- •1 Часть. Электромагнитные преобразователи информации Лекция №1.Определения магнитных величин. Эталоны. Параметры магнитного поля
- •Лекция № 2. Классификация электромагнитных измерительных преобразователей Преобразование параметров магнитного поля в электрический сигнал
- •Лекция №3. Индукционные измерительные преобразователи
- •5 Уравнение:
- •Лекция №4. Индукционные измерительные преобразователи (продолжение)
- •Лекция №5. Магнитомодуляционные измерительные преобразователи
- •Лекция №6. Феррозонд на основе магнитного компаратора
- •Лекция №7. Макроквантовые измерительные преобразователи
- •Лекция № 8. Вихретоковые индуктивные преобразователи
- •Лекция №9. Индуктивные измерительные преобразователи
- •Лекция №10. Трансформаторные измерительные преобразователи
- •Лекция №11. Магнитоупругие измерительные преобразователи
- •Лекция №12. Микроквантовые измерительные преобразователи на основе ядерно-магнитного резонанса
- •Лекция №13. Гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла
- •Лекция № 14. Магниторезистивные и гальваномагниторекомбинационные преобразователи
- •2 Часть. Лекции по фопи. Лекция 1. Резистивные преобразователи
- •Лекция 2. Тензодатчики
- •Лекция 3. Измерительные цепи тензорезисторов
- •Лекция 4. Пьезоэлектрические преобразователи
- •Лекция 5. Пьезоэлектрические преобразователи силы, давления и ускорения
- •Лекция 6. Пьезорезонансные преобразователи
- •Лекция 7. Измерительные преобразователи, Основанные на использовании Поверхностных акустических волн
- •Лекция 8. Электростатические преобразователи
- •Лекция 9. Емкостные преобразователи
- •Лекция 10. Измерительные цепи емкостных преобразователей
- •Лекция 1. Тепловые преобразователи
- •Лекция 2. Термоэлектрические преобразователи, их принцип действия и применяемые материалы
- •Лекция 3. Терморезисторы, основы их расчета и применяемые материалы
- •Лекция 4. Разновидности термочувствительных элементов и их применение
- •Лекция 5. Оптоэлектрические преобразователи
- •Лекция 6. Источники излучения. Каналы передачи световой энергии в оптических ип
- •Лекция 7. Приемники излучения
- •Лекция 8. Основные структурные схемы оптоэлектрических преобразователей и приборов
Лекция №11. Магнитоупругие измерительные преобразователи
Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений (магнитоупругий эффект), обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие). Изменение магнитной проницаемости Δμ/μ для различных материалов составляет 0,5—3% при изменении σ на 1 МПа.
Типы магнитоупругих преобразователей можно разбить на две основные группы. К первой группе относятся преобразователи, в которых используются изменения магнитной проницаемости чувствительного элемента в одном направлении; магнитный поток в них направлен в большей части магнитной цепи вдоль линии действия усилия. В преобразователях этой группы под действием измеряемой силы изменяется индуктивность обмотки (рис. 11.1, а) или индуктивность между обмотками (рис. 11., б). В первом случае реализуется цепь преобразований P→σ→μ→Zм→L→Z, во втором — Р →σ→μ → Zм → М → Е2.
Рис. 11.1
Ко второй группе относятся преобразователи, в которых используется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях или, иначе говоря, магнитная анизотропия материала чувствительного элемента. В этих преобразователях магнитный поток направлен под углом 45° к линии действия измеряемого усилия (рис. 11.1, в). В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки (рис. 11.1, г) располагаются симметрично и не сцепляются со вторичной обмоткой, в результате этого ЭДС вторичной обмотки равна нулю. После приложения усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитные силовые линии (рис. 11.1, д) «вытягиваются» в направлении большей проницаемости, «сокращаются» в направлении меньшей проницаемости и, сцепляясь со вторичной обмоткой, индуктируют в ней ЭДС, пропорциональную приложенному к преобразователю усилию. При изменении знака нагрузки изменяется и фаза выходной ЭДС. Из-за начальной магнитной анизотропии материала при отсутствии нагрузки уже существует некоторая ЭДС. Для ее уменьшения в датчиках из листового материала чередуют листы с взаимно перпендикулярными направлениями проката, кроме этого, специальным образом располагают отверстия, выбирая угол между обмотками; используют дополнительную обмотку или магнитный шунт.
Магнитоанизотропные свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел. Этот эффект, называемый эффектом Видемана, заключается в том, что при прохождении тока через стержень, на который воздействует крутящий момент, в стержне, кроме кругового магнитного потока, возникает продольный магнитный поток, наводящий в обмотке, намотанной на стержень (рис. 11.2, а), ЭДС, пропорциональную крутящему моменту. При скручивании ферромагнитного стержня, находящегося в продольном магнитном поле (рис. 11.2, б), в стержне появляется винтовая составляющая потока, которую можно считать результатом суперпозиции продольного и кругового потоков. Круговой поток наводит в контуре, образованном стержнем и подключенным к нему милливольтметром, ЭДС, пропорциональную подтоку и зависящую от крутящего момента. Приводятся следующие экспериментальные данные: при диаметре скручиваемой проволоки из стали марки «Э» 1,5 мм и длине активного участка 30 мм поле возбуждения частотой 1000 Гц и напряженностью Н = 500 А/м наводит ЭДС е = 20 мВ при крутящем моменте Мкр = = 10-2 Н•м.
Рис.11.2
Основы расчета магнитоупругих датчиков. Характеристики магнитоупругого датчика определяются в первую очередь магнитоупругой чувствительностью Sμ материала, из которого изготовлена магнитная цепь датчика. Величина Sμ = Δμ/μ /σ зависит от типа материала, характера его термической обработки, характера напряжений (растяжение или сжатие), режима работы магнитной цепи (режим заданной индукции В или режим заданной напряженности Н), значения индукции В. Информация о магнитоупругих свойствах ферромагнитных материалов пока весьма ограниченна. Кроме того, имеющиеся данные, приводимые разными исследователями, трудно сопоставимы, так как зависят от слишком многих факторов, не всегда оговариваемых авторами. Эти обстоятельства существенно затрудняют расчет.
Ориентировочные значения магнитоупругой чувствительности в процентах на мегапаскаль для некоторых сталей приведены ниже:
Таблица 11.1
Марка стали |
Растяжение |
Сжатие |
12Ю |
+2,5 |
-1,8 |
50Н |
+2,8 |
-2,8 |
Ст.3 |
+0,6 |
-1,1 |
Допустимые механические напряжения в рабочей части магнитной цепи определяются погрешностью линейности и гистерезиса. Максимальные напряжения не должны превышать 0,2—0,1 предела упругости данного материала. Таким образом, полное изменение магнитной проницаемости может составлять 20—40%. При слабом проявлении поверхностного эффекта относительное изменение магнитного сопротивления участка, подвергающегося деформации, ΔZM/ZM = Δμ/μ. При резко выраженном поверхностном эффекте магнитное сопротивление пропорционально √μ и вследствие этого относительное изменение магнитного сопротивления ΔZM/ZM=0,5 Δμ/μ. Если учесть, что в магнитопроводе преобразователей не все участки подвергаются деформации (см. рис. 11.1) и, следовательно, изменяют сопротивление, а также то, что полное сопротивление преобразователя определяется не только изменяющейся индуктивной составляющей, но и активным сопротивлением обмотки, относительное изменение сопротивления может составлять ΔZ/Z ≈0,5 Sμσ при отсутствии поверхностного эффекта и ΔZ/Z ≈0,25 Sμσ при резко выраженном поверхностном эффекте.
При выборе напряжения питания датчика руководствуются соображениями о допустимом нагреве, и обеспечении в магнитной цепи режима, соответствующего максимуму магнитоупругой чувствительности. Для большинства материалов максимуму Sμ соответствуют примерно те же диапазоны В и Н, что и максимуму μ. В магнитоанизотропных датчиках в рабочей части диагонального сечения рекомендуется выбирать индукцию В=1,5Тл.
