2.2. Магнитные индукционные преобразователи (мип)

В основе работы МИП лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, наведенная в замкнутом контуре , пропорциональна измене­нию во времени сцепления этого контура с магнитным потоком:

.

В случае, когда охватывающий площадь контур сохраняет свой размер и не меняет положения относительно вектора , появляется т.н. трансформаторная ЭДС:

,

вызванная изменением индукции во времени, т.е. в переменных поля.

Если , то изменение магнитного потока во времени достигают поворотом контура вокруг оси, пер­пендикулярной вектору . Здесь возникает т.н. ЭДС движения:

.

МИП, использующие трансформаторную ЭДС , называют пассивными, их можно применять только в переменных магнитных полях. МИП, ис­пользующие ЭДС движения , называют активными, их можно использовать для измерения постоянных магнитных полей.

Пассивные МИП в простейшем слу­чае представляют катушку, размеры которой достаточно малы, чтобы считать магнитное поле в ней однородным и находить индукцию простым делением магнитного потока на площадь сечения катушки. Как правило, это короткие однослой­ные катушки, намотанные тонким проводом, толщина намотки которых пренебрежимо мала по сравнению с диаметром катушки.

В случае, когда ось катушки состав­ляет с направлением вектора угол , имеем

,

где – площадь одного витка катушки; – число витков. По­воротом катушки легко определить направление индук­ции, соответствующее положению оси катушки, при кото­ром ЭДС максимальна.

При повороте катушки вокруг оси, перпендикулярной вектору характер изменения ЭДС определяется диаграммой направленности, рис. 16. В случае, когда между направлениями оси катушки и вектора имеется угол , ЭДС равна

.

Увеличением числа витков уве­личивают ЭДС, что удобно для последующих измерений. При этом размеры катушки должны быть меньше размеров области, где поле можно считать однородным.

При измерении в слабых полях может оказаться, что и большом числе витков ЭДС мала. Для ее увеличения внутри катушки помещают ферромагнитный сердечник, при этом магнитная индукция в сердечнике возрастает, но не в раз, а соответственно

,

где – магнитная проницае­мость тела; – коэффициент размагничивания, определяемый размерами сердечника. Для цилиндрического сердечника длиной и диаметром :

, где .

Выходной сигнал пассивного преобразователя с сердечником

.

Коэффициент преобразования такого МИП равен множителю перед производной , он зависит от , т.е. от размеров и формы сердечника.

Кроме однокатушечных пассивных преобразователей для оценки изменений магнитной индукции в пространстве применяют двухкатушечные дифференциальные МИП. При встречном включении катушек выходной сигнал такого пре­образователя равен

.

Несмотря на то, что используемые катушки одинаковые, напряженность поля в местах их размещения может быть различной.

Часто возникают за­дачи измерения параметров постоянных полей (при намагничивании и особенно при размагничивании деталей после НК). Для этих целей исполь­зуют активные индукционные преобразователи. Существует два основных типа активных индукционных преобразователей (рис. 17). В них ЭДС возникает за счет из­менения:

1. скалярного произведения , т.е. практически за счет изменения площади S;

2. за счет изменения магнитной проницаемости .

Примером первого типа является преобразователь с вращающейся катушкой, называемый измерительным генератором. На рис. 18 катушка вращается двигателем. Выходной сигнал снимается с колец и сколь­зящих контактов (К). При угловой частоте напряжение на скользящих контактах

.

Рис. 17. Основные типы индукционных преобразователей

Чувствительность МИП можно повысить, увеличивая часто­ту вращения. Если измеряется только модуль выходного напря­жения, то преобразователь является модульным, если измеряется и его фаза, то его можно использовать как компонентный.

Рис. 18. Схема измерительного генератора	Рис. 19. Измерительный генератор с трансформатором

Основной недостаток этого преобразователя – электрические шумы, возникающие в скользящих контактах. Его устраняют, используя для снятия выходного сигнала транс­форматор (рис. 19). Первичная обмотка трансформатора закреп­лена на валу индукционного преобразователя и вращается вместе с ним, вторая неподвижна. Такие МИП позволяют измерять в слабых полях ( 10^–4 Тл) с погрешностью  1%. Ме­шающим фактором являются поля рассеяния, создаваемые двигателем, который необходимо экранировать.

Во втором типе активных индукционных преобразователей ­меняется магнитное сопротивление за счет изменения положения ферромагнитного сердечника. Простейший преобразователь пока­зан на рис. 20 и представляет катушку с ферромагнитным сердечником, средняя часть которого подвижна и может вращать­ся вокруг поперечной оси. Здесь коэффициент размагни­чивания изменяется во времени, выход­ной сигнал изменяется дважды за один оборот сердечника. Измеряя на второй гармонике, удается отфильтровать наводки, со­здаваемые двигателем на основной ча­стоте. Формой сердечника можно повысить частоту сигнала, рис. 21.

Рис. 20. Преобразова­тель с ферромагнитным сердечником	Рис. 21. Повышение частоты сигнала изменением фор­мы сердечника