz. | Der Frequenzbereich liegt zwischen 29 und 50 kHz. |
| Der aktive Spitzenbereich beträgt 2,3 mm bis 3,5 mm. | Der aktive Spitzenbereich beträgt 4,3 mm basierend auf der Frequenz. |
Wie wählt man einen magnetostriktiven Wandler aus?
Die Auswahl eines magnetostriktiven Wandlers kann anhand der nachstehenden Spezifikationen erfolgen.
- Dieser Wandler muss eine Art magnetisches Material verwenden, damit er interagieren und Entfernungen sehr genau abbilden kann.
- Aufnehmer muss berührungslose & verschleißfreie Messungen ermöglichen.
- Der Bereich muss zwischen 50 und 2500 mm liegen.
- Seine maximale Auflösung sollte etwa 2 µm betragen.
- Die maximale Linearität muss ±0,01 % betragen.
- Die Verfahrgeschwindigkeit sollte weniger als 10 m/s betragen.
- Der Analogausgang ist 0 bis 10 V, 4 bis 20 mA.
- 24 VDC ±20 % Spannungsversorgung
- Schutzklasse IP67
- Die Betriebstemperatur muss im Bereich von -30..+75 °C liegen.
Vorteile und Nachteile
Der Vorteile eines magnetostriktiven Wandlers das Folgende einschließen.
- Diese Wandler sind zuverlässig, wartungsfrei und reduzieren das Potenzial für Betriebsfehler und Maschinenausfallzeiten erheblich
- Magnetostriktive Wandler haben keine Kontaktteile und haben daher eine längere Lebensdauer.
- Diese sind im Vergleich zu Festkontaktwandlern genauer.
- Sie haben eine gute Empfindlichkeit, Ferninspektion, Haltbarkeit, einfache Implementierung usw.
Der Nachteile eines magnetostriktiven Wandlers das Folgende einschließen.
- Magnetostriktive Wandler sind teuer.
- Der magnetostriktive Wandler hat physikalische Größenbeschränkungen, so dass er darauf beschränkt ist, bei Frequenzen unterhalb von ungefähr 30 kHz zu arbeiten.
Anwendungen
Der Anwendungen eines magnetostriktiven Wandlers das Folgende einschließen.
- Der magnetostriktive Wandler wird zur Positionsmessung verwendet.
- Dieser Wandler spielt eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung mechanischer Energie in magnetische Energie.
Zuvor wurde dieses Gerät in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Drehmomentmesser, Hydrophone, Sonar-Scanner, Telefonempfänger usw. - Derzeit wird es zur Herstellung verschiedener Geräte wie Hochleistungs-Linearmotoren, Lärmschutzsysteme oder aktive Vibration, medizinischer und industrieller Ultraschall, Positionierer für adaptive Optik, Pumpen usw. verwendet.
- Diese Wandler wurden hauptsächlich entwickelt, um chirurgische Werkzeuge, chemische Verarbeitung, Materialverarbeitung und Unterwassersonare herzustellen.
- Die magnetostriktiven Wandler werden zum Messen des Drehmoments verwendet, das von rotierenden Wellen innerhalb der beweglichen Teile von Maschinen entwickelt wird.
- Diese Wandleranwendung ist in zwei Modi unterteilt; impliziert den Joule-Effekt und der andere ist der Villari-Effekt. Wenn die Energie von magnetischer in mechanische Energie umgewandelt wird, wird sie bei Aktoren zur Krafterzeugung verwendet und kann bei Sensoren zur Erfassung eines Magnetfelds verwendet werden. Wenn die Energie von mechanisch zu magnetisch geändert wird, wird sie verwendet, um Bewegung oder Kraft zu erkennen.
Dies ist also ein Überblick über den magnetostriktiven Wandler. Dieser Wandler wird auch als magnetoelastischer Wandler bezeichnet. Diese Wandler besitzen eine extrem hohe mechanische Eingangsimpedanz und eignen sich für die Messung großer statischer und dynamischer Kräfte, Beschleunigungen und Drücke. Sie haben starke Konstruktionsmerkmale, und wenn diese Wandler als aktive Wandler verwendet werden, ist die Ausgangsimpedanz niedrig. Hier ist eine Frage an Sie, was ist Magnetostriktion Phänomen?
