3.8 Магнитоупругие датчики
Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на эффекте магнитоупругости – физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости материала в зависимости от механических напряжений в нем.
Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров:
усилий;
давлений;
крутящих и изгибающих моментов;
механических напряжений и т.д.
Конструктивно магнитоупругие датчики представляют магнитопровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопротивление сердечника
,
где l и S – длина и площадь сечения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F, то магнитная проницаемость μ изменится. Следовательно, изменятся и магнитное сопротивление сердечника, и индуктивность обмотки на сердечнике.
Так же как и индуктивные датчики, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных (рисунок 11,а), трансформаторных (рисунок 11,б), дифференциально-трансформаторных (рисунок 11,в).
Рисунок 11
Зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет нелинейный характер. Связано это как с нелинейностью кривой намагничивания, так и с нелинейной зависимостью деформаций от усилия. Нелинейность магнитоупругого эффекта выражена очень сильно. Например, в слабых магнитных полях магнитная проницаемость под действием механических напряжений возрастает, а в сильных полях – уменьшается. Однако, при определенных значениях напряженности магнитного поля Н в сердечнике можно получить близкую к линейной зависимость изменения магнитной проницаемости Δμ сердечника от относительной деформации Δl/l или нормального механического напряжения σ в зоне линейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пермаллоевых (железокобальтовых и железоникелевых) сплавах.
Рисунок 12
На рисунке 12 показана зависимость относительной магнитной проницаемости Δμ/μ от изменения механического напряжения σ. Относительная деформация Δl/l в зоне упругих деформаций связана с механическим напряжением σ через модуль упругости Е:
.
Чувствительность магнитоупругого датчика определяется по формуле
;
она может достигать значений 200-300. Зависимость индуктивности от механического напряжения σ для магнитоупругого датчика по рисунку 11,а показана на рисунке 13.
Рисунок 13
К достоинствам магнитоупругих датчиков следует отнести высокую чувствительность и возможность измерения больших усилий (до нескольких тысяч тонн). В то же время магнитоупругие датчики имеют и следующие серьезные недостатки:
наличие температурной погрешности, вызванной влиянием температуры окружающей среды на магнитные свойства сердечника;
наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механического, связанного с остаточной деформацией);
наличие погрешности, вызванной колебаниями напряжения питания.
Следует отметить, что в магнитоупругих датчиках имеет место и еще одно физическое явление – магнитострикционный эффект. Его действие обратно магнитоупругому эффекту: ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, изменяет свои геометрические размеры, т.е. в нем появляются механические деформации.
В переменном магнитном поле и деформации будут переменными. А так как знак деформации не зависит от направления магнитного поля, то частота колебаний деформации будет в два раза выше частоты переменного тока. На этом принципе работают, например, магнитострикционные излучатели ультразвуковых колебаний.