4.2.2. Магнитоупругие датчики

Магнитоупругие ДДВ (МДДВ) пред­на­значены для измерения динамических факторов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и энергии механических колебаний. МДДВ используются в тех же задачах, что и ПДДВ, и также включаются в генераторные и параметрические измерительные схемы.

Воснове работы МДДВ лежит явлениемагнитоупругости (обнаружено в 1865 году Э. Виллари), основанное на изменении намагниченности сер­дечника из ферро- и ферримагнетика при деформации. Обрат­ный по отношению к магнитоупругости эффект - магнитострикция, заключаю­щий­ся в изменении размеров и формы сердечника при намагничивании был открыт Дж. П. Джоулем в 1842 году.

Магнитоупругий эффект по своему проявлению во многом подобен пьезоэффекту (эти системы рас­смат­рива­ют­ся как дуальные цепи). В то же вре­мя, использование МДДВ позволяет получить существенно большую номинальную измерительную мощность (на несколько поряд­ков). В отличии от пьезоэлектрических ДДВ (типа кварца), обладающих линейными электрическими свойствами, магнитоупругие матери­алы ферромагнитны, т.е. являются нелиней­ными и по сво­им характеристикам сравнимыми с сегнетоэлектриками. Поэто­му, изменение электрических и магнитных свойств этих материалов при механическом воздействии наиболее просто описывается кривой гистерезиса (D и В - вектора поляризации и индукции, соответственно, рис. 4.18). Действие механических напряжений  в ферромагнетике деформирует его кривую намаг­ничен­нос­ти (за счет изменения магнитной про­ницаемости  и взаимной или остаточной индук­ции В_ост). Различают линейную и объемную магнитоупругость (рис. 4.19б, в). В первом случае, величина относите­льной линейной деформации составляет 10^-2... 10^-6, во втором - величина относительной объемной деформации V/V достигает 10^-5 (для инварных сплавов).

Вкачестве материала для упруго-чув­стви­тель­ных элементов МДДВ пригоден любой ферромагнитный материал, со значительной магнитострикцией насыщения. Чаще всего используются тран­сфор­маторные стали (железо-кремние­вые сплавы), отличающиеся низкой стои­мос­тью, но и невысокой чувствительностью, пермаллои (тер­мо­обрабо­тан­ные железо-нике­ле­вые спла­вы), наоборот, обладающие высокой чувствительностью, но и высокой стои­мос­тью; а также специальные магнитоупругие материалы. К ним относятся железо-алюминиевые сплавы, имею­щие такую же чувствительность, но в пять раз большее удельное сопротивление, чем пермаллой. (Это обеспечивает гораздо более глубокое проникновение магнитного поля, и лучшие характеристики датчика).

Рассмотрим сущность магнитоупругого эффекта. Ферромагнитные (в технических устрой­с­твах обы­чно поликристаллические) мате­ри­алы состоят из боль­шого числа доменов размером 0,1 ... 10 мкм, внутри кото­рых из-за обменных сил происходит упоря­дочение элементарных магнитов. Решающее влияние на магнитную характеристику оказывают направления векторов самопроизвольного намагничивания в отдельных доменах. При отсутствии упругих напряжений и внешних магнитных полей, эти векторы ориентируются параллельно или антипараллельно осям легкого намагничивания (рис. 4.19а). Такими осями, например, у железа являются ребра кубической ячейки кристаллической решетки, т.е. кристаллографические направления 100, у никеля - диагонали кубической ячейки - направления 111. Состояние равновесия домена нарушается, при возникновении внешнего магнитного поля H, внутренних или внешних напряжений . Однако, через некоторое время в материале будет достигнуто новое состояние равновесия самопроизвольной намагниченности. Это состояние характеризуется минимумом магнитная энергия в каждом элемен­те объема. Таким образом, магнитоупругий эффект удовлетворяет условию: E_H + E_ + E_m  min, где E_H, E_, E_m - энергия внешнего магнитного поля, механическая энергия деформации и энергия магнитоупругой анизотропии, соответственно.

Данное условие выполняется благодаря смещению границ доменов и повороту их векторов намагниченности: неблагоприятные с энергетиче­ской точки зре­ния зоны умень­шаются, а зоны, имеющие минимальную энергию, увеличиваются. (Незначи­тель­ные смещения границ доменов обратимы, а сравнительно большие - необратимы).

Основой МДДВ является совмещенный упруго-чувствительный элемент в виде катушки с сердечником (из никеля или пермаллоя).

По принципу преобразования различают МДДВ двух типов: генераторные и параметрические.

Генераторный МДДВ (рис.4.20) подобен ПДДВ с сегнетоэле­ктриком. Под действием измеряемого механического напряжения (например, сжатия d < 0) индукция B_ост, наведенная в сердечнике - постоянном магните, изменяется. Величина этого изменения dB_ост/d характеризует чувствительность материала и составляет  1,5 10^-9 (Вб м²)/(Н м²).

