Индуктивные преобразователи

Типы индуктивных преобразователей. На рис. 2-37, а изображен наиболее распространенный преобразователь с малым воздушным зазо­ром , который изменяется под действием измеряемой величины Р. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором со­ставляет 0,01–10 мм. В этих преобразователях могут быть использо­ваны ферритовые элементы 2 (рис. 2-37, б), выпускаемые промышлен­ностью; для изготовления подвижного сердечника 1 используется основание такого же элемента 2, стенки которого сошлифовываются. На рис. 2-37, в изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется для измерения значительных перемещений сердечника (10–100 мм).

Рис. 2-37

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1–5 В·А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувст­вительным указателем на выходе измерительной цепи и регистриро­вать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления. Лишь при малогаба­ритных преобразователях приходится прибегать к включению усилителя.

Измерительные цепи индуктивных преобразователей. Наиболее распространенной измерительной цепью является неравновесный из­мерительный мост, в два пле­ча которого включены две по­ловины дифференциального преобразователя. Как было показано выше, с измеряемой величиной линей­но связана проводимость пре­образователя. Поэтому опти­мальным является включение преобразователей параллельно источнику и пи­тание моста от источника на­пряжения. Уравновешивание моста в начальном положе­нии, т.е. при отсутствии входной величины (техноло­гически трудно получить точ­ное равенство сопротивлений двух половин преобразователя), произ­водится по двум составляющим – изменением сопротивления нера­бочего плеча Z₃ или Z₄ и изменением сопротивления r₀, включаемого в плечо, имеющее меньшее активное сопротивление. Если при  = 0 цепь была уравновешена, то при   0 через указатель потечет ток, равный I_ут=UY, где Y – приращение электрической проводимости преобразователя.

Ток I_ут сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Угол сдвига = 90°, если R_ук→0, и =0 при R_ук→; при согласо­вании сопротивления указателя с выходным сопротивлением моста = 45°. Это обстоятельство необходимо учитывать при наличии в из­мерительной цепи фазочувствительных устройств.

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 / для различ­ных материалов составляет 0,5–3% при изменении  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→→→Z_м→L→Z, во втором – P→→→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.