Глава 8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 8.1. Назначение, области применения, типы и требования

Одним из важнейших направлений развития науки и техники является автоматизация систем управления, производственных циклов получения материалов и изделий, а также процессов генерации, передачи, преобразования и использования энергии. Автоматизация предусматривает частичное или полное исключение участия человека в технологических процессах, что требует создания специального оборудования, обеспечивающего заданные параметры системы в зависимости от изменения контролируемой физической величины.

Для контроля значений физической величины используют датчик* – средство измерения**, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Кроме систем автоматизации датчики применяются в системах управления и слежения (передача информации о значении контролируемой величины), а также при различных измерениях (например, при измерении характеристик магнитного поля или магнитных свойств материалов) и в других подобных системах.

Работа любого датчика основана на использовании двух его функциональных частей – чувствительного элемента и преобразовательного элемента***. Первый находится под непосредственным воздействием измеряемой (контролируемой) физической величины, второй предназначен для одного из ряда ее последовательных преобразований.

Из всего многообразия датчиков выделим электронные датчики, выполняемые на основе компонентов электронной техники.

*В технической и научной литературе понятия «датчик», «преобразователь физической величины» и «чувствительный элемент» часто (в зависимости от контекста) отождествляют с понятием «сенсор».

**Средство измерения – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные (установленные) метрологические характеристики.

***Устройство, предназначенное для восприятия и преобразования физической величины в выходной сигнал, называется преобразователем физической величины (ПФВ), в отличие от датчика оно имеет точностные характеристики и не относится к средствам измерений.

275

По характеру формирования выходного сигнала электронные датчики можно разделить на параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

В параметрических датчиках изменение измеряемой (входной) физической величины вызывает соответствующее изменение како- го-либо параметра электрической цепи датчика (активного сопротивления, индуктивности и др.).

Генераторные датчики являются источниками электрической энергии, значение которой зависит от значения измеряемой (входной) величины.

Вне зависимости от типа датчиков можно установить следующие общие требования, которые к ним предъявляются:

–устойчивая и однозначная зависимость выходного сигнала от значения контролируемой физической величины во всем диапазоне

ееплавного или дискретного изменения;

–регистрация заданного отклонения значения физической величины от ее текущего значения;

–временная стабильность характеристик;

–отсутствие воздействия на контролируемую величину и другие физические величины, влияющие на параметры процесса, в которых они используются;

–сохранение работоспособности при изменении внешних воздействий (температуры, влажности, давления, уровня вибрации и др.);

–минимальные габаритные размеры и масса;

–технологичность и надежность крепления в рабочем положении. Датчики (в том числе – электронные) можно классифициро-

вать по различным признакам, например по виду измеряемой физической величины (датчики перемещения, давления, расхода и др.) или по принципу взаимодействия с ней (контактные и бесконтактные датчики) и т. п.

Сужение области описываемых устройств до электромагнитных датчиков, в которых используются магнитные свойства материалов (как магнитомягких, так и магнитотвердых), определяет целесообразность их разделения по принципу действия на следующие основные типы:

276

–датчики на основе магнитоупругого взаимодействия;

–индуктивные датчики;

–магниторезистивные датчики;

–индукционные датчики и др.

Выбор магнитных материалов, используемых при создании датчиков, основывается на требованиях, предъявляемых к датчикам, и назначении детали, изготовленной из магнитного материала.

Если в конструкцию датчика входят постоянные магниты, то для их изготовления обычно выбирают NdFeB или SmCo (последние применяются при необходимости обеспечения более высокой рабочей температуры и коррозионной стойкости). Магнитные материалы, выполняющие в чувствительных и преобразовательных элементах другие функции (например, функцию магнитопровода или функцию изменения сопротивления при воздействии магнитного поля), выбираются в соответствии с возможностью наилучшей реализации принципа действия датчика.

Электромагнитные датчики основаны на использовании отличающихся друг от друга явлений, которые в основном описаны в предыдущих главах. В связи с этим принципы их действия и применяемые магнитные материалы (кроме постоянных магнитов, см. гл. 3) целесообразно рассмотреть отдельно для каждого типа датчиков, перечисленных выше.

§ 8.2. Датчики на основе магнитоупругого взаимодействия

Магнитоупругое взаимодействие – взаимное влияние (взаимосвязь) между спиновой (магнитной) и решеточной (упругой) подсистемами кристалла. Расстояния между атомами или ионами в веществе влияют на силу взаимодействия между ними*. Намагничивание кристалла изменяет характер этого взаимодействия, что приводит к изменению расстояний между взаимодействующими атомами или ионами, а в макроскопическом образце – к его деформации. Деформация изменяет силу взаимодействия магнитных моментов атомов или ионов образца, а следовательно – его намагниченность, температуру Кюри, магнитную анизотропию и т. д.

