Применение новых материалов для создания интегрированных
advertisement
Применение новых материалов для создания интегрированных сенсоров и исполнительных элементов управления промышленными объектами Интегрированные (измерительные и сенсоры и исполнительные исполнительные устройства) составляют элементы основу промышленных систем управления. К ним предъявляются повышенные требования, обусловленные, как правило, тяжелыми условиями эксплуатации и необходимостью получения достоверной измерительной информации, обеспечения точного управления технологическими процессами и повышенной надежности. Характеристики и параметры устройств зависят от свойств используемых материалов. В настоящее время возможности «традиционных» материалов во многом уже полностью реализованы. Однако разработаны и начинают широко использоваться «интеллектуальные» материалы, которые могут контролируемым образом преобразовывать один вид энергии в другой. К ним в полной мере относятся и ферромагнитные материалы с памятью формы. Это дает возможность использовать их для выполнения сложных функций измерительных и исполнительных устройств, а иногда и нескольких функций и элементов одновременно, повысить точность преобразования, упростить конструкцию устройств, а также сократить количество составных частей, подверженных поломке или износу. Поэтому применение новых материалов позволяет повысить эффективность управления промышленными объектами. Измерительные и исполнительные устройства на основе интеллектуальных материалов Одним из перспективных направлений развития промышленных систем управления является использование интеллектуальных материалов. Отличительная особенность таких материалов – способность контролируемым образом изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды, информировать о том, в каком состоянии находится конструкция, каковы предельно допустимые деформации, в зависимости от условий эксплуатации менять пространственное расположение конструкции. Для систем управления важна способность преобразовывать один вид энергии в другой. Ключевым фактором для практического использования интеллектуальных материалов служит то, что этим преобразованием энергии можно управлять. Два основных измерительные типа (датчики) и устройств преобразования исполнительные (актуаторы) энергии – устройства совместно с системой управления (контроллером) образуют обобщенную систему управления (рисунок 1). Сенсор Объект управления Контроллер Актуатор Рисунок 1 – Структурная схема обобщенной системы управления Датчик преобразует отклик объекта управления в сигнал, несущий информацию об объекте, поступающий в контроллер для обработки, актуатор преобразует сигнал с контроллера в управляющее воздействие на объект. Обычные датчики и актуаторы – отдельные устройства, изготавливаются, как правило, из нескольких материалов и содержат подвижные элементы. Применение интеллектуальных материалов позволяет объединить функции считывания и воздействия, а в некоторых случаях и обработки, в одном устройстве. Тем самым значительно упростить систему управления и сократить количество составных частей, подверженных поломке и износу. Интеллектуальные механической энергии химическую энергию материалы в тепловую, или обеспечивают электрическую, наоборот. К преобразование магнитную ним или принадлежат магнитострикционные материалы, пьезоэлектрические материалы и вещества с памятью формы, имеющие возможность обратимого управления формой и размерами с помощью механического напряжения, электрического или магнитного полей. Иерархия достижимых обратных деформаций кристаллов за счет магнитострикции (MS), пьезоэффекта (PE) и памяти формы (SE) такова [1]: LMS LSM LPE ~ 10 3 , ~ 10 2 , ~ 10 1 . L L L Рассмотрим далее устройства на основе этих материалов. Магнитострикционные устройства Магнитострикция – это свойство ферромагнитных материалов (железо, никель, кобальт и их сплавы) изменять свою форму при наложении магнитного получивший поля (эффект названия Джоуля). эффекта Существует Виллари, при обратный котором эффект, приложение механического напряжения к материалу приводит к изменению его намагниченности. Магнитострикция состоит в самопроизвольном деформировании атомной решетки ферромагнитного материала под действием магнитного поля вследствие снижения при этом общей энергии, равной сумме энергий упругого деформирования и энергии магнитного поля [2]. Перспективным магнитострикционным материалом является Терфенол-Д, основными компонентами которого являются тербий, дипрозий и железо. Он способен развивать магнитострикционную деформацию до 0,14 %, в соответствии с рисунком 2 [2]. Рисунок 2 – Зависимости магнитострикционной деформации Тефлона-Д от напряженности магнитного поля при различных механических нагрузках Эффект «гигантской магнитострикции» используется в ультразвуковых генераторах, линейных и ротационных двигателях, микроактуаторах, магнитомеханических реле, сенсорах деформации, движения, положения и силы. Магнитострикционный актуатор (рисунок 3) [3] имеет активный элемент из Терфенола-Д 1, пружину 8, создающую смещающее механическое напряжение, постоянные магниты 4, 5, управляющую катушку 2; магнитопровод 3; плунжер 6 и ограничитель 7. Принцип построения актуатора – создание максимальной деформации при минимальном потреблении электроэнергии. Для обеспечения этого условия создается постоянное магнитное поле с помощью постоянных магнитов 4 и 5, смещающее рабочую точку. Смещение позволяет работать в области линейной связи деформации и поля. В результате уменьшается величина гистерезиса и потребление энергии. Рабочее магнитное поле создается управляющей катушкой 2, расположенной вблизи активного элемента. Смещающее механическое напряжение – пружиной 8. 4 3 8 2 7 6 1 5 Рисунок 3 – Схема магнитострикционного актуатора Следует отметить, что рабочий ход плунжера 6 мал. Этот недостаток, а также увеличение гистерезиса при высоких статических и динамических нагрузках и высокая стоимость, свойственные Терфенол-Д, ограничивают область применения актуатора. Для измерения больших перемещений с высоким разрешением часто применяют магнитострикционные ультразвуковые сенсоры [4]. Магнитострикционный преобразователь состоит из двух основных частей: длинного волновода и постоянного магнита (ПМ) тороидальной формы (рисунок 4). ПМ может свободно перемещаться вдоль волновода, не касаясь его. Положение ПМ над той или иной точкой волновода является измеряемым сигналом, который датчик преобразует в электрический сигнал. Внутри волновода находится проводник, который при подаче на него электрических импульсов создает магнитное поле вдоль его длины. Другое магнитное поле, образованное ПМ, существует только вблизи него. Поэтому оба поля складываются только там, где находится ПМ. Результирующее поле создает крутящий момент, заставляющий волновод поворачиваться в месте расположения ПМ. Электрические импульсы, подаваемые в коаксиальный проводник волновода, приводят к появлению механических импульсов кручения, распространяющихся вдоль волновода со скоростью звука, соответствующей его материалу, детектирование импульсов выполняется сенсором магнитного сопротивления, состоящим из двух катушек, расположенных рядом с небольшими ПМ. Катушки механически связаны с волноводом, реагируют на импульсы в нем, вырабатывая короткие электрические импульсы. Временная задержка между этими импульсами и импульсами возбуждения, подаваемыми на проводник волновода, являются точной мерой положения кольцевого ПМ. Рисунок 4 – Ультразвуковой магнитострикционный сенсор перемещения Преимущества сенсора: линейность (порядка 0,05 % от полной шкалы измерений), хорошая воспроизводимость (порядка 3 мкм) и долговременная стабильность [5]. К недостаткам следует отнести большие габаритные размеры. Датчики нашли применение в системах управления, где требуется высокая разрешающая способность при измерении больших перемещений. Пьезоэлектрические устройства В основу работы пьезоэлектрических устройств положен прямой или обратный пьезоэффект. Первый представляет собой способность определенных материалов: минералов; керамических материалов; некоторых полимеров, создавать электрический заряд в ответ на прилагаемое механическое усилие. Второй – деформация пьезоэлектрических материалов во внешнем электрическом поле. Пьезоэффект обладает знакочувсвительностью, т. е. знак заряда меняется при замене сжатия растяжением, а знак деформации – при изменения направления поля. Пьезоэлектрические устройства могут работать, используя как прямой, так и обратный пьезоэффект. По этой причине пьезокерамическую пластинку, входящую в состав пьезопреобразователя, можно применять в качестве приводного элемента (актуатора), а небольшую его часть – в качестве сенсора деформаций или ускорений. Такие сенсоры реагируют на переменное воздействие, поэтому