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 , где l 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 проницаемости от изменения механического напряжения σ. Относительная деформация 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 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.

Индукционные датчики

Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индукционных датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.

Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается двумя способами: постоянными магнитами или катушкой, обтекаемой постоянным током.

На рис. 19, а показана схема датчика с обмоткой w₂, размещенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный поток Ф создается катушкой w₁, включенной на постоянное напряжение U₌. При перемещении катушки в магнитном поле в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения: , где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от числа витков и конструктивных параметров датчика.

Рис. 19. Схемы индукционных датчиков

На рис. 19, б показан датчик, в котором постоянный магнитный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками. ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения Ω:

В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.

Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструкции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магнитом (рис. 19, в). Надежность при этом повышается за счет отсутствия скользящего контакта.

Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с вырезами (рис. 19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. При вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость катушки.

В датчиках (рис. 19, б, в, г) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их действия по существу такой же, как у синхронных генераторов. Для измерения частоты вращения используются и специальные электрические машины малой мощности — тахогенераторы.

Тахогенератор постоянного тока (рис. 20, а)имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнитный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропорциональная частоте вращения п: , где k — постоянная, определяемая конструкцией.

Рис. 20. Тахогенераторы

Напомним, что частота вращения п обычно выражается в 1/мин (количество оборотов в минуту) и связана со скоростью вращения Ω выражением

или

С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.

Тахогенератор переменного тока (рис. 20, б)имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 эл. град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температурной стабильности в качестве материала полого ротора используется константан.

Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивления нагрузки.

Поиск по сайту: