2.3.3. Магнітопружні вп

Принцип дії магнітопружних перетворювачів оснований на зміні магнітної проникності  (або індукції В) феромагнітних тіл в залежності від механічних напруг , що обумовлені впливом на феромагнітні тіла механічних сил Р (розтягувальні, стискувальні, вигинання, скручування). Існує і зворотне явище – магнітострикція, коли зовнішнє магнітне поле викликає механічні деформації феромагнітного тіла. Під чисельним значенням магнітострикції розуміють відносну зміну l/l=_l довжина l стержня, що обумовлено впливом зовнішнього магнітного поля.

В загальному випадку магнітопружний ефект має нелінійний характер, що залежить від значення напруженості прикладеного поля Н. Але, вибираючи відповідні режими роботи, можна отримати лінійні ділянки залежності =f() або =f(Р). Одночасну зміну магнітної проникності і лінійних розмірів осердь, що відбувається під дією механічного навантаження, можна використовувати для вимірювання тиску, зусиль, моментів деформації. Відносну чутливість магнітопружного матеріалу можна характеризувати (подібно тензорезисторам) коефіцієнтом тензочутливості

На рис. 2.3.11, а наведено приблизний графік зміни відносної магнітної проникності _ в функції зміни механічної напруги  і відповідної йому відносної лінійної деформації l/l= _l. На початковій ділянці ( < 50 Н/мм²) коефіцієнт тензочутливості сягає значення К_Т =300, а в середньому для всієї кривої К_Т =220.

Рис. 2.3.11. Графік зміни відносної магнітної проникності _ – а;

Перетворювачі дросельового типу – б, в; трансформаторного типу – г, д

Відносною магнітопружною чутливістю матеріалу називають відношення відносної зміни магнітної проникності до механічної напруги К_S=(/)/. Для кривої на рис. 2.3.11, а ця величина складає 0,11 % на 1 Н/мм². Максимальне значення відносної чутливості для пермалою складає 0,94 % на 1 Н/мм² (при напруженості магнітного поля Н=0,2 А/мм, для трансформаторної сталі – 0,8% на 1 Н/мм² (при Н=0,2 А/мм). При цьому значення напруженості приблизно відповідає максимуму магнітної проникності. В дійсності значення К_S значно менше, оскільки Н вибирають, виходячи з лінійності статичної характеристики перетворювача.

При всій різноманітності конструктивних рішень магнітопружних перетворювачів за принципом дії їх можна розбити на дві групи: перетворювачі дросельового (рис. 2.3.11, б,в) і трансформаторного (рис. 2.3.11 г,д) типів.

В перетворювачах першого типу зміна магнітної проникності осердя призводить до зміни повного електричного опору Z дроселя. Для цього випадку чутливість перетворювача можна виразити у вигляді

К_S=( Z/Z)/.

Живлення перетворювача при вимірюванні статичних або таких, що повільно змінюються, навантажень здійснюється зазвичай від мережі змінного струму з частотою 50 Гц. Іноді, щоб підвищити чутливість, перетворювачі живлять струмом підвищеної частоти (до 10 гГц).

В магнітопружних перетворювачах трансформаторного типу в якості змінної величини, що є функцією прикладеної сили, використовується взаємна індуктивність, тому перетворювачі трансформаторного типу є по суті трансформаторами зі змінним коефіцієнтом трансформації. Чутливість трансформаторного перетворювача, якщо прийняти, що відносна зміна е.р.с. вторинної обмотки дорівнює відносній зміні проникності, можна виразити відношенням

К_S=(U/U)/.

Чутливість давачів подібного типу сягає декількох мілівольт на ньютон (мВ/Н).

Первинна обмотка перетворювачів живиться від джерела змінного струму, частоту якого вибирають із умов використання перетворювача: при вимірюванні статичних і повільно змінних процесів використовують виробничу частоту, при вимірюванні динамічних процесів частота струму живлення повинна бути в 5-10 раз вища частоти вимірюваного процесу.

Похибки магнітопружних перетворювачів виникають за рахунок конструктивних похибок, коливання напруги, температурної нестабільності, що досягає 2% на 10⁰ С. Похибка виникає за рахунок гістерезису і, як показали дослідження, досягає 4 % при статичних і 1 % при динамічних навантаженнях. Для того, щоб зменшити цю похибку, необхідно вибирати матеріал для виготовлення осердя з вузькою петлею гістерезису і високою межею пружності.

В процесі старіння матеріалу змінюється магнітна проникність і внутрішня напруга в ньому, що призводить до нестабільності чутливості. Штучне старіння (термообробка і багаторазове навантаження) дозволяють знизити цю нестабільність до 0,5 % для перетворювачів з суцільного матеріалу і до 2 % з листового. Для зменшення похибки використовуються диференціальні схеми включення однотактних давачів або диференціальні конструкції давачів.

Переваги магнітопружних давачів – проста конструкція, низька вартість, можливість вимірювання великих зусиль. До недоліків можна віднести необхідність стабілізації напруги живлення, високу температурну нестабільність, живлення від джерела змінного струму.