использование их в качестве чувствительного элемента квазистационарного процесса затруднено. Они имеют высокую чувствительность, особенно тонкопленочные пьезоэлектрические сенсоры. В [14] описывается датчик, имеющий габариты 10×10×0,06 мм, диапазон измеряемых давлений от 1 до 8⋅104 Па, диапазон частот от 2 до 2⋅104 Гц. Более перспективно использование пьезорезистивных сенсоров, основанных на изменении электрического сопротивления при механической деформации чувствительного слоя сенсора. Такой слой имеет малые габариты: не более 1×1×0,02 мм, а чувствительность сенсоров высока. В работе [7] описывается сенсор, измеряющий давление от 1 до 50 кПа, максимальное напряжение на выходе датчика – 80 мВ, температурный коэффициент нестабильности – 0,02 %/К. Особенностью пьезопреобразователей является малая деформация, поэтому в качестве актуаторов они используются для создания микроперемещений. В основном используют три типа преобразователей [8]: многослойные пакеты, набранные из пьезокерамических шайб или дисков – работают на растяжение – сжатие; трубчатые пьезопреобразователи – работают как на растяжениесжатие, так и на изгиб; биморфные пьезопреобразователи, пьезокерамических пластин, между состоящие которыми из может склеенных находиться металлическая рессора – работают на изгиб. 1) Первый тип пьезопреобразователей имеет высокие силовые характеристики, которые ограничиваются пьезокерамики. Такие в основном приводы прочностными имеют высокую свойствами жесткость, соответствующую жесткости стержня при сжатии. 2) Второй тип пьезопреобразователей представляет собой отрезок тонкостенной цилиндрической или конической пьезокерамической трубки, электроды которой расположены на концентрических поверхностях. Трубчатые пьезопреобразователи отличаются простотой и малой стоимостью. Однако при одинаковых продольных размерах с многослойными пьезопреобразователями их перемещения на порядок меньше. Жесткость таких преобразователей также ниже, чем у многослойных. 3) Третий тип пьезопреобразователей характеризуется перемещениями, которые на один – два порядка выше перемещений, развиваемых актуаторами первого и второго типов. Однако их жесткость и силовые характеристики на два – три порядка хуже, чем у первого типа. Таким образом, если необходимо создать актуатор микроперемещений, имеющий малые габариты и не требующий высоких силовых характеристик, то выбор можно остановить на биморфных пьезопреобразователях. 4) Пьезоэлектрические актуаторы микроперемещений имеют следующие преимущества: высокие удельные силовые характеристики; малые значения электрических токов и потерь; высокая надежность и технологичность изготовления, радиационная и температурная стойкость. К недостаткам можно отнести: сравнительно высокое напряжение, подаваемое на электроды, малая деформация; проявление гистерезиса; нестабильность пьезоэлектрических параметров; влияние изменения влажности на электрические параметры. 5) Уменьшение влияния гистерезиса на работу пьезоэлектрического актуатора достигается за счет применения определенных видов пьезокерамических материалов. В работах [9, 10] показано, что для многих типов пьезокерамики петля гистерезиса функции перемещения от прикладываемого электрического напряжения имеет коэффициент гистерезиса порядка 10 – 12 %, что неудовлетворительно для приводов микроперемещений. 6) Для увеличения действующей силы, снижения напряжения, подаваемого на электроды (рабочие напряжения от 60 до 160 В), используют многослойные актуаторы (рисунок 5) [2]. Друг на друга наложено множество слоев «электрод – керамика – электрод», так что слои пьезоэлектрика соединены в параллельную электрическую цепь, а механически они соединены последовательно. Их недостатками является низкое сопротивление сжатию, изгибу и кручению, а также сложность технологии изготовления. Рисунок 5 – Структура многослойного пьезоэлектрического актуатора 7) Пьезоэлектрические актуаторы находят широкое применение для высокоточного позиционирования образцов и зондов в нанометровом диапазоне. В настоящее время наибольший интерес вызывают инерционные пьезоактуаторы ударного типа, позволяющие осуществлять высокоточные угловые перемещения и преобразовывать их в сверхмалые (единицы нм и менее) линейные перемещения [11]. Конструкция инерционного пьезоактуатора содержит: 1 – узел вращения; 2 – пьезоэлементы; 3 – инерционный элемент; 4 – крепежную пластину (рисунок 6). 