4.4 Магнитоупругие преобразователи

Принцип действия основан на изменении магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений (магнитоупругий эффект), обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие). В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки располагаются симметрично и не сцепляются с вторичной обмоткой, в результате этого ЭДС вторичной обмотки равна 0. После приложения усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитные силовые линии «вытягиваются» в направлении большей проницаемости, «сокращаются» в направлении меньшей проницаемости и сцепляются с вторичной обмоткой, индуктируют в ней ЭДС, пропорциональную приложенному к преобразователю усилию.

Существует и обратное явление, которое называется магнитострикция, когда внешнее магнитное поле вызывает механическую деформацию ферромагнитного тела. Бывает положительная и отрицательная магнитострикция, т. е. под действием магнитного поля некоторые тела увеличивают, а некоторые уменьшают свои размеры. Относительная чувствительность магнитоупругого материала характеризуется коэффициентом тензочувствительности.

Близким к магнитострикции является магнитоакустический эффект. Сущность этого эффекта состоит в том, что если через электропроводящее тело пропустить упругую (акустическую) волну и пронизывать его постоянным магнитным полем, то начинают меняться по амплитуде и фазе упругие колебания и фазовая скорость. При этом колеблющиеся частицы вещества (металла) возбуждают вихревые токи. Колебания частиц металла зависят от структуры, способов тепловой и механической обработки и интенсивности магнитного поля. Магнитоакустический эффект может быть использован для создания приборов неразрушающего контроля.

Применяются магнитоупругие преобразователи для измерения сил, давлений, крутящих моментов.

Магнитоупругие преобразователи делятся на две группы:

а) преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости чувствительного элемента в одном направлении; магнитный поток направлен вдоль линии действия усилителя;

б) преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях; магнитный поток направлен под углом 45⁰ [1] .

Преобразователи обеих групп могут работать как с переменной индуктивностью L, так и с переменным коэффициентом взаимоиндукции М. Магнитоупругие преобразователи отличаются большим разнообразием конструктивных форм и расположением обмоток, что обусловлено их широким применением при измерении деформаций и напряжений в машинах и сооружениях.

Отверстие по нейтральной линии балки (рис. 4.8) позволяет намотать измерительные обмотки так, чтобы они охватывали части магнитопровода, в которых магнитные проницаемости изменяются с разными знаками. При нагрузке балки через верхнюю часть магнитопровода, испытывающие растяжение, пойдет больше намагниченного потока, создаваемого обмоткой, чем через нижнюю, испытывающую сжатие, на выходе появится ЭДС е = - е₁ – е₂.

Рис. 4.8. Конструкция дифференциального трансформаторного

преобразователя, работающего на изгиб

Достоинства: не требуется установка усилителя, возможность измерения как статических, так и высокочастотных динамических величин, высокая надежность. Недостатки: невоспроизводимость магнитного состояния сердечника при нагрузке и разгрузке, старение, нелинейность, неоднозначная связь между деформациями и магнитной проницаемостью из–за гистерезиса, колебания температуры окружающей среды. Погрешность составляет 2 – 3 %.