В конструкции магнитной цепи датчика чрезвычайно нежелательны стыки отдельных частей, так как магнитное сопротивление стыков изменяется при механической нагрузке магнитной цепи и это изменение может внести существенную погрешность. Поэтому, несмотря на технологические трудности, магнитные цепи датчиков желательно выполнять так, как показано на рис. 11.1, а и б.
Погрешности магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругая погрешность выражает невоспроизводимость магнитного состояния сердечника преобразователя при нагрузке и разгрузке. По своему значению погрешность γμ обычно превышает остальные составляющие и равна 1—4%. Для получения возможно меньшей погрешности магнитная цепь датчика, работающая как упругий элемент, должна в первую очередь удовлетворять требованиям, предъявляемым к упругим элементам, т. е. элемент должен быть монолитным, выполнен из материала с высоким пределом упругости, рабочая часть элемента должна быть удалена от точек приложения силы. Так, для датчика с магнитной цепью, показанной на рис. 11.1, в, погрешность γμ при переходе от листового материала к сплошному уменьшается от 1,5—4 до 0,3%. Однако при этом значительно снижается чувствительность датчика, так как магнитная анизотропия сплошного материала меньше, чем листового. Хорошие результаты показал магнитоупругий датчик с комбинированным сердечником (рис. 11.3).
Рис.11.3
Существенной может оказаться также погрешность линейности, определяемая как преобразованием σ→μ так и дальнейшим преобразованием Δμ→ΔZM →ΔZ →Uук или Δμ→ΔZM→М → е. Выбором индукции В в материале преобразователя, созданием предварительно напряженного состояния его, а также взаимной коррекцией нелинейностей удается снизить суммарную погрешность линейности до 1—2%.
В процессе старения материала происходит изменение его магнитной проницаемости и внутренних напряжений в нем. Это приводит к нестабильности магнитоупругой чувствительности, составляющей после искусственного старения (термообработка, нагружение - примерно 104 циклов) не более 0,5% для преобразователей из сплошного материала и не более 2% для преобразователей из листового материала. При изменении напряжения питания меняется как начальное значение магнитной проницаемости, так и магнитоупругая чувствительность, поэтому стабилизация напряжения питания необходима для всех типов преобразователей. Уменьшение погрешности достигается также применением дифференциальных преобразователей. Однако при их конструировании встречается ряд трудностей, обусловленных необходимостью такой передачи измеряемой силы на преобразователи, чтобы один из них испытывал деформацию сжатия, а другой — растяжения.
На рис. 11.4 показана в качестве примера конструкция дифференциального трансформаторного датчика, в котором измеряемая сила через подпятник 1 сжимает наружный цилиндр 2 верхнего преобразователя. Усилие через цилиндр 2 передается на опору 3, и нижний цилиндр 4 остается ненагруженным. Внутренние части магнитопроводов 5 и 8 набраны из пакетов листовой стали, армированных цилиндрическими сердечниками 6 и 7 из сплошной стали. Внутренние части магнитопроводов короче внешних цилиндров 2 и 4, благодаря чему пакеты листовой стали не подвергаются деформации. На каждом из магнитопроводов размещаются по две обмотки: намагничивающая (w1 = 700 витков) и измерительная (w2 = 1000 витков). Как указывает П.Б.Гинзбург, погрешность нестабильности и погрешность гистерезиса датчика с цилиндрами 2 и 4, выполненными из стали 12Ю, не превышают 0,5% при нагрузках до 64 МПа, погрешность линейности не превышает 1% в диапазоне изменения σ от 6 до 25 МПа, выходное напряжение датчика Uвых =6,5 В при (Iw)1 = 28 А.
Весьма перспективной представляется конструкция дифференциального трансформаторного датчика, работающего на изгиб. Схематическое изображение датчика показано на рис. 11.5. Отверстия по нейтральной линии балки позволяют намотать измерительные обмотки так, чтобы они охватывали части магнитопровода, в которых магнитные проницаемости изменяются с разными знаками. При нагрузке балки через верхнюю часть магнитопровода, испытывающую растяжение, пойдет большая часть намагничивающего потока, создаваемого обмоткой W1, чем через нижнюю, испытывающую сжатие, и на выходе появится ЭДС е =е1-e2. Идентичность двух половин датчика в этