Для измерения больших перемещений с высоким разрешением часто применяются магнитострикционные ультразвуковые датчики [8]. Магнитострикционный преобразователь состоит из двух основных частей: длинного волновода (до 7 м) и постоянного кольцевого магнита (рис. 7.24). Магнит может свободно перемещаться вдоль волновода, не касаясь его. Положение магнита над той или иной точкой волновода и является измеряемым сигналом, который датчик преобразует в электрический сигнал. Внутри волновода проходит проводник, который при подаче на него электрических импульсов создает магнитное поле вдоль всей его длины. Другое магнитное поле, образованное постоянным магнитом, существует только вблизи него. Поэтому два поля складываются только там, где находится постоянный магнит. Результирующее поле находится
300 Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня
в виде векторной суммы напряженностей двух полей. Это поле создает крутящий момент, заставляющий волновод поворачиваться в месте расположения магнита. Это явление известно под названием эффекта Вайдемана.
Таким образом, электрические импульсы, подаваемые в коаксиальный проводник волновода, приводят к появлению механических импульсов кручения, распространяющихся вдоль волновода со скоростью звука, соответствующей его материалу. Момент прихода импульсов на головку датчика необходимо точно определять. Один из способов детектирования импульсов заключается в преобразовании ультразвуковых импульсов в выходные электрические сигналы. Это можно выполнить при помощи пьезоэлектрических датчиков или, как показано на рис. 7.24, при помощи датчика магнитного сопротивления, который состоит из двух катушек, расположенных рядом с небольшими постоянными магнитами. Катушки механически связаны с волноводом, поэтому и реагируют на импульсы, возникающие в нем, в такт с которыми они вырабатывают короткие электрические импульсы. Временная задержка между этими импульсами и соответствующими импульсами возбуждения, подаваемыми на проводник волновода, является точной мерой положения кольцевого магнита. Эта временная задержка при помощи соответствующей электронной схемы преобразуется в цифровой код. Достоинства такого датчика: линейность (порядка 0.05% от полной шкалы измерений), хорошая воспроизводимость (порядка 3 мкм) и долговременная стабильность. Этот датчик может работать в агрессивных средах, при высоких давлениях и температурах, а также при сильной радиации. У магнитострикцион-ного датчика есть еще одно достоинство: низкая температурная чувствительность, которая может составлять порядка 20 х 10-6 на °С.
Такие датчики используются в гидравлических цилиндрах, в прессовальных машинах (для измерения линейных перемещений пресса), в горном деле (для обнаружения подвижки скал), вращающихся мельницах, кузницах, лифтах и в других устройствах, где требуется высокая разрешающая способность при измерении больших перемещений.
7.5. Оптические датчики
После механических контактных и потенциометрических датчиков оптические детекторы возможно являются наиболее популярными устройствами для определения положения и перемещений объектов. Среди их основных достоинств можно назвать простоту, отсутствие нагрузочного эффекта и относительно большие рабочие расстояния. Они нечувствительны к паразитным магнитным полям и электростатическим помехам, что делает их незаменимыми для некоторых приложений. В состав оптического датчика перемещений, как правило, входят три компонента: источник света, фотодетектор и устройства, управляющие светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.). На рис. 4.17 и 4.18 главы 4 приведены примеры двух оптоволоконных датчиков приближения. Подобные датчики можно реализовать и без применения оптоволокон. В этих случаях свет направляется на объект при помощи фокусирующих линз, а возвращается назад к детектору при помощи отражателей. В настоящее время этот метод претерпел существенные изменения: за счет более сложных компонентов удалось улучшить избирательность, повысить помехозащищенность и надежность оптических датчиков.