8) Узел вращения выполнен в виде кинематической пары «винт – гайка», позволяющей получать не только угловые, но и поступательные перемещения. Рисунок 6 – Инерционный пьезоактуатор Данный тип приводов управляется несимметричными пилообразными импульсами. Положение элементов кинематической пары синхронизируется силой трения (фаза синхронизации). Пьезоэлементы при этом медленно деформируются, вызывая перемещение инерционных элементов, а ходовая часть привода остается неподвижной. Во время крутого среза силы, удерживающие пьезоэлементы в деформированном состоянии, перестают действовать, и пьезоэлемент оказывается нагруженным на инерционный элемент и узел вращения, что приводит к смещению (десинхронизации) элементов кинематической пары и перемещению ходовой части привода. Траектория перемещения определяется разновидностью нагрузки пьезоэлемента и параметрами управляющих сигналов. Из-за высокого быстродействия актуатора передача импульса носит характер удара, поэтому невозможно активно управлять устройством. До некоторой степени можно контролировать только первоначальную скорость. Использование биморфных пьезоэлектрических приводов (БПП) дает существенное увеличение перемещения [9]. В них используются изгибные деформации многослойных структур, состоящих из активных – пьезоэлектрических слоев и неактивных – металлических или полимерных слоев. При определенном направлении поляризации пьезокерамических элементов возникают управляемые изгибные деформации, которые приводят к многократному увеличению перемещений по сравнению с пьезопреобразователями, работающими на растяжение – сжатие. жесткость БПП на порядок ниже, поэтому силовые характеристики БПП хуже. БПП состоит из двух длинных склеенных между собой пьезокерамических пластин 1 и 2 с одинаковым направлением векторов поляризации P1 и P2 (рисунок 7). При подаче постоянного напряжения на электроды пластин 3 и 4 одна пьезопластина будет удлиняться, а другая – укорачиваться. Так как они соединены, то БПП изогнется. При подаче переменного напряжения на частотах ниже первого резонанса незакрепленный БПП будет иметь форму изгибных колебаний. Рисунок 7 – Биморфный пьезоэлектрический привод Такая конструкция не технологична при механической сборке, поскольку пьезокерамика – хрупкий материал, и винтовые соединения могут ее повредить. Поэтому часто используются устройства с рессорой – неактивной металлической пластиной, вклеенной между пьезоэлементами 1 и 2. Металлическая пластина имеет свободные от пьезокерамики части, предназначенные для фиксации и сборки устройства, однако перемещения такого устройства меньше, чем в БПП без металлической пластины. Перспективные, с точки зрения объединения измерительных и исполнительных функций, производятся АО «ЭЛПА» [12]. В диапазонах напряжений, подаваемых на БПП, зависимость силы, развиваемой БПП, от перемещения свободного конца линейна (рисунок 8). Это свойство позволяет применять такие преобразователи в качестве не только актуаторов Усиление, Н перемещений, но и датчиков силы. Перемещение, мм Рисунок 8 – Зависимость силы, развиваемой БПП, от перемещения В соответствии с рисунком 9, наибольшее перемещение достигается при помощи накапливается биморфных в составных пьезоприводов, пьезоприводах. а максимальная Трубчатые энергия пьезоприводы являются промежуточными по своим энергетическим характеристикам, а по перемещению они имеют наихудшие показатели. Для применения составных актуаторов в промышленных системах управления часто бывает недостаточным их перемещение, а накопленная энергия и сила, развиваемые ими, явно избыточны. Поэтому одна из основных задач упругих механических передач состоит в увеличении хода (мультиплекции перемещений) актуатора за счет уменьшения силы. Аналогичная задача может быть также решена для трубчатых пьезоактуаторов за счет их последовательного соединения. Для БПП, наоборот, перемещения в принципе достаточны, но необходимо повысить силу привода. Такая задача может быть решена за счет уменьшения хода БПП. Более перспективный путь –параллельное соединение БПП [8]. , мкм 3 1 100 10 2 0 0 0,1 1,0 W, мДж 10,0 1 – составные пьезоприводы, 2 – трубчатые пьезоприводы, 3 – биморфные пьезоприводы Рисунок 9 – Диаграмма «накопленная энергия – максимальное перемещение» Пьезокерамические элементы могут служить в качестве сенсоров силы. Однако в статическом или квазистатическом режимах достоверность получаемой