Control de movimiento y automatización

Principio básico de la tecnología magnetostrictiva

Autor: Gabriela Torres

mar 07, 2022


La magnetostricción es una propiedad concreta de los materiales ferromagnéticos y se refiere a su capacidad para cambiar de forma en presencia de campos magnéticos. La estructura de los materiales ferromagnéticos incluyen dos dominios, cada uno de estos constituye una región polarizada magnéticamente. Al ser sometido el material ferromagnético a un campo magnético, las fronteras entre dichos dominios cambian hasta rotar; como resultado, este cambio se refleja en la forma dimensional del material.

quote

[…] se puede definir la magnetostricción como una propiedad de los materiales ferromagnéticos que causa un cambio de forma y dimensión del material. Este cambio de dimensión se produce durante un proceso de magnetización del material que produce la expansión o contracción del mismo. A medida que se aumenta la magnetización aplicada al material, la fuerza magnetostrictiva aumenta. Por tanto, la variación de la magnetización del material debido al campo magnético aplicado cambia la tensión magnetostrictiva hasta alcanzar el valor de saturación del material en estudio donde éste ya no puede modificar más su dimensión.

Josep Corrales Mascaró


Te recomendamos el texto Banco experimental de ondas torsionales generadas bajo el principio de magnetostricción para la detección de defectos en estructuras cilíndricas


Ahora bien, sólo ciertos materiales experimentan un cambio de dimensiones cuando son sometidos a un campo magnético (lo que anteriormente se ha explicado como magnetostricción). Este cambio de dimensiones se produce en la dirección del campo magnético aplicado y puede resultar en un alargamiento o acortamiento, dependiendo del material y de la magnitud del campo magnético aplicado.

Dentro del fenómeno magnetostrictivo cabe destacar el efecto Joule y el efecto Villari. El primero se refiere al fenómeno magnetostrictivo originalmente explicado al inicio del blog: materiales que cambian de tamaño cuando están sujetos a un campo magnético externo. Por el contrario, el efecto Villari ocurre cuando un material sufre un cambio mecánico al aplicarle una tensión exterior, este modifica su magnetización de manera que cambia la dirección y la longitud de los dominios que componen su estructura interna.


Magnetostricción




Los materiales con propiedades magnetostrictivas pueden convertir la energía magnética en energía cinética y, por ello, son ampliamente utilizados en transductores (sensores y actuadores). La propiedad magnetostrictiva puede ser cuantificada mediante el coeficiente L que se refiere al cambio fraccional en la longitud del material cuando la magnetización de este se incrementa desde cero hasta el valor de saturación.

  • El cobalto exhibe la mayor magnetostricción a temperatura ambiente de todos los elementos puros.
  • Entre las aleaciones, la mayor magnetostricción conocida hasta el momento la presenta el Terfenol-D (aleación de terbio, disprosio y hierro); cabe destacar que, este es el material más usado comúnmente en aplicaciones magnetostrictivas.​


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Por todo lo anterior, los sensores que emplean el principio magnetostrictivo también son llamados sensores de imán. Un aspecto curioso de la tecnología magnetostrictiva es que su efecto realmente es conocido desde el siglo XIX, pero su aplicación fue posible hasta mediados del siglo XX y, actualmente, encontramos los sensores magnetostrictivos inevitablemente en celulares, automóviles, aparatos médicos y robots de herramientas.


Fue James Joule, allá por el año 1842, quien observó que una muestra de níquel cambiaba de longitud cuando se la magnetizaba. Bajo la aplicación de estos campos magnéticos, el cobalto, el hierro y las aleaciones de estos materiales también cambian de longitud tanto como 50 ppm (partes por millón). El efecto conocido como magnetostricción tuvo su primera aplicación práctica durante la II Guerra Mundial, cuando se utilizaron materiales magnetostrictivos para localizar el eco en los dispositivos de SONAR.

Fragmento tomado de: Intensificar el desarrollo de materiales magnetostrictivos gigantes


Con base en lo expuesto, Josep Corrales Mascaró afirma en su investigación Banco experimental de ondas torsionales… que los transductores magnetostrictivos tienen las siguientes ventajas:

● buena sensibilidad y durabilidad

● ausencia de cableado directo a un transductor o muestra de prueba

● inspección de largo alcance

● fácil implementación y buena relación costo-efectividad


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Entre los sensores de imán para medir magnitudes de tipo no magnéticas se encuentran los de posición, proximidad, corriente, rotación, de fuerza, de presión, de velocidad, de flujo, de nivel y los magnetostrictivos. Especialmente, el efecto magnetostrictivo en los materiales magnéticos depende necesariamente de la estructura interna de dichos materiales.


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Pues bien, MTS Sensors es el fabricante de los sensores lineales de posición Temposonics reconocidos como el mejor sensor magnetostrictivo del mercado, para aplicaciones diversas como máquinas de inyección, sopladoras, prensas, máquinas para proceso de madera, sistemas lineales automatizados, etcétera.

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Específicamente, los sensores magnetostrictivos MTS tienen una parte electrónica que incluye una varilla rígida o flexible con un filamento interno, a través de la cual la parte electrónica envía un pulso continuo de corriente (N cantidad de veces por segundo a una alta velocidad); dicho pulso genera, a su vez, un campo magnético. El pulso constante a lo largo del filamento pasa por el campo magnético, genera una torsión mecánica en dicho filamento y regresa a la parte electrónica. Los milisegundos que el pulso tarda en ir y venir determinan el valor de la posición.

En general, los componentes de los sensores MTS se pueden resumir de esta forma:

Guía de onda: elemento magnetostrictivo donde es generado el pulso y que funciona como la guía para dirigir el pulso al punto de detección en el cabezal.

Recolector: su geometría convierte el pulso de torsión en pulso longitudinal (energía mecánica en energía magnética).

Bobina de recolección: convierte la energía magnética en energía eléctrica, cuyas señales son enviadas de nuevo hacia la parte electrónica.

Imán de posición: ubicado sobre la guía de onda en el punto de medición.



Dicho de otra manera, el imán o magneto va a estar en movimiento e interferirá con la onda del campo magnético del pulso de corriente y retornará una señal en cuanto se deforme la onda magnética. La parte electrónica (bobina de recolección) recibe la señal y arroja una señal de posición dada por el tiempo que demora en retornar la señal a la parte electrónica.

La tecnología magnetostrictiva es muy limpia y presenta muy poco desgaste, pues es de tipo inductiva.

De esta forma, los sensores de tecnología magnetostrictiva permiten medir de manera segura y precisa cinco variables:

  • Nivel del líquido
  • Interfaz de nivel con el otro líquido
  • Temperatura en tiempo real
  • Volumen
  • Señal digital para usarla como alarma de exceso de nivel


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