CIENKOWARSTWOWE CZUJNIKI MAGNETOREZYSTANCYJNE JAKO NARZĘDZIA POMIAROWE W DIAGNOSTYCE TECHNICZNEJ 1. WSTĘP

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 49 Politechniki Wrocławskiej Nr 49 Studia i Materiały Nr Zbigniew ŻUREK* czujniki magnetorezystancyjne, odkształcenia sprężyste, drgania, badanie CIENKOWARSTWOWE CZUJNIKI MAGNETOREZYSTANCYJNE JAKO NARZĘDZIA POMIAROWE W DIAGNOSTYCE TECHNICZNEJ W diagnostyce technicznej maszyn używane są powszechnie piezoceramiczne przetworniki drgań i przetworniki tensometryczne. Nowe technologie w mikroelektronice umożliwiają produkcję cienkowarstwowych mostkowych przetworników magnetorezystancyjnych. Mogą one znaleźć zastosowanie w miernictwie wielkości nieelektrycznych ze względu na posiadane czułości i pasma przenoszenia. Przetworniki te mogą mierzyć pośrednio odkształcenia sprężyste i drgania przez pomiar zakłóceń pola magnetycznego własnego i wymuszonego. Przedstawiono stanowisko pomiarowe, na którym uginano stalowy płaskownik obracającą się krzywką. Do płaskownika przymocowane były trzy wymienione wcześniej przetworniki pomiarowe. Przetworniki mierzyły jednocześnie proces uginania dynamicznego płaskownika. Porównanie zarejestrowanych przebiegów napięciowych, amplitudowych i częstotliwościowych potwierdziło przydatność magnetorezystancyjnych przetworników pola w diagnostyce technicznej. 1. WSTĘP Potrzeba diagnozowania technicznego wynika z założonego czasu eksploatacji maszyny oraz jest powodowana koniecznością poznania ilościowego i jakościowego procesów w niej zachodzących. Poznanie stanu technicznego maszyny wymaga zorganizowanych metod i środków oceny, tj. narzędzi pomiarowych. Nieznajomość tych procesów przy obecnym tempie rozwoju techniki może być przyczyną potencjalnych zagrożeń dla człowieka i środowiska [2]. Zastosowane środki oceny diagnostycznej wynikają z przyjętej metody pomiarowej, a ta z kolei opiera się na konkretnym zjawisku fizycznym lub grupie zjawisk towarzyszących. Poszczególne metody i narzędzia nie są uniwersalne i mogą przynieść mniej lub więcej informacji o obiekcie. Ważne jest, by dobrać taką metodę i narzędzie pomiarowe, które dadzą najwięcej informacji o interesującej nas fazie okresu właściwej eksploatacji wybranego zespołu lub całego urządzenia. * Instytut Transportu, Politechnika Śląska.

2 38 2. CEL I PROGRAM BADAŃ Celem prowadzonych badań było potwierdzenie użyteczności pomiarowych magnetorezystancyjnych przetworników pola [1] w stosunku do powszechnie stosowanych przetworników pomiarowych drgań i przetworników tensometrycznych. W tym celu wykonano stanowisko pomiarowe, na którym uginano stalowy płaskownik ze stali ST5, obracającą się krzywką. Siła zginająca pochodząca od wybranej krzywki przemieszczała się po powierzchni płaskownika na drodze A B, uginając go o strzałkę f, jak na rysunku 1. Do pomiarów użyto przetworników pomiarowych, które charakteryzowały się odmiennymi możliwościami diagnostycznymi, ponieważ reagowały kolejno na zmianę wymuszonego pola elektromagnetycznego, drgania oraz wydłużenia. Wprowadzona różnorodność krzywek miała na celu zakłócenie stanu zginania belki dodatkowymi siłami i drganiami pochodzącymi zarówno od tarcia suchego dla krzywek I i III, jak i tarcia tocznego od łożysk wkomponowanych w powierzchnie krzywek II i IV. a) b) Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego z krzywką I (a), zarysy pozostałych krzywek (b) Fig. 1. Measuring station with cam I (a), Cam shapes (b) 3. BADANIA PORÓWNAWCZE WYBRANYCH METOD I NARZĘDZI POMIAROWYCH W eksperymencie zastosowano trzy przetworniki pomiarowe. Do pomiaru składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego zastosowano przetwornik magnetorezystancyjny KMZ10B, o czułości równej 20 mv/(ka/m) przy napięciu zasilania 5 V, przetwornik para- a. krzywka 1 - przetwornik tensometr./przetwornik drgań b. krzywka 1 przetwornik tensometr./przetwornik pola

3 39 T T A-B c. krzywka 3 przetwornik. tensom./przetw. pom. drgań d. krzywka 3 przetwornik. tensom./przetw. pom. pola e. krzywka 4 przetwornik. tensom./przetw. pom. drgań f. krzywka 4 przetwornik. tensom./przetw. pom. pola Rys. 2. Zarejestrowane przebiegi napięciowe wywołane pracą krzywek I, III i IV Fig. 2. Voltage outputs from sensors measured for deflection patterns applied by cams I, III, IV metryczny drgań ADXL200 o czułości 300 mv/g oraz tensometry foliowe o rezystancji 123 Ω i stałej K = 2,21. Zastosowane częstotliwości uginania belki na stanowisku badawczym nie przekraczały 3 Hz, natomiast drgania własne nie przekraczały 100 Hz. Przebiegi napięciowe otrzymywane z poszczególnych przetworników porównywano w kolejnych fazach pracy krzywki. Badano odpowiedzi pod względem ilościowym i jakościowym

4 40 w fazie naporu krzywki na drodze oznaczonej na rysunku literami A B, w fazie okresu drgań własnych, jak i zmian amplitudy sygnału wyjściowego powodowanej odmiennymi strzałkami ugięcia f od poszczególnych krzywek. Zarejestrowane przebiegi napięciowe uzyskane z pracy wybranych krzywek przedstawiono na rysunku WNIOSKI Prowadzone badania zmierzały do oceny przydatności przetworników pomiarowych pola elektromagnetycznego w diagnostyce technicznej. Wykresy przedstawione na rysunku 2 wskazują, że magnetorezystancyjne przetworniki pomiarowe pola elektromagnetycznego łączą w sobie cechy przetworników pomiarowych przyspieszeń (drgań) [3] i przetworników tensometrycznych, są natomiast bardzo wrażliwe na wszelkiego rodzaju fale elektromagnetyczne. O przydatności przetworników magnetorezystancyjnych, oprócz wykazanych na rysunku 2 zgodności okresów i amplitud, świadczą także charakterystyki widmowe uzyskane z wymuszenia krzywkami od I do IV. Na rysunku 3 przedstawiono wybrane charakterystyki widmowe będące wynikiem obciążania belki krzywką I, pomierzone mostkiem tensometrycznym i mostkiem magnetorezystancyjnym. a) b) 84HZ 84Hz szumy Hz Hz Rys. 3. Charakterystyki widmowe pomierzone na stanowisku z pracującą krzywką I: a) pomiar dokonany mostkiem tensometrycznym, b) pomiar dokonany mostkiem magnetorezystancyjnym Fig. 3. Spectrum characteristics of registered voltage outputs for the deflection pattern applied by cam I: a) using a tensometer bridge, b) using a magnetic-field sensor Na każdej z charakterystyk widoczne są amplitudy małej częstotliwości do kilkunastu Hz, będące wynikiem ugięcia belki krzywką, oraz prążki o częstotliwości ok. 84 Hz będące wynikiem drgań własnych obciążanego elementu. W pomiarach przetwornikami magnetycznymi pojawiają się szumy w całym zakresie częstotliwości oraz zakłócenia od

5 sieci 50 Hz i jej harmoniczna, których brak w pomiarach tensometrycznych. Zakłócenia te nie są na tyle znaczące, aby mogły zafałszować obraz drgań i odkształceń. W aspekcie porównawczym wybranych metod i narzędzi pomiarowych przetworniki magnetorezystancyjne pola elektromagnetycznego potwierdzają swoją przydatność oraz możliwości pomiarowe w diagnostyce technicznej. Pamiętać należy tylko, by odpowiednio dobierać czułość przetwornika i wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego oraz maksymalnie zredukować stosunek sygnał/szum. Przetworniki magnetorezystancyjne mogą znaleźć także zastosowanie w diagnostyce materiałów niemagnetycznych, takich jak np. taśmy gumowe przenośników taśmowych [4]. 41 LITERATURA [1] TUMAŃSKI S., Cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne, Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, [2] ŻÓŁTOWSKI B., Podstawy diagnostyki maszyn, Bydgoszcz, Wydawnictwo Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, [3] ŻUREK Z., XXVI Ogólnopolskie sympozjum diagnostyka maszyn, Węgierska Górka, [4] ŻUREK Z., Zgłoszenie patentowe P336279, Gliwice, Politechnika Śląska, THIN-FIELD MAGNETORESISTIVE SENSORS ADOPTED AS MEASURING TOOLS IN TECHNICAL DIAGNOSTICS The paper presents the results of investigations in applying magnetoresistive sensors to the measurement of the deflection process of a flat steel bar. The measurements were carried out using a cam-deflection process device, which applied different deflection patterns to the bar. The measuring station enabled the comparison of properties of different types of deflection sensors, that is: a tensometer bridge, a piezoelectric transducer and the magnetoresistive sensor. A number of characteristics were measured and the results were compared. As the most representative, the voltage courses and spectrum characteristics of the sensors were analysed. The qualitative parameters of these characteristics proved to be similar. These preliminary results attest that the measurement of changes inassociated magnetic filed of steel bar may be adopted in analyzing deflection processes.