от них информации может быть низкой из-за того, что статические заряды будут стекать с электродов датчиков через изоляцию. Увеличение перемещения без увеличения габаритов пьезоактуаторов может быть достигнуто за счет усложнения кинематики микромеханического модуля. По этой причине актуаторы должны иметь механические передачи с использованием рычагов и бесфрикционных упругих шарниров. Следует отметить, что ограниченную мультиплекции. этот принцип эффективность мультиплекции вследствие перемещений малого имеет коэффициента Устройства на основе сплавов с памятью формы Сплавы с памятью формы (СПФ) – общее название, данное сплавам, которые имеют свойство помнить о деформациях. Различают термически активируемые сплавы, которые могут деформироваться, но впоследствии восстанавливать свою первоначальную форму под воздействием тепла, и сплавы, деформация которых управляется магнитным полем. Проявляемый интерес к таким материалам связан с особым комплексом физико-механических свойств, который открывает широкие перспективы применения их в технике, позволяя создавать элементы и устройства с принципиально новыми функциональными свойствами [1]. Особенностью СПФ является то, что фазы мартенсита (упорядоченного перемещения кристаллов) могут появиться в одном из трех вариантов, соответствующим трем возможным кристаллографическим направлениям в образце (рисунок 10). Рисунок 10 – Аустенитная и варианты мартенситной фазы образца из СПФ Принцип мартенситной переориентации: при высокой температуре образец из СПФ находится в аустенитной фазе (A). После охлаждения аустенита происходит переход к мартенситной фазе. Возможен один из трех вариантов (M1, M2 или M3). Если на образец воздействует механическое напряжение и оно достаточно большое, то образец будет содержать только вариант M1. Если напряжение уменьшается, объемная доля M1 уменьшается незначительно из-за механического гистерезиса. Если на образец воздействует магнитное поле вдоль оси наилегчайшего намагничивания, то возможен вариант М2. Распределение между магнитным полем и механическими напряжениями позволяет управлять деформаций образца. Вследствие нагревания может быть восстановлена аустенитная фаза (рисунок 11). Охлаждение Нагрев Усилие Нагрев Усилие Магнитное поле Усилие Магнитное поле Рисунок 11 – Мартенситные переориентации: эффекты механическогого напряжения, магнитного поля и температуры СПФ имеют магнитный и механический гистерезис при нагревании и охлаждении (рисунок 12). Стрелками показано направление охлаждения и нагрева: Mf , Af – установившиеся температуры остывания и нагрева, соответственно; Ms , As – текущие температуры остывания и нагрева. Намагниченность, деформация Аустенит Мартенсит Температура Рисунок 12 – Магнитный (механический) гистерезис от температуры СПФ Термически активируемые сплавы нашли широкое применение в актуаторах, мартенситных двигателях, использующих уникальные механические свойства этих материалов [1]. Изгибаемые элементы из СПФ, проигрывая стержням, работающим на растяжение или сжатие в силовых возможностях, значительно опережают последние в способностях кинематических. Важным направлением прикладных исследований в области применения таких материалов является создание на их основе силовых термомеханических приводов [15]. СПФ используются для аккумулирования механической и тепловой энергии. Отдача механической энергии аккумулирующими устройствами может осуществляться не только в режиме разгрузки, но и при небольшом нагреве. При этом элементы с эффектом памяти формы могут совмещать функции сенсоров температуры и функции исполнительных элементов, поэтому применение их в промышленных системах управления наиболее эффективно. Термомеханический эффект памяти формы используется при создании «искусственной мышцы» (ИМ) [16]. Основным элементом ИМ являются силовой элемент, состоящий из материала с ЭПФ (рисунок 13). Силовой элемент совершает полезную механическую работу при нагревании. Механическая передача используется для преобразования деформации и генерируемого напряжения силовых элементов в перемещение и усилие выходного звена ИМ. Конструктивное решение механической передачи зависит как от формы и типа деформации силового элемента, так и от поступательного или вращательного действия ИМ. Специфика использования СПФ дает возможность управлять положением и усилием ИМ, в некоторых случаях использовать только датчики температуры