5. Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом 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 магнитопровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопротивление сердечника , гдеl и s — длина и площадь сечения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F, то магнитная проницаемость 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. 15, а), трансформаторных (рис. 15, б), дифференциально-трансформаторных (рис. 15, в).

Рис. 15. Схемы магнитоупругих датчиков

Рис. 16. Зависимость относительной магнитной проницаемости от механического напряжения

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 или нормального механического напряжения σ в зоне линейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пермаллоевых (железокобальтовых и железоникелевых) сплавах. На рис. 16 показана зависимость относительной магнитной проницаемостиот изменения механического напряжения σ. Относительная деформацияв зоне упругих деформаций связана с механическим напряжением σ через модуль упругостиЕ:

Чувствительность магнитоупругого датчика определяется по формуле

она может достигать значений 200—300. Зависимость индуктивности от механического напряжения σ для магнитоупругого датчика по рис. 15, а показана на рис. 17.

В магнитоупругих датчиках, используемых в тензометрах, магнитопровод имеет отверстия, в которые наматываются обмотки. На рис. 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 F в основном изменяется магнитная проницаемость в направлении сжатия, что вызывает поворот вектора магнитной индукции на угол α и одновременно изменение магнитного потока Ф_F. Этот поток уже пересекает плоскость вторичной обмотки, на выходе которой появляется ЭДС E₂.

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

Рис. 17. Зависимость индуктивности магнитоупругого датчика от силы сжатия

Рис. 18. Тензометрический магнитоупругий датчик с взаимно перпендикулярными обмотками

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 — магнитострикцонный 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.