Магнитоупругие преобразователи

Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений (магнитоупругий эффект), обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скру­чивающие). Изменение магнитной проницаемости Dm/m для различ­ных материалов составляет 0,5–3% при изменении s на 1 МПа.

Типы магнитоупругих преобразователей можно разбить на две основные группы. К первой группе относятся преобразователи, в ко­торых используются изменения магнитной проницаемости чувстви­тельного элемента в одном направлении; магнитный поток в них на­правлен в большей части магнитной цепи вдоль линии действия уси­лия. В преобразователях этой группы под действием измеряемой силы изменяется индуктивность обмотки или индуктивность между обмотками. В первом случае реализуется цепь преобразований P→s→m→Z_м→L→Z, во втором – P→s→m→Z_м→M→E₂.

Ко второй группе относятся преобразователи, в которых исполь­зуется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях или, иначе говоря, магнитная анизотропия материала чувствительного элемента. В этих преобразователях магнитный поток направлен под углом 45° к линии действия измеряемого усилия. В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки располагаются симметрично и не сцепляются со вторичной обмоткой. В результате этого ЭДС вторичной обмотки равна нулю. После приложения усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитные силовые линии «вытягиваются» в на­правлении той проницаемости, которая больше, и «сокращаются» в направлении проницаемости, которая меньше. При этом они сцепляются со вторичной обмоткой, индуктируя в ней ЭДС, пропорциональную приложенному к преобразова­телю усилию. При изменении знака нагрузки изменяется и фаза вы­ходной ЭДС. Из-за начальной магнитной анизотропии материала при отсутствии нагрузки уже существует некоторая ЭДС. Для ее умень­шения в датчиках из листового материала чередуют листы с взаимно перпендикулярными направлениями проката, кроме этого, специаль­ным образом располагают отверстия, выбирая угол между обмотками, используют дополнительную обмотку или магнитный шунт.

Магнитоанизотропные свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел. Этот эффект, называемый эффектом Видемана, заключается в том, что при прохождении тока через стержень, на ко­торый воздействует кру­тящий момент, в нем, кроме кругового магнитного потока, воз­никает продольный маг­нитный поток, наводя­щий в обмотке, намотан­ной на стержень, ЭДС, пропор­циональную крутящему моменту. При скручи­вании ферромагнитного стержня, находящегося в продольном магнитном поле в нем появляется винтовая составляющая потока, которую можно считать результатом суперпозиции продольного и кругового потоков. Круговой поток наводит в контуре, образованном стержнем и под­ключенным к нему милливольтметром, ЭДС, пропорциональную потоку и зависящую от крутящего момента. Датчики, основанные на эффекте Видемана, подробно исследованы Е.Ф. Фурмаковым. Приво­дятся следующие экспериментальные данные: при диаметре скручиваемой проволоки из стали марки «Э» 1,5 мм и длине активного уча­стка 30 мм поле возбуждения частотой 1000 Гц и напряженностью Н=500 А/м наводит ЭДС е = 20 мВ при крутящем моменте М_кр=10^-2 Н·м.

Область применения магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругие дат­чики применяются для измерения сил, давлений, крутящих моментов. Мощ­ность, развиваемая датчиком, как пра­вило, достаточна для непосредственно­го включения указателя без предвари­тельного усиления. Датчик обладает вы­сокой надежностью, так как не имеет подвижной части, перемещающейся под действием входной величины. Датчик представляет собой жесткий элемент, имеющий собственную частоту колебаний в диапазоне 1–10 кГц и позволяющий измерять как статические, так и высокоча­стотные динамические величины. Механическое напряжение в мате­риале датчика составляет 10–50 МПа. Учитывая, что рабочее сечение магнитопровода обычно не менее 25 мм², можно оценить минимальный диапазон измерения датчика по силе значением 250 Н, по давле­нию – примерно 10⁷ Па.