Transdutor magnetostritivo: diagrama esquemático, tipos, vantagens e suas aplicações

O transdutor eletromecânico é um dispositivo usado para converter um sinal elétrico em ondas sonoras ou uma onda sonora em um sinal elétrico. Esses transdutores são mais versáteis e contêm dispositivos magnetoestrictivos e piezoelétricos. Atualmente, para aplicações ultrassônicas de potência, existem dois projetos básicos de transdutores usados: magnetostritivo e piezoelétrico. A transdutor piezelétrico usa a propriedade de um material piezoelétrico para converter energia elétrica em mecânica. Um transdutor magnetostritivo usa a propriedade de um material magnetostritivo para converter energia em energia mecânica dentro de um campo magnético. Aqui, o campo magnético é fornecido através de uma bobina de fio que é coberta em torno do material magnetostritivo. Portanto, este artigo discute uma visão geral de um transdutor magnetostritivo – funcionamento e suas aplicações.

O que é Transdutor Magnetostritivo?

Um dispositivo que é usado para mudar a energia de mecânica para magnética é conhecido como transdutor magnetostritivo. O princípio de funcionamento do transdutor magnetostritivo usa um tipo de material magnético onde um campo magnético oscilante aplicado irá espremer o átomos do material, cria uma mudança periódica dentro do comprimento do material e produz uma vibração mecânica com alta frequência. Esses tipos de transdutores são usados ​​principalmente nas faixas de frequência mais baixas e são muito comuns em usinagem ultrassônica e aplicações de limpeza ultrassônica.

Diagrama esquemático do transdutor magnetostritivo

O funcionamento de um transdutor magnetostritivo pode ser descrito usando o seguinte diagrama esquemático. Este diagrama explica a quantidade de deformação produzida desde a magnetização nula até a magnetização completa. Isso é dividido em atributos mecânicos e magnéticos discretos que são definidos em seu efeito na indução magnética e na deformação do núcleo magnetostritivo.

No primeiro caso, a figura c mostra quando o campo magnético não é aplicado ao material, então a mudança no comprimento também é nula com a indução magnética produzida. A quantidade de campo magnético (H) é aumentada para seus limites de saturação (±Hsat). Isso aumenta a tensão axial para “esat”. Além disso, o valor de magnetização será aumentado para o valor +Bsat mostrado na Figura-e ou reduzido para –Bsat mostrado na figura.

Quando o valor 'Hs' está em seu ponto máximo, a indução magnética e a maior saturação de deformação podem ser alcançadas. Portanto, neste ponto, se tentarmos aumentar o valor do campo, isso não alterará o valor de magnetização ou o campo do dispositivo. Assim, quando o valor do campo atingir a saturação, os valores de deformação e indução magnética aumentarão e se moverão para fora da figura central.

No segundo caso, quando o valor 'Hs' é mantido fixo e se aumentarmos a quantidade de força no material magnetostritivo, então a pressão compressiva dentro do material aumentará no lado reverso com uma diminuição na deformação axial e nos valores de magnetização axial . Na figura-c, não há linhas de fluxo disponíveis devido à magnetização nula, enquanto na figura. b & figura. d tem linhas de fluxo magnético de magnitude muito menor com base no alinhamento do domínio magnético no acionador magnetostrictivo. A Figura-a tem linhas de fluxo, mas seu fluxo será na direção inversa.

Figura. f mostra as linhas de fluxo com base no campo 'Hs' aplicado e no arranjo do domínio magnético. Aqui, as linhas de fluxo produzidas são medidas com o princípio do Efeito Hall. Portanto, esse valor será proporcional à força ou deformação de entrada.

Tipos de transdutor magnetostritivo

Existem dois tipos de transdutores magnetostritivos; magnetostricção espontânea e magnetostricção induzida por campo.

Magnetostricção Espontânea

A magnetostricção espontânea ocorre a partir do ordenamento magnético dos momentos atômicos sob a temperatura de Curie. Este tipo de magnetostricção é utilizado na liga à base de NiFe chamada invar e apresenta aumento térmico zero até sua temperatura curie.

A magnetização de saturação do material diminui com o aquecimento até a temperatura de Curie devido a uma diminuição na quantidade de arranjo dos momentos magnéticos atômicos. Quando este arranjo e a magnetização de saturação reduzem, a expansão do volume também diminui através da magnetostricção espontânea e o material se contrai.

No caso invar, essa contração devido à perda espontânea de magnetostricção é equivalente à expansão causada pelos métodos usuais de vibração térmica e, portanto, o material mostrará que não há alteração nas dimensões. Mas acima da temperatura Curie, normalmente ocorre expansão térmica e não há mais ordenação magnética.