* В терминах теории кристаллического поля это есть взаимодействие магнитных моментов с внутрикристаллическим полем.

277

Магнитоупругое взаимодействие приводит к тому, что в нем могут проявляться:

–продольная (поперечная) магнитострикция* – относительное изменение линейного размера образца из магнитного материала в направлении, параллельном (перпендикулярном) направлению намагничивания (характеризуется коэффициентом магнитострикции λ = ±Δl/l, где

l – изменение размера тела при магнитострикции, l – размер тела);

–объемная магнитострикция – относительное изменение объема образца из магнитного материала, которое проявляется самопроизвольно при температурном переходе из парамагнитного состояния в ферромагнитное, т. е. при переходе через точку Кюри.

При деформации тела (образца) внешним механическим воздействием могут проявляться два эффекта:

–магнитоупругий эффект (обратный магнитострикционный эффект, эффект Виллари) – изменение намагниченности магнитного материала, обладающего начальной намагниченностью, при воздействии на него упругих напряжений;

–эффект Видемана – закручивание ферромагнитного стержня, по которому течет электрический ток, при одновременном намагничивании его вдоль оси.

Магнитострикционным датчиком называют датчик, принцип работы которого основан на явлении линейной магнитострикции.

В области технического насыщения намагниченности магнитные материалы характеризуются константой магнитострикции при техническом насыщении (λS). Величина λS является основной характеристи-

кой магнитострикционных свойств материала.

Для магнитных материалов принято выделять продольную магнитострикцию (т. е. магнитострикцию в направлении намагничивания) и поперечную магнитострикцию (т. е. магнитострикцию в направлении, перпендикулярном направлению намагничивания). Коэффициент магнитострикции может принимать значения положительные (увеличение линейного размера) или отрицательные (умень-

* Продольная и поперечная магнитострикции – частные случаи линейной магнитострикции.

278

шение линейного размера). При этом для большинства материалов значение коэффициента продольной магнитострикции положительное, а коэффициента поперечной магнитострикции – отрицательное.

На рис. 8.1, а приведены зависимости коэффициента линейной магнитострикции от напряженности магнитного поля для некоторых ферромагнетиков, на которых можно выделить две основные области зависимостей l/l от Н:

– область технического намагничивания, соответствующего процессам смещения доменных границ и вращения вектора намагниченности (максимальное увеличение значения l/l при увеличении Н);

– область насыщения, в которой коэффициент продольной магнитострикции стремится к λS.

Рис. 8.1. Зависимость коэффициента продольной магнитострикции от напряженности магнитного поля: а – для некоторых ферромагнетиков;

б – диапазон изменения l/l при наличии и при отсутствии поля подмагничивания

Линейная магнитострикция является «четным» эффектом, т. е. значение и знак коэффициента линейной магнитострикции при изменении направления вектора напряженности магнитного поля на противоположное не изменяются (рис. 8.1, б). При изменении напряженности переменного магнитного поля от 0 до –Н1 и от 0 до +Н1 линейный размер тела увеличивается в обоих случаях. Если создать постоянное поле подмагничивания (например, напряженностью 2Н1), то при том же диапазоне изменения напряженности переменного магнитного поля на участке от 2Н1 до Н1 тело будет сжиматься, а на участке от 2Н1 до 3Н1 – растягиваться, т. е. магни-

279

тострикционный эффект становится «нечетным». Кроме того, частота изменений линейных размеров тела будет равна частоте переменного магнитного поля. Использование поля подмагничивания позволяет в том же интервале изменения внешнего поля получить значительно больший диапазон значений относительного удлинения магнитострикционного материала.

Для создания подмагничивающего поля используют постоянные магниты или обмотки. Напряженность поля подмагничивания выбирается с учетом ее соответствия наибольшему изменению l/l от Н (см. рис. 8.1, а).

Для создания устройств на основе явления магнитострикции в основном используются материалы, приведенные на рис. 8.1, которые называют магнитострикционными. Материалы на основе феррита никеля (NiFe2O4) применяются на частотах от десятков до сотен килогерц; для работы на частотах до сотен мегагерц используются монокристаллические феррит-гранаты на основе редкоземельных элементов.

Одно и то же устройство может выполнять функции как чувствительного, так и преобразовательного элемента, при этом прямой и обратный магнитострикционные эффекты могут использоваться попеременно.

