Преобразователи на основе эффекта Баркгаузена. Электромагнитный (ЭМ) преобразователь представляет собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле
Электромагнитный (ЭМ) преобразователь представляет собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, протекающими по контурам, так и внешним источником.
Одноконтурный ЭМ преобразователь характеризуется током i через контур, потокосцеплением Y=Li, противо-ЭДС е = –dY/dt, энергией электромагнитного поля Wм=Yi/2=Li2/2, индуктивностью L. Выходной величиной одноконтурного ЭМ преобразователя может быть: индуктивность L, электромагнитная сила Fэм и индуктируемая в контуре ЭДС еинд.
Индуктивность
L = w2(Re Zм/z2м),
где w – число витков контура; Re Zм и zм — действительная часть и модуль полного магнитнoгo сопротивления путиIм по которому замыкается поток;
Sм – поперечное сечение потока; m – магнитная проницаемость среды, по которой замыкается поток.
Индуктивность преобразователя увеличивается, если в магнитное поле контура вводится ферромагнитный материал[1].
ЭМ преобразователь с ферромагнитным сердечником показан на рис. 2-30, а, изменение его индуктивности происходит при изменении положения сердечника. Таким образом, входной величиной преобразователя является перемещение. Такой преобразователь называется индуктивным. Изменение индуктивности происходит также при изменении магнитной проницаемости сердечника. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от значения напряженности магнитного поля в материале. Соответственно индуктивность L зависит от тока, текущего через преобразователь и создающего собственное магнитное поле, и от параметров внешнего магнитного поля. Преобразователи, принцип действия которых основан на использовании зависимости L=f(В), называются магнитомодуляционными. При деформации ферромагнетиков также изменяется их магнитная проницаемость. Этот эффект, называемый магнитоупругим, используется в преобразователях для измерения сил и давлений. Принцип действия магнитоупругого преобразователя показан на рис. 2-30, б.
Электромагнитная сила действует на контур с током, находящийся во внешнем магнитном поле, стремясь сместить или развернуть его так, чтобы суммарная индукция магнитного поля была максимальной. Эта сила пропорцио-нальна току i и индукции В. Если ток через контур поддерживать постоян-ным i = const, то по значению электромагнитной силы можно определить индукцию магнитного поля В.
Такие преобразователи иногда применяются для измерения магнитной индукции. Если, используя постоянный магнит, создать магнитное поле с постоянной индукцией В = const, то преобразователь может быть применен для преобразования тока в силу и измерения тока (рис. 2-30, в). Такие преобразователи называются магнитоэлектрическими и широко используются в измерительных механизмах электромеханических приборов.
Ферромагнитный сердечник втягивается в контур с током так, чтобы индуктивность контура была максимальной (рис. 2-30, г). В этом случае электромагнитная сила пропорциональна квадрату тока. Подобные преобразователи используются в электромагнитных измерительных механизмах электромехани-ческих приборов.
Индуктированная ЭДС eинд возникает в контуре, находящемся во внешнем магнитном поле, при изменении потокосцепления. Для преобразователя, взаимосвязь которого с внешним магнитным полем характеризуется некоторым обобщенным параметром k при однородном внешнем магнитном поле с индукцией В, потокосцепление Y= kB и индуктируемая в контуре ЭДС еинд= –dY/dt = –(k¶B/dt + В¶k/¶t). При неподвижном контуре (¶k/¶t=0) ЭДС будет индуктироваться только в переменном магнитном поле.
Для контура без сердечника при
В = Вmsinwt ЭДС
e = wSwВmcoswt,
где w – число витков; S – площадь контура.
Преобразователь, представляющий собой неподвижную катушку (рис. 2-30, д), может быть использован для измерения переменной магнитной индукции. В постоянном магнитном поле ЭДС индуктируется только в движущемся контуре, и для измерения индукции В контуру задают принудительное движение, например вращение с постоянной скоростью, как показано на рис. 2-30, е. Можно использовать преобразователь и для решения обратной задачи – определения по значению выходной ЭДС скорости при движении контура в поле с известной индукцией ВN. Преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС eинд, называются индукционными.
ЭМ преобразователи строятся таким образом, чтобы выделить зависимость между входной величиной и одной из перечисленных входных величин, однако учитывать в большинстве преобразователей приходится проявление всех взаимосвязей. Так, на сердечник преобразователя (рис. 2-30, а) действует электромагнитная сила, которая может вызвать дополнительное перемещение сердечника, т.е. помеху, искажающую входную величину. На контур, в котором наводится ЭДС еинд (рис. 2-30, д), если он замкнут на конечное сопротивление и по нему протекает ток, действует сила, стремящаяся определенным образом ориентироватьего относительно поля. Поворот контура под действием этой силы вызовет изменение индуктируемой ЭДС.
Эквивалентная схема одноконтурного ЭМ преобразователя. Преобразователь с контуром в виде обмотки, содержащей w витков, показан на рис. 2-31, а. Основной поток Ф1 контура пронизывает всю обмотку и сцепляется со всеми витками. Однако некоторая часть потока Ф2, называемая потоком рассеяния, замыкается, не пронизывая ряд витков. Соответственно полная индуктивность контура имеет две составляющие: основную индуктивность L= w2/Zм и индуктивность рассеяния Lрас= w/Z'м, где Zм и Z'м – магнитные сопротивления основного потока и потока рассеяния. Если в обмотку преобразователя введем ферромагнитный сердечник, в котором концентрируется магнитный поток, то доля потоков рассеяния в общем потоке уменьшается и отношение L/Lрас увеличивается. Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на тороидальном сердечнике.
а)
Рис. 2-31
Однако при введении ферромагнетика появляются зависящие от частоты потери мощности на перемагничивание магнитопровода. Эти потери учитываются сопротивлением Rпог, включенным параллельно индуктивности L. Кроме того, в эквивалентной схеме должны быть учтены также межвитковые емкости; в области частот до 103–104 Гц они учитываются в виде сосредоточенной емкости.
Эквивалентная схема преобразователя, в которой учтены сопротивление обмотки постоянному току R0, основная индуктивностьL,индуктивность рассеяния Lрас, емкость С и сопротивление потерь Rпот, приведена на рис. 2-31, б. В ней учтены также источники ЭДС еинд и , которые характерны для ЭМ преобразователей. ЭДС еинд индуктируется в контуре, находящемся во внешнем магнитном поле. Эта ЭДС может быть информативной, как в индукционном преобразователе, но может являться и помехой. Для того чтобы уменьшить ту составляющую еинд, которая является помехой, преобразователи экранируются от внешнего магнитного поля, соединительные провода подводятся таким образом, чтобы не образовывать дополнительных контуров (см. рис. 2-30, а). Преобразователи, находящиеся в магнитных полях, защищаются от механических помех (вибрации, акустических воздействий), вызывающих колебания частей преобразователя и наведение ЭДС.
Уменьшить составляющую помехи е'инд можно, применяя в преобразователях симметричные магнитные цепи и симметричные обмотки. В качестве примера на рис. 2-31, в показана магнитная цепь в виде тороидального сердечника. При равномерной обмотке для каждого витка есть симметрично расположенный по отношению к магнитному потоку, пронизывающему тор, парный виток (например, витки б и в или а и г). ЭДС, наводимые в «парных» витках, компенсируют друг друга, и суммарная ЭДС е'инд при идеальной симметрииравнанулю[1].
В высокочувствительных ЭМ преобразователях с ферромагнитным сердечником иногда приходится считаться с напряжением шума, обусловленным в области средних частот главным образом эффектом Баркгаузена,т.е. импульсами ЭДС, вызываемыми скачкообразными смещениями доменных границ при перемагничивании ферромагнетика. Эффект Баркгаузена используется также при построении ряда преобразователей. Известно, что ферромагнетики состоят из большого числа элементарных областей (доменов), объем которых для разных типов ферромагнетиков составляет 10-3 — 10-6 мм3. Векторы намагниченности доменов ориентированы таким образом, что при отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность образца в целом равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля элементарные области перемагничиваются. Переориентация доменов может происходить скачками, при этом в витках обмотки индуктируются импульсы
ЭДС е = –DФ/t,
где DФ – приращение магнитного потока, вызванное скачком Баркгаузена; t – длительность скачка.
Длительность скачков Баркгаузена составляет для разных материалов 10-3 – 10-7 с.
ЭДС, вызываемая магнитным шумом, включается в эквивалентную схему ЭМ преобразователя (рис. 2-31, б). Однако, как правило, ЭДС оказывается значительно меньше других помех, в частности еинд; поэтому с наличием приходится считаться только в высокочувствительных преобразователях магнитных величин (феррозонды), в магнитных и параметрических усилителях.
Двухконтурный ЭМ преобразователь схематично показан на рис. 2-32. Преобразователи, содержащие два или несколько контуров, называют трансформаторными, или взаимоиндуктивными. Если пропустить переменный ток через контур 1, то в контуре 2 будет индуктироваться ЭДС, зависящая от угла a между плоскостями контуров, максимальная при совпадении этих плоскостей (рис. 2-32, а).
Поток, с которым сцепляется контур 2 при прохождении тока по контуру 1, равен
Y2 = М12i1,
где М12 = w1w2 Re Zм/z2м – взаимоиндуктивность контуров; w1 и w2 – числа витков контуров; Zм – магнитное сопротивление пути, по которому замыкается поток между контурами.
Рис. 2-32
При пропускании токов i1 и i2 через оба контура между ними возникает механический электромагнитный момент М, стремящийся развернуть их так, чтобы магнитное поле было максимальным, т.е. чтобы плоскости контуров совпали (рис. 2-35, б). При этом если токи i1 и i2 переменные, то в образовании момента могут участвовать не только токи, создаваемые внешними источниками, но и токи i12 и i21, наводимые в каждом из контуров потоком соседнего контура. При чисто активном сопротивлении контура момент равен нулю, так как между наводящим потоком и наведенным током фазовый сдвиг составляет 90°. Если же контур замкнуть на индуктивное или емкостное сопротивление, то развиваемый момент будет максимальным и контур будет стремиться развернуться так, как показано на рис. 2-32, в и г.
Дата добавления: 2015-01-26; просмотров: 1048;