Magnetostrição induzida por campo

A magnetostricção induzida por campo ocorre principalmente a partir do arranjo do domínio magnético em uma aplicação de campo aplicado. O material Terfenol mostra a maior magnetostricção útil, que é a mistura de Tb, Fe e Dy. O material terfenol é utilizado para sensores de posição, sensores de campo, atuadores mecânicos e alto-falantes.

Sensores de carga de arranjo magnetostritivo (ou) simplesmente funcionam com o fato de que sempre que um material magnetostritivo experimenta uma tensão, a magnetização do material muda. Normalmente, os atuadores de Terfenol incluem uma haste de Terfenol que é disposta sob compressão para organizar os domínios magnéticos ao comprimento da haste perpendicularmente. Uma bobina é usada ao redor da haste de Terfenol, um campo é aplicado à haste para alinhar os domínios ao longo de seu comprimento.

Diferença entre o transdutor magnetoestrictivo e o piezoelétrico

A diferença entre um transdutor magnetoestrictivo e piezoelétrico inclui o seguinte.

Como escolher um transdutor magnetostritivo?

A seleção de um transdutor magnetostritivo pode ser feita com base nas especificações abaixo.

• Este transdutor deve usar um tipo de material magnético para que possa interagir e mapear distâncias com muita precisão.
• O transdutor deve permitir medições sem contato e sem desgaste.
• Seu alcance deve ser de 50 a 2500 mm.
• Sua resolução máxima deve ser de aproximadamente 2 µm.
• A linearidade máxima deve ser de ±0,01%.
• A velocidade de deslocamento deve ser inferior a 10 m/s.
• A saída analógica é de 0 a 10 V, 4 a 20 mA.
• 24 VDC ±20% Fonte de tensão
• Classe de proteção IP67
• A temperatura de operação deve estar entre -30...+75 °C.

Vantagens e desvantagens

O vantagens de um transdutor magnetostritivo inclui o seguinte.

• Esses transdutores são confiáveis, livres de manutenção, reduzem significativamente o potencial de erros operacionais e tempo de inatividade da máquina
• Os transdutores magnetostritivos não possuem peças de contato, portanto, eles têm uma vida útil mais longa.
• Estes são mais precisos em comparação com os transdutores de contato fixo.
• Eles têm boa sensibilidade, inspeção de longo alcance, durabilidade, fácil implementação, etc.

O Desvantagens de um transdutor magnetostritivo inclui o seguinte.

• Os transdutores magnetostritivos são caros.
• O transdutor magnetostritivo tem limitações de tamanho físico, portanto, está restrito a operar em frequências abaixo de 30 kHz aproximadamente.

Formulários

O aplicações de um transdutor magnetostritivo inclui o seguinte.

• O transdutor magnetostritivo é usado para medição de posição.
• Este transdutor desempenha um papel fundamental na conversão de energia mecânica em energia magnética.
  Anteriormente, este dispositivo era utilizado em diferentes aplicações, incluindo medidores de torque, hidrofones, dispositivos de varredura de sonar, receptores de telefone, etc.
• Atualmente, é usado para fabricar diferentes dispositivos como motores lineares de alta força, sistemas de controle de ruído ou vibração ativa, ultrassônicos médicos e industriais, posicionadores para óptica adaptativa, bombas, etc.
• Esses transdutores são desenvolvidos principalmente para fazer ferramentas cirúrgicas, processamento químico, processamento de materiais e sonar subaquático.
• Os transdutores magnetostrictivos são usados ​​para medir o torque desenvolvido por eixos rotativos dentro das partes móveis das máquinas.
• Este aplicativo de transdutor é dividido em dois modos; implicando o efeito Joule e o outro é o efeito Villari. Quando a energia de magnética para mecânica é convertida, ela é usada para produzir força no caso de atuadores e pode ser usada para detectar um campo magnético no caso de sensores. Se a energia de mecânica para magnética for alterada, ela será usada para detectar movimento ou força.

Assim, esta é uma visão geral do transdutor magnetostritivo. Este transdutor também é chamado de transdutor magneto-elástico. Esses transdutores possuem impedância de entrada mecânica extremamente alta e são apropriados para a medição de grandes forças estáticas e dinâmicas, aceleração e pressão. Eles são fortes em recursos de construção e quando esses transdutores são usados ​​como transdutores ativos, a impedância de saída será baixa. Aqui está uma pergunta para você, o que é Magnetostricção Fenômeno?