Магнитоупругие преобразователи.

Магнитоупругие преобразователи являются разновидно­стью электромагнитных преобразователей.

Магнитоупругие преобразователи основаны на явлении изменения магнитной проницаемости m ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряже­ний s, обусловленных воздействием на ферромагнитные тела

механических сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибаю­щих, скручивающих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления R_Ì для магнитного потока в сердечнике. Из­менение же R_Ì ведет к изменению полного электрического сопротивления катушки, находящейся на сердечнике. Таким образом, в магнитоупругом преобразователе мы имеем сле­дующую цепь преобразований

Р ® s ® m ® R_M ® Z

Существует и обратное явление: ферромагнитное тело, вне­сенное в магнитное поле, изменяет свои размеры, иначе гово­ря, внешнее магнитное поле вызывает механические деформа­ции ферромагнитного тела. Явления, возникающие вследствие взаимной зависимости между механическими и магнитными состояниями ферромагнитных тел, называются магнитострикционными. Под численным значением магнитострикции пони­мают относительное изменениеDl/l=l длины l стержня, об­условленное воздействием внешнего магнитного поля, а эффект изменения магнитных свойств под влиянием механических де­формаций называют магнитоупругим эффектом.

Опыт показывает, что магнитострикционные и магнитоупругие явления не однозначны. Некоторые ферромагнитные тела имеют положительную магнитострикцию, т.е. увеличива­ют размеры в направлении магнитного поля, у некоторых же она отрицательная, т.е. тела уменьшают свои размеры в на­правлении магнитного поля. Величина магнитострикции и ее знак зависят от материала магнитной цепи, его термообработ­ки, температуры и напряженности магнитного поля.

Характер зависимости магнитострикции l=Dl/l от на­пряженности Н намагничивающего поля для различных ферромагнитных материалов показан на рис. 3.49. Магнитоупругий эффект тоже не однозначен. Для одного и того же материала под воздействием механического напряжения магнитная про­ницаемость в слабых полях может возрастать, в то время, как в сильных полях падать. Для иллюстрации на рис.3.50 приведены кривые изменения индукции В в функции механической нагрузки при различных значениях напряженности поля Н для проволоки из мягкой стали.

Рис. 3.49. Зависимости l от Н

Рис. 3.50. Зависимости В от Н

Магнитоупругие преобразователи могут работать как пере­менные индуктивные сопротивления, величина которых опре­деляется приложенным к сердечнику механическим усилием, и как трансформаторные преобразователи с переменной взаим­ной индуктивностью между обмотками.

На рис. 3.51 представлены разновидности магнитоупругих: преобразователей индуктивного и трансформаторного типа.

Рис. 3.51. Разновидности магнитоупругих преобразователей.

а и б – индуктивного типа; в и г – трансформаторного типа

Магнитная цепь магнитоупругих преобразователей выполняет­ся чаще всего из сплошного материала. Сердечник имеет ще­ли для размещения обмотки. В разъемных конструкциях гото­вую катушку надевают на сердечник. На рис.3.52.а изображен тензометрический магнитоупругий преобразователь индуктив­ного типа, в котором в качестве сердечника 1, катушки 2 ис­пользуется проволока из пермаллоя.

Рис. 3.52. Тензометрический магнитоупругий преобразователь индуктив­ного типа.

а) магнитоупругий преобразователь: 1 – катушка; 2 – сердечник; б) его магнитная цепь

На рис. 3.52.б изображена магнитная цепь преобразователя, выполненная из тонкого ли­ста пермаллоя, наклеиваемого на испытуемую деталь. У маг­нитоупругих преобразователей на переменном токе э.д.с. во вторичной обмотке будет являться функцией изменения взаим­ной индуктивности между катушками, обусловленной измене­нием магнитной проницаемости сердечника. Если первичную обмотку магнитоупругого преобразователя трансформаторно­го типа питать постоянным током, то он превращается в маг­нитоупругий преобразователь индукционного типа. В этом слу­чае при измерении быстро переменных процессов во вторич­ной обмотке будет индуктироваться э.д.с., мгновенное зна­чение которой равно:

, (3.46)

где w² – число витков вторичной обмотки; s – напряжение в материале сердечника;

с –коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала и

напряженности намагничива­ющего поля.

Чувствительность магнитоупругих преобразователей мож­но характеризовать подобно тензосопротивлениям коэффици­ентом тензочувствительности

, (3.47)

в тех случаях, когда магнитоупругие преобразователи исполь­зуются для измерения деформации Dl других деталей, т. е. ког­да естественной входной величиной является перемещение. Обычно вследствие массивности магнитной цепи магнитоупру­гие преобразователи в качестве естественной величины вос­принимают значение воздействующей на него силы. В этом случае относительной магнитоупругой чувствительностью ма­териала называют относительное изменение магнитной прони­цаемости Dm/m, вызываемое единицей механического напря­жения s, т.е.

и измеряемую в % на 1 Н/мм².

Теория ферромагнетизма дает теоретические соотношения, позволяющие обоснованно подойти к выбору материала магнитоупругого преобразователя.