ДАТЧИК МАЛЫХ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО СТРОЙСТВА

Во время стремительно развивающихся технологий, когда одно изобретение заменяется другим, не успев закрепиться в какой либо области науки или быте людей, многие вещи попросту становятся одноразовыми и мало когда используются в нескольких сферах деятельности. Исходя из этого, можно сказать, что технологии и изобретения перестали использоваться более унифицировано. Думаю, что всегда нужно помнить, что у многих полезных моделей, устройств и изобретений есть, так сказать, другая сторона медали, изучив которую можно использовать данный объект не только в сфере деятельности, для которой он был создан, но и в других областях науки и промышленности. Поэтому, в данной работе, я решил рассмотреть магнитострикционное исполнительное устройство (МСИУ) в качестве датчика малых угловых перемещений.

Для начала рассмотрим, что такое магнитострикционное исполнительное устройство. Простейшим магнитострикционным исполнительным устройством является пластина, которая состоит из двух слоев с разными магнитострикционными свойствами. К примеру, первый слой данной магнитострикционной пластины изготовлен из материала с положительным по знаку коэффициентом магнитострикционной деформации, это значит, что при нахождении в магнитном поле, по мере увеличения напряженности этого же магнитного поля, данный материал будет удлиняться на определенную длину. Второй слой данной магнитострикционной пластины изготовлен из материала с отрицательным по знаку коэффициентом магнитострикционной деформации – при нахождении в магнитном поле, по мере увеличения напряженности магнитного поля, слой из данного материала будет укорачиваться на определенную длину. Простейшая магнитострикционная пластина состоит из двух данных слоев с разными по знаку коэффициентами магнитострикционной деформации, жестко соединенных плоскопараллельно друг другу, одинаковой длины. Такая конструкция магнитострикционной пластины позволяет создавать изгибающий момент, с помощью того, что один слой удлиняется, а второй – укорачивается. Таким образом данная магнитострикционная пластина изгибается.  Магнитострикционная пластина закреплена одним концом на неподвижном основании. Второй же конец данной магнитострикционной пластины жестко закреплен к перемещаемому объекту, которому необходимо передавать малые угловые перемещения. Вокруг данной магнитострикционной пластины имеется обмотка намагничивания, которая создает магнитное поле, с помощью которого можно контролировать угол изгиба пластины за счет увеличения и уменьшения напряженности данной обмотки.

Данная конструкция имеет ряд недостатков. Неточность позиционирования перемещаемого объекта, что является существенным недостатком, так как перемещаемый объект смещается с оси, вокруг которой необходимо перемещать заданный объект. Также, у данной конструкции возможно самопроизвольное изменение угловых перемещений пластины из-за нестабильности тепловых параметров, которые влияют на магнитострикционные свойства материалов, из которых состоит данная магнитострикционная пластина, что является большим недостатком и добавляет большую погрешность в точности.

В данной работе не будет рассмотрены решения устранения недостатков, так как это уже совсем отдельная работа. Далее рассмотрим использование данной конструкции магнитострикционного устройства в качестве датчика малых угловых перемещений, преимущества и недостатки, а также области применения данного датчика.

Как было описано выше, при изменении силы тока намагничивания обмотки изменяется и кривизна магнитострикционной пластины, то есть глубина углового перемещения объекта на конце данной магнитострикционной пластины. Чем сильнее магнитное поле – тем больше угол поворота, чем слабее магнитное поле – тем меньше угол поворота объекта. Исходя из этого, можно, посмотрев с другой стороны на данное устройство, использовать его в качестве датчика малых угловых перемещений. При обычном использовании магнитострикционного устройства угловых перемещений входными данными являются сила тока и напряжение на обмотке намагничивания, а выходными данными – градус угла поворота перемещаемого объекта. Если принять за входные данные угол поворота, то выходными данными будут сила тока и напряжение на концах обмотки намагничивания. То есть, чем больше угол поворота объекта на конце магнитострикционной пластины, тем больше сила тока на выходе обмотки намагничивания, таким же образом – чем меньше угол поворота объекта на конце магнитострикционной пластины, тем меньше сила тока на концах обмотки намагничивания. В этом случае данная магнитострикционная пластина играет роль простейшего датчика малых угловых перемещений – имеется возможность определять угол поворота какого-либо объекта в заданном диапазоне угловых перемещений.

Преимуществом данного простейшего датчика малых угловых перемещений является, в первую очередь, его размеры, которые очень малы. Также преимуществом является малая энергозатратность датчика, что в наше время очень важно.

Недостатком рассмотренного простейшего датчика малых угловых перемещений является его неточность определения углового перемещения при длительности работы, так как появляется большое влияние коэффициента температурного расширения, и изменения за счет этого магнитострикционных свойств материалов из которых выполнены слои магнитострикционной пластины. Еще одним недостатком данного датчика является небольшой диапазон измерения угла поворота объекта, так как материалы, из которых выполнены слои магнитострикционной пластины, имеют ограниченный ход, и при больших изгибающих моментах могут не выдержать и деформироваться или сломаться.

Описанный выше датчик может применять в большом количестве областей науки и промышленности. Рассмотрим несколько областей науки и промышленности, в которых используются малые угловые перемещения. Данный простейший датчик малых угловых перемещений может применяться в оптике для определения угла поворота каких-либо элементов или линз. Также, возможно применение данного датчика в схемотехническом производстве, где необходима высокая точность позиционирования микроэлементов и каких либо других мелких объектов на монтажной или печатной платах. Применение также возможно и в медицине, в области нанохирургии, где часто требуются устройства, способные определять малые угловые перемещения объектов. Данный датчик малых угловых перемещений может найти применении и в быту, где нужно определить малое угловое перемещение какого-либо объекта.

В заключении, не смотря на недостатки данного устройства, можно сказать, что есть большое количество вариантов увеличения точности, увеличения диапазона определения угла поворота, улучшения температурных параметров.  В данной же статье рассмотрена конструкция простейшего датчика малых угловых перемещений на основе магнитострикционного исполнительного устройства. Общая идея данной работы – посмотреть на какие либо изобретения с другой стороны, для расширения областей науки и промышленности в которых могут быть использованы определенные конструкции, устройства и изобретения.

Список литературы:

1. Грахов П.А. Магнитострикционные исполнительные устройства для активной оптики (Развитие теории, исследования характеристик и конструкций) // Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 1999. – 226 с.
2. Хайбуллин Х.М., Мухаметьянов И.Р., Ясовеев В.Х. [и др.] Магнитострикционное исполнительное устройство // Научное сообщество студентов: междисциплинарные исследования: сб. ст. по мат. XV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4(15). Новосибирск: СибАК, 2017. URL сборника: https://sibac.info/archive/meghdis/4(15).pdf, URL статьи: https://sibac.info/studconf/science/xv/69597
3. Грахов П. А., Федин А.В. Моделирование устройств угловых микроперемещений на основе магнитострикционных пластин // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2011. №3. С. 134-141.
4. Грахов П. А., Ясовеев В.Х., Федин А.В. Характеристики устройств угловых перемещений на основе магнитострикционных пластин при действии предварительных упругих напряжений // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2015. - № 4, т. 11. - С.107-114.