§ 6.5. Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоуп-ругом эффекте — физическом явлении, проявляющемся в виде из­менения магнитной проницаемости ферромагнитного 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. п.

Конструктивно Магнитоупругие датчики представляют магни-топровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопро­тивление сердечника ru = 1/(зц), где / и s — длина и площадь сече­ния сердечника. Если к сердечнику приложено механическое уси­лие F, то магнитная проницаемость ц изменится. Следовательно, изменятся и магнитное сопротивление сердечника, и индуктивность обмотки на сердечнике. Как видим, есть аналогия с индуктивными датчиками. В индуктивных датчиках также происходит изменение магнитного сопротивления, но за счет длины или сечения воздуш­ного зазора. В магнитоупругих датчиках зазор не нужен^ сердечники могут быть замкнутыми.

Так же как и индуктивные датчики, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных (рис. 6.15, а), транс­форматорных (рис. 6.15, 6), дифференциально-трансформаторных (рис. 6.15, в).

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 Дц, сердечника от относительной деформа­ции А/// или нормального механического напряжения о в зоне ли­нейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пермаллоевых (железокобальтовых и железоникелевых) сплавах. На рис. 6.16 показана зависимость относительной магнитной проница-едоости Дц/м от изменения механического напряжения о. Относите-

льная деформация Д/// в зоне упругих деформаций связана с меха­ническим напряжением а через модуль упругости Е:

Чувствительность магнитоупругого датчика определяется по формуле

она может достигать значений 200—300. Зависимость индуктивно­сти от механического напряжения а для магнитоупругого датчика по рис. 6.15, а показана на рис. 6.17.

В магнитоупругих датчиках, используемых в тензометрах, маг-нитопровод имеет отверстия, в которые наматываются обмотки. На рис. 6.18 показан магнитоупругий датчик с взаимно перпендикуляр­ными обмотками. Первичная обмотка, проходящая через отверстия 1 и 2, при отсутствии механической нагрузки (F= 0) создает магнит­ный поток Ф₀, не сцепленный с витками вторичной обмотки, про­ходящей через отверстия 3 и 4.

Под действием усилия Ръ основном изменяется магнитная про­ницаемость в направлении сжатия, что вызывает поворот вектора магнитноц индукции на угол а и одновременно изменение магнит­ного потока Фр. Этот поток уже пересекает плоскость вторичной обмотки, на выходе которой появляется ЭДС Е^.

Если до приложения усилия магнитный материал был изотро­пен (имел одинаковые магнитные свойства во всех направлениях), то при наличии усилия материал становится анизотропным. Угол поворота а вектора магнитной индукции достигает 10—12°.

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: 1) наличие температур­ной погрешности, вызванной влиянием температуры окружающей среды на магнитные" свойства сердечника; 2) наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механиче­ского, связанного с остаточной деформацией); 3) 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.