В свою очередь, вариации потока индукции наводят в выходной обмотке ЭДС, пропорциональную dB_ост/dt. Таким образом, функцию преобразования МДДВ можно представить приближенным выражением:

где u - измеряемое напряжение в разомкнутой цепи, K, K⁺ - коэффициенты, пропорциональные числу витков N катушки и ее сечению.

Генераторные МДДВ наиболее просты и миниатюрны, но работают только в динамическом режиме, поскольку измеряется параметр dF/dt (d/dt).

Наиболее распространенная схема параметрического МДДВ (рис.4.21) основана на измерении вариаций магнитной проницаемости  под действием механической нагрузки на сердечник. Параметрические МДДВ разделяются на две группы: дроссельные (изменяется индуктивность катушки) и трансформаторные (изменяется взаим­ная индук­тивность).

Во всех случаях справедливо выражение: / = R_/R_= L/L = S_м Следовательно, функцию преобразования параметриче­ского МДДВ будет равна:

/ = S_м 

Мерой магнитоупругого эффекта МДДВ является магнитоупругая чувствительность S_м равная:

S_м = /.

(S_м = 2 10^-9 м²/Н - для железоникелевых сплавов, _max = 8 10⁷ Н/м² - для пермаллоя).

Недостатком МДДВ является изотропия магнитных свой­ств, а также зависимость формы магнитного поля от величины нагрузки. Устранение этих недостатков требует увеличения размеров магнито­провода (что приводит к уменьшению кра­евых эффектов) и ограничения диапазона измеряемых параметров до 50% от номинальных значений. В этом случае, удается обеспечить 1% точность измерений.

Метрологические свойства МДДВ определяются тремя основными факторами: магнитоупругой чувствительностью материала сердечника S_м, уровнем допустимых механических напряжений и частотными характеристиками материала.

S_м определяется допустимым уровнем / и зависит от химического состава материала, характера термообработки, типа напряженного состояния (растяжение, сжатие, кручение). Максимальные значения / достигают 40%, при напряжениях 5 ... 8 кг/мм², что соответствует деформациям  2 10^-4 ... 4 10^-4 .

Характеристики некоторых моделей МДДВ приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Примеры промышленных МДДВ

Модель	Измеряемый параметр	Диапазон	Измерительный ход, мм	, %	Размеры, мм	m, кг
TD 3	Сила	104 ... 107 Н	0,02 ... 0,05	2	510310	3,2
TS-V	Скорость	0 ... 1,5 10 5об/мин		0,8

Примечание. Модель TS-V разработана фирмой Takatiho Seyky, Япония.

МДДВ нашли довольно широкое применение в специальных областях техники. На рис. 4.22 представлен пример использования МДДВ в качестве датчика момента в системе ДСД с пассивным отражением усилия [ ]. Системы этого типа при­­меняются в ди­ста­н­ци­онно-уп­рав­ля­­­е­мых ма­­нипуля­торах, когда на задающее ус­тройство необходи­­мо передать инфо­рмацию о силовом вза­имодействии испо­­лнительного меха­низма с объектом ра­бот. Это свойство обеспечивается с помощью обратного канала отражения усилия, который имитирует нагрузки, действующие на исполнительный механизм. В канал отражения усилия входит имитатор нагрузки (загружатель), бесконтактный датчик мо­мента (тордуктор) и усилитель. В данной схеме испо­льзуется пассивный загружатель, который ра­з­вивает момент то­лько при при­ло­же­нии нагру­­зки со сто­роны опе­­­ратора. Такая схема существе­нно упро­щает упра­в­ление ма­­­­­нипуля­то­ром и не тре­бует постоян­ного ко­нтроля его состо­яния. В качестве пассивного загружателя чаще всего применяются фрикционные электромагнитные муфты. При отсутствии сигнала управления с тордуктора (при М_н = 0) половинки муфты свободно скользят друг относительно друга, и оператор не ощущает нагрузки. Если же М_н  0 на тордуктор формирует сигнал на загружатель и возникающий в нем магнитный поток прижимает обе половинки муфты друг к другу. Момент на валу оператора М_оп является пассивным, т.е. он не может привести в движение вал оператора. Система ДСД с пассивным отражением усилия позволяет манипулировать тяжелыми объектами, в частности переносить радиоактивные контейнеры в реакторной зоне. Тордуктор с ди­а­пазоном измерения 250 ... 7500 Нм конструктивно выпол­нен в виде трансформатора, с одной первичной обмоткой и несколькими вторичными, образующими дифференциальную схе­му. На рис. 4.22 обозначено: I_оп и I_н - моменты инерции вращающихся частей кинематической передачи на валу оператора и нагрузки, М_сопр - момент сопротивления. В некоторых случаях, тордуктор устанавливается также и на задающей стороне.

Отметим основные достоинства МДДВ. В первую очередь, это большая выходная мощность, не требующая усилительных каскадов, высокая жесткость и надежность технических решений. Благодаря этому, МДДВ используются в экстремальных условиях (при высокой влаж­ности, давлении и т.д.). К недостаткам МДДВ относятся ограниченная полоса пропускания (всле­д­ствие токов Фуко) и невысокая точность.