околоЭрик Мюллер, менеджер по продукции сенсорных магнитов, Dexter Magnetic Technologies, Элк-Гроув-Виллидж, Иллинойс.
Бесконтактное измерение линейного и поворотного положения возможно с помощью надежных многополюсных магнитов
Современные машины и системы перемещения испытывают повышенную потребность в точном, воспроизводимом и надежном измерении линейного и поворотного положения. История развития датчиков положения варьируется от простых электромеханических устройств, таких как потенциометры, до индуктивных методов и оптических энкодеров. Новейшие стратегии включают в себя множество бесконтактных методов.
В частности, некоторые новые технологии магнитных лент теперь позволяют создавать экономичные системы измерения линейного и поворотного позиционирования со всеми преимуществами традиционных бесконтактных систем, включая оптимальную точность.
Контакт против бесконтактного
Возможности, которыми располагают системные инженеры для измерения линейного и вращательного движения, весьма разнообразны. Существует два различных типа измерений: контактное и бесконтактное. Контактные системы именно таковы – они требуют контакта для измерения движения. И наоборот, бесконтактные системы не требуют контакта. Примерами контактных систем являются потенциометры и механические бесконтактные переключатели. Бесконтактные средства измерения включают оптику и лазеры, магнитострикционные, емкостные, индуктивные и ультразвуковые методы.
Оба метода имеют свои преимущества, которые зависят от требований приложения. Для применений, требующих длительного срока службы и высокой надежности, бесконтактное зондирование, как правило, является хорошим вариантом. Отчасти это связано с ограниченным износом и деградацией компонентов. Бесконтактные опции ограничивают повреждения при контакте с обрабатываемой деталью и обеспечивают дополнительную безопасность, позволяя герметизировать измерительные системы или размещать их в контейнерах, защищая их от неблагоприятных условий окружающей среды.
Главным преимуществом бесконтактной измерительной системы является возможность получения высокой степени точности. Выбирая систему с точки зрения точности, инженеры исходят из того, что чем выше точность системы, тем выше цена системы. Положительная корреляция между ценой и точностью является наследием измерительных систем, которое стало основным недостатком при использовании бесконтактной системы. Чтобы определить, подойдет ли система для конкретного применения и какой уровень точности необходим при проектировании в целом, необходимо взвесить затраты и выгоды.
Эффект Холла
Для более глубокого ознакомления с примером бесконтактной системы позиционирования рассмотрим технологию Hall cell. Принцип эффекта Холла был открыт физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Он обнаружил, что когда электрический проводник или полупроводник, по которому течет ток в одном направлении, подвергается воздействию магнитного поля, перпендикулярного направлению протекания тока, можно измерить напряжение на проводнике под прямым углом к траектории тока.
Это индуцированное напряжение обладает тремя ключевыми характеристиками. Во-первых, его сила пропорциональна силе тока в проводнике и напряженности магнитного поля, проходящего через проводник. Во-вторых, изменение индуцированного напряжения при изменении тока и напряженности магнитного поля является повторяемым. Наконец, это явление поддается измерению. Этот базовый принцип может быть применен при разработке недорогого бесконтактного датчика для измерения линейного и вращательного движения. Чтобы измерить перемещение одного места, поверхности или компонента относительно другого, к одному месту прикрепляется датчик Холла, а к другому — магнит. Когда они меняют положение относительно друг друга (линейное или вращательное), это изменение непосредственно измеряется изменением индуцированного напряжения на датчике Холла. Это измерение выполняется в полностью бесконтактной среде.
В отличие от традиционных бесконтактных систем, одним из ограничений измерения линейного положения с помощью датчиков Холла является ограниченный диапазон и точность измерений из-за ограничений магнитного поля “традиционного” двухполюсного магнита, намагниченного аксиально или диаметрально, с одним северным и южным полюсами. Напряженность магнитного поля биполярного магнита такого размера падает ниже минимума, требуемого производителями датчиков. Например, стандарт Austriamicrosystems (AMS), ведущего производителя многополюсных датчиков Холла, гласит, что магнитная сила должна поддерживаться в пределах 0,3-0,5 мм от поверхности магнита, в зависимости от конкретного используемого магнита. Для увеличения расстояния линейного измерения и точности при использовании датчика Холла необходим магнит с несколькими северными/южными полюсами и очень точной длиной полюсов.
Эти знания привели к разработке многополюсного магнита, который отвечал бы требованиям рынка по точности, стоимости и напряженности поля при непрерывном чередовании северного и южного полюсов. Конструкция, присущая многополюсному магниту, делает длину возможного линейного измерения ограниченной только длиной магнита, который может быть физически изготовлен.
Эволюция многополюсных магнитов
Разработка точных, недорогих систем измерения линейного и поворотного положения потребовала не только разработки многополюсных магнитов, но и анализа и доработки датчиков Холла, использующих магниты. Учитывая необходимость проведения исследований и разработок, Dexter Magnetic Technologies заключила партнерское соглашение с AMS по разработке датчиков Холла. Опыт Dexter основан на магнитных материалах и науке, лежащей в основе магнитного притяжения. Компания AMS была выбрана в качестве партнера для датчиков Холла, поскольку компания разработала семейство бесконтактных магнитных датчиков высокого разрешения для точного линейного и внеосевого измерения вращения. Датчики AMS обеспечивают разрешение измерений <0,5 микрона. Для правильной работы датчика требуется многополюсный ленточный магнит или кольцевой магнит с длиной полюса 1,0 мм, 1,2 мм или 2,0 мм (длина зависит от выбора датчика).
Для успешной работы всей измерительной системы к этим магнитам предъявляется несколько требований. Во-первых, магниты должны быть изготовлены из материала, который может быть намагничен до достаточной напряженности поля, чтобы соответствовать требованиям датчиков Холла. Во-вторых, они также должны быть изготовлены из материала, который можно подогнать под разную длину. Длина линейного измерения ограничена длиной магнита, поэтому необходим магнит, который можно легко модифицировать для различных длин. Наконец, и, возможно, самое важное, заключается в том, что процесс намагничивания должен приводить к высокоточной и воспроизводимой длине полюса.
Чтобы начать разработку, были доработаны технические характеристики многополюсного ленточного магнита с длиной полюсов 1,0 мм, 1,2 мм или 2,0 мм.
Следующим шагом было исследование различных материалов, которые можно было бы использовать для изготовления магнитов в соответствии с уникальной спецификацией, упомянутой выше. Был проведен анализ нескольких материалов, и окончательный выбор пал на гибкий ферритовый материал с энергетическим классом (показателем запасенной энергии в магните) 1,4 МГОе (мегагаусс-эрстед), который обладал требуемыми характеристиками для правильного намагничивания, а также возможностью изменять параметры длины. Использование гибкого ферритового материала для изготовления магнитов позволило изготавливать магниты очень большой длины, до 5000 мм и более.
Тестирование
На этапе тестирования были разработаны и протестированы два стандартных размера. Учитывая популярность датчиков холла AMS на рынке, были протестированы две многополюсные полоски. Первый многополюсный блок имел толщину 1,5 мм и ширину 9,5 мм. Второй многополюсный блок имел толщину 0,76 мм и ширину 3,18 мм. Оба магнита были намагничены таким образом, чтобы создать поле 10 мТл при 1,0 мм. Они соответствовали требованиям датчика AMS к диапазону напряженности магнитного поля на поверхности датчика от 5 до 60 мТл. Рабочая температура магнита колебалась от -40° до 125°C при линейном коэффициенте теплового расширения 1,8 х 10-4°C-1.
Анализ правильных способов крепления магнитов привел к тому, что оба магнита смогли соответствовать требуемым техническим характеристикам при монтаже с помощью чувствительного к давлению клея, нанесенного на немагнитную сторону. Такая конфигурация крепления позволяла устанавливать магнит на различные материалы поверхности и текстуры.
Целевые параметры тестирования многополюсного магнита были рассчитаны с точностью более 40 микрон. Испытания многополюсных магнитных полосок в соответствии с такими строгими стандартами ранее никогда не проводились. На этапе тестирования стало очевидно, что для обеспечения точных результатов необходимо разработать новое испытательное приспособление. Таким образом, было разработано и изготовлено специальное испытательное приспособление, чтобы начать первоначальную проверку конструкции магнита с длиной полюса 1,0 мм.
Испытуемый магнит был установлен на небольшой платформе для образцов на определенном расстоянии под датчиком Холла, который был прикреплен к каретке, которая линейно перемещалась с помощью шагового двигателя. Оптический энкодер использовался для измерения линейного перемещения магнита вдоль испытательного приспособления во время тестирования. Это включало в себя линейную шкалу с градуировками, прикрепленную к основанию испытательного прибора. Считывающая головка, обеспечивающая требуемое разрешение, использовалась для точного измерения перемещения испытательной платформы и испытываемого магнита по линейной шкале. Датчик Холла AMS NSE5310 использовался для измерения магнитного поля испытательного магнита и его линейного положения при перемещении платформы с образцом вдоль испытательного приспособления. NSE5310 — это магнитный линейный энкодер высокого разрешения, который обеспечивает мгновенную индикацию положения магнита с разрешением 0,488 микрона на шаг (12 бит, или 4096 бит, для пары полюсов диаметром 2,0 мм).
Первоначальные результаты тестирования показали точность измерений более чем на 2%, что оказалось выше, чем ожидалось. Анализ тестового устройства выявил улучшения, которые необходимо было внести в устройство. После необходимых усовершенствований оснастки были достигнуты стандартные результаты с точностью 2%.
Тестирование также показало необходимость правильного размещения конечных элементов для обеспечения надлежащего расстояния перемещения во время нанесения. Для достижения оптимальной точности при заданном расстоянии перемещения необходимо было исключить конечные эффекты из общей длины многополюсной магнитной ленты. Добавление дополнительных 2 мм, необходимых для конечных эффектов, к общей длине увеличило длину, необходимую при задании общего движения.
Магнитные технологии Dexter
www.dextermag.com
Австрийские микросистемы
www.ams.com
Свежие комментарии