силовых элементов. Рисунок 13 – Состав ИМ на основе СПФ Рассмотрим актуатор, предназначенный для управления вибрацией в интеллектуальных структурах (рисунок 14). Он позволяет измерять амплитуду вибрации и создавать противодействующую силу с помощью системы контроля [17]. Его принцип действия состоит не в реагировании на деформацию (чтобы подавить вибрацию), как в случае пьезоэлектрических преобразователей, а в смещении резонансной частоты за пределы возбуждающих частот. Значительный управление памятью интерес формы представляют и СПФ, сверхпластичностью допускающие с помощью магнитного поля. Память формы в таких веществах связана с мартенситным фазовым переходом, а влияние магнитного поля на параметры мартенситной фазы обусловлено магнитоуправляемым магнитоупругого взаимодействия взаимодействием. здесь заключается Специфика в том, что взаимодействующими сторонами выступают большие, скоррелированные между собой ансамбли структурных и ферромагнитных доменов. В этом плане магнитоупругое взаимодействие в ферромагнетиках с помощью формы, приводящее к гигантским магнитодеформациям, существенно отличается от магнитострикции, представляющей собой, по сути, одночастичный эффект [1]. В этих материалах (магнитные сплавы с памятью формы (МСПФ)) быстрый отклик сочетается с большими обратными деформациями. Высшие достижения в этой области связаны с ферромагниным сплавом Геслера Ni2MnGa, позволяющем добиться управляемого магнитным полем изменения линейных размеров кристаллов до 6 %. Ячейка Диски Пружины СПФ нити Выемка Подложка Рисунок 14 – Схема актуатора СПФ для управления вибрацией Изменение формы МСПФ может произойти в различных режимах (рисунок 15), например, осевое движение или изгиб. Однако, практическое использование материала находит применение в линейных актуаторах для различных приложений [18, 19] из-за сильной зависимости деформации от приложенного магнитного поля и механического напряжения образца МСПФ (рисунок 16). Удлинение Изгиб Кручение Рисунок 15 – Различные формы изменения МСПФ Деформация, % Магнитная индукция, Тл Рисунок 16 – Зависимости деформации от приложенного магнитного поля и механического напряжения образца МСПФ Примером может служить линейный двигатель с МСПФ. Двигатель содержит: актуатор, сенсор положения, передний и задний ограничители (рисунок 17). Средняя скорость – 40 мм/с, сила 1 Н, диапазон перемещения – 25,5 мм. Линейная система двигателя может быть использована и в качестве актуатора. МСПФ актуатор Задний ограничитель Передний ограничитель Ось Сенсор положения Рисунок 17 – Укрупненная схема линейного двигателя с МСПФ МСПФ актуаторы нашли применение в пропорциональных клапанах для управления потоком воздуха (рисунок 18). МСПФ элемент Плунжер Пружина Воздушный зазор Поток воздуха Рисунок 18 – Пропорциональный клапан для управления потоком воздуха Время переключения клапана менее 4 мс. МСПФ актуатор обеспечивает большой воздушный зазор без использования дополнительных механических частей, что делает конструкцию более надежной и простой в производстве. Величиной открытия клапана можно управлять с помощью тока в намагничивающих катушках. Недостатком МСПФ является сильный гистерезис. Однако это явление можно использовать для поддержания стабильного положения без внешнего источника питания и, как следствие, для построения встраиваемых приложений. В работе конфигурацию (рисунок 19). [20] предлагается применить двухтактную Рисунок 19 – Структурная схема и алгоритм работы двухтактной конфигурации привода с помощью двух встречно включенных МСПФ образцов Устройство работает следующим образом: линейный привод МСПФ А используются для перемещения в направлении + х: магнитное поле в А переориентирует его состояние в мартенситную фазу M1 из состояния M2 – это обуславливает деформацию образца в направлении + х; деформация приводит к переходу привода МСПФ B из мартенситной фазы M2 в фазу M1; если магнитное поле не приложено, фиксируется статическое положение благодаря механическому гистерезису привода МСПФ А; линейный привод МСПФ B используются для перемещения в направлении – х: принцип такое же, как для привода МСПФ А, за исключением направления. МСПФ обладают значительным потенциалом для применения в измерительных и исполнительных устройствах для промышленных систем управления благодаря высокой чувствительности и возможности изменять размеры под воздействием магнитных и механических сил. Анализ измерительных и исполнительных устройств на основе современных интеллектуальных материалов показал, что они имеют свои преимущества, недостатки и области практического применения. В таблице сведены основные параметры материалов, перспективных для использования в качестве интегрированных сенсоров и исполнительных элементов управления промышленными объектами. Таблица 2 – Параметры интелектуальных материалов Параметры Terfenol-D Пьезо Ni-Mn-Ga Управляющее Магнитное Электрическое Магнитное воздействие поле поле поле 1,60 1,25 100,00 125 25 300 25-35 45-62 7,7 700 50 700 380 200-350 103 150 100 70 5810-8 1010 8010-8 Диэлектрическая постоянная – 800-2400 – Магнитная постоянная 3-10 1 1,5-40 Коэффициент связи, % 75 70 75 Плотность энергии, кДж/м3 27 18,5 90 240 кА/м 2 МВ/м 400 кА/м Максимальная линейная деформация, мкм/мм Производительность, 106 Па мкм/мм Модуль Юнга, 109 Па Сопротивление сжатию, 106 Па Температура Кюри, С Максимальная рабочая температура, С Удельное электрическое сопротивление, Ом·м Напряженность поля для максимальной деформации В настоящее время для создания магнитострикционных актуаторов наиболее широко используется эффект продольной магнитострикции (т.е. изменения линейных размеров магнитострикционного тела). Величина магнитострикционной деформации прямо зависит от линейных размеров исполнительного элемента актуатора, поэтому, чем он длиннее, тем большую магнитострикционную деформацию можно получить. Однако в условиях миниатюризации промышленных систем управления требования к габаритам электромеханических преобразователей крайне жесткие. Исследования в области использования магнитострикционных актуаторов для позиционирования управляющих элементов гидравлической аппаратуры показали, что при использовании магнитострикционных исполнительных элементов длина элемента должна быть более 300 мм. Применение магнитострикционных материалов с большими значениями магнитострикционных констант (ферритов и редкоземельных элементов) невыгодно в силу их значительной хрупкости и крайне высокой цены. Таким образом, магнитострикционные актуаторы используемые для позиционирования промежуточных элементов привода (например, заслонки в гидроусилителе), будут проигрывать своим аналогам по габаритам и энергопотреблению. Магнитострикционные материалы способны увеличить точность позиционирования на порядки. Возможность силового позиционирования с помощью магнитострикционных материалов существовала с открытия эффекта магнитострикции. Однако в обычных магнитострикционных материалах, например, у Ni, относительное удлинение (отношение удлинения стержня при намагничивании к его длине) не превышает 10 -8, что не позволяло добиться приемлемого диапазона позиционирования. Применение сплава Terfenol-D дает возможность приступить к практическому использованию эффекта «гигантской магнитострикции» для позиционирования. Актуатор длиной 10 мм и такого же диаметра обеспечивает силовое позиционирование в пределах 10 мкм с усилием до 105 Н. Точность позиционирования возросла в десятки раз по сравнению с пьезоэлектрическими актуаторами. Основным недостатком магнитострикционных приводов как, впрочем, и пьезоэлектрических, является малый диапазон позиционирования. Пьезоэффект происходит на уровне кристалической решетки и преобразование является прямым, в отличии от магнитострикционных актуаторов, в которых электрическая энергия сначала преобразуется в энергию магнитного поля, а в случае сплавов с памятью формы – в тепловую энергию. Это обеспечивает преимущества таких актуаторов, как например, низкий уровень электромагнитных помех и высокая плотность энергии. К недостаткам пьезоэлектрических актуаторов стоит отнести большое напряжение питания (рабочие напряжения от 60 до 160 В), что затрудняет совместное решение измерительных и исполнительных задач в промышленных системах управления. Главное направление использования сплавов с памятью формы в интеллектуальных технологиях – это актуаторы, преобразующие тепловую и магнитную энергию в движение или механическую работу. Они имеют ряд преимуществ: высокую действующую силу; большие восстанавливаемые деформации; различные виды деформации (растягивающие, сжимающие, изгибающие и крутящие); большую удельную величину работы в расчете на единицу массы. Недостатки: по сравнению с другими способами приведения материалов в движение они имеют высокие энергетические потери, большое время задержки и малую частоту повторения. Функциональная схема устройства с применением интегрированных сенсоров и исполнительных элементов управления объектами построена в соответствии с рисунком 20. промышленными Внешнее механическое воздействие Запросы от системы управления Чувствительный элемент Устройство воздействия Входной интерфейс Первичный аналоговый преобразователь Аналого-цифровой преобразователь Выходной интерфейс Информация для системы управления Рисунок 20 – Функциональная схема измерительно-исполнительного устройства для промышленных систем управления Проведенный анализ показывает, что для создания устройства (рисунок 20), обеспечивающего силовое воздействие 10 Н, перемещение 10 ± 0,01 мм, измерение перемещения с погрешностью ±0,01 %, целесообразно использовать актуаторы на основе ферромагнитных материалов с памятью формы (Ni-Mn-Ga). Повысить эффективность разработки таких устройств позволяет применение интеллектуальных технологий: метода натурно-модельных испытаний, комплексно использующего достижения измерительной техники и моделирования, современных средств программирования промышленных систем управления на основе программного комплекса LabView. Рекомендуемая для изучения литература 1 Ферромагнетики с памятью формы / А.Н. Васильев [и др.] // Успехи физических наук. 2003. Т. 173, № 7. С. 577-608. 2 Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М.: Техносфера, 2006. 224 с. 3 Smith R.C, Dapino M.D, Seelecke S. Free energy model for hysteresis in magnetostrictive transducers. // Journal of Applied Physics. 2003. Vol. 93, № 458. P. 458-466. 4 Contactless absolute linear displacement sensor working on the magnetostric- tive principle. [Электронный ресурс]. URL: http://www.mtssensor.de/fileadmin/medien (дата обращения: 18.11.2012). 5 Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М.:Техносфера, 2005. 592 с. 6 Казарян А.А. Тонкопленочные пьезоэлектрические датчики давления // Измерительная техника. 2002. № 5. С. 40-42. 7 Соколов Л.В., термокомпенсируемый Школьников тензопреобразователь В.М. Интегральный давления с трехмерной микромеханической мембранной структурой и датчик повышенной точности на его основе // Микросистемная техника. 2001. № 12. С. 3-6. 8 Смирнов А.Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами: Учебное пособие. СПб: СПбГПУ, 2003. 160 с. 9 Джагупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник. СПб.: Политехника, 1994. 608 с. 10 Рыбянец перспективы А.Н., развития Сахненко В.П. пьезоэлектрической Микросистемная техника. 2002. № 3. С. 16-22. Современное керамики за состояние и рубежом // 11 Высокоточный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступального типа / П.В. Гуляев [и др.] // Электротехника. 2010. № 10. С. 8-11. 12 Пьезокерамические актюаторы пластинчатые изгибного типа. [Электронный ресурс]. URL: http://www.elpapiezo.ru/curve.shtml (дата обращения: 15.10.2012). 13 Сплавы с эффектом памяти формы / под ред. Фунакубо Х. // Пер. с японск. М.: Металлургия, 1990. 224 с. 14 Материалы с эффектом памяти формы. Справочное издание / Под ред. Лихачева В.А. – СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998. 268 с. 15 Разработка реверсивных силовых приводов из материалов с эффектом памяти формы для устройств, применяемых в узлах расчековки космических аппаратов / В.А. Барвинок [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 4. С. 301-306. 16 Вяххи И. Э. Исполнительный механизм «искусственная мышца» на основе материала с эффектом памяти формы // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 2. С. 35-39. 17 Grant D., Hayward V. Design of shape memory alloy actuator with high strain and variable structure control // IEEE International Conference on Robotics and Automation, 21-27 May 1995. IEEE. 1995. Vol. 3. P. 2305-2312. 18 Suorsa I., Pagounis E., Ullakko K. Magnetic shape memory actuator performanceю // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004. Vol. 272. P. 2029–2030. 19 Wang F.X., Li W.J., Zhang Q.X. Design and control of linear actuators made by magnetically controlled shape memory alloy. / IEEE International Conference on Mechatronics, 20-22 July 2005. IEEE. 2005. Vol. 36. P. 583-586. 20 Multistable actuator based on magnetic shape memory alloy / J. Gauthier, A. Hubert, J. Abadie, C. Lexcellent // Actuator 2006, 10th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany. 2006. P. 787–790.