Принцип действия такого устройства иллюстрирует рис. 8.2, а. Пластины магнитострикционного материала собираются в магнитопровод (аналогично магнитопроводам, рассмотренным в гл. 2), на стержнях которого устанавливают соединенные последовательно катушки, объединенные в обмотку. Протекание через обмотку переменного тока создает вокруг нее переменный магнитный поток, который изменяет намагниченность магнитопровода. Вследствие этого магнитопровод изменяет свой линейный размер в соответствии с колебаниями тока в обмотке. Если магнитопровод находится под действием постоянного подмагничивающего поля и частота тока совпадает с частотой собственных колебаний магнитопровода (условие резонанса), то амплитуда механических колебаний магнитопровода максимальна.

На рис. 8.2, б приведен пример такого устройства, объединяющего функции генератора и приемника ультразвуковых колебаний. Обмотка установлена на магнитопроводе из магнитострикционного материала, к которому припаян стальной волновод.

280

Частота собственных колебаний стержневого магнитопровода определяется по формуле

где l – длина стержня; Е и ρ – модуль упругости и плотность материала соответственно.

Рис. 8.2. Датчик, объединяющий функции генератора и приемника ультразвуковых колебаний: а – принцип работы; б – конструкция

Часть выражения (8.1) представляет собой скорость распространения механических колебаний в материале магнитопровода:

Рассмотренная конструкция применяется для создания устройств генерации упругих волн ультразвуковой частоты. В связи с наличием магнитоупругого эффекта они могут использоваться и для обратного преобразования механических колебаний среды в электрический сигнал, формирующийся на концах обмоток магнитопровода.

Подобные генераторы используются в различных устройствах: в ультразвуковых ваннах, гомогенизаторах*, в устройствах ультразвуковой резки, пайки и др.

Рассмотренный принцип применяется для создания магнитострикционных эхолотов – гидролокаторов, используемых для ис-

* Аппараты, применяемые для создания однородной (гомогенной) физически стабильной смеси, как правило, жидкостей (двух или более), не растворимых одна в другой, а также для измельчения содержащихся в продукте частиц до заданного уровня.

281

следования рельефа дна водоема. Формируемый эхолотом (он устанавливается на корпус корабля) пакет импульсов ультразвуковой частоты отражается от препятствий и принимается эхолотом. На основании разности времен генерации и приема пакета импульсов отображается глубина и рельеф дна.

Задача. Рассчитать частоту собственных колебаний стержневого излучателя длиной 100 мм на основе никеля, если известно, что скорость распространения механических колебаний v = 4900 м/с.

Решение. По (8.2) определим значение E = v = 4900 м/с. Частоту собственных колебаний рассчитаем по (8.1):

Ответ: частота собственных колебаний стержневого излучателя равна 24,5 кГц, т. е. лежит в ультразвуковом диапазоне.

Магнитоупругий эффект и магнитострикция применяются в датчиках линейных перемещений, принцип работы которых можно рассмотреть на примере одного из вариантов конструкции магнитострикционного уровнемера – устройства, предназначенного для измерения уровня заполнения емкости жидким или сыпучим веществом. На рис. 8.3 схематически показан уровнемер, в котором используется продольный магнитострикционный эффект.

Рис. 8.3. Иллюстрация принципа действия магнитострикционного уровнемера

Конструкция такого уровнемера содержит магнитострикционный волновод (проволока из углеродистой стали диаметром 6…8 мм) с обмоткой и поплавок, в котором установлены постоянные магниты, а также катушку возбуждения и систему контроля и управления. Подача импульса тока на катушку возбуждения формирует в магнитострикционном волноводе ультразвуковую упругую волну, распро-

282

страняющуюся вдоль волновода. Распространяясь по проволоке, упругая волна достигает поплавка, наличие в котором постоянных магнитов приводит к увеличению значения l/l и, соответственно, к резкому увеличению значения ЭДС в обмотке. Время достижения максимального значения ЭДС фиксируется системой контроля и управления, которая сравнивает его со временем подачи тока на катушку возбуждения. С учетом того, что скорость распространения упругой ультразвуковой волны в магнитострикционном материале известна, производится расчет положения поплавка на стержне. При практической работе уровнемер устанавливают внутри резервуара, при этом поплавок занимает на волноводе положение, соответствующее уровню жидкости.

Датчики, в которых используется магнитоупругий эффект, применяются в ультразвуковых дефектоскопах, измеряющих механические напряжения в деталях машин, фермах мостов, частях самолетов и т. д.

Контролировать уровень жидкости можно при помощи датчика на основе эффекта Видемана (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Уровнемер на основе эффекта Видемана

Принцип работы такого уровнемера основан на том, что по проводу передается импульс тока, создающий вокруг него магнитное поле. Постоянные магниты расположены одноименными полюсами навстречу, что позволяет создать в проводе продольную намагниченность, изменяющую свое направление в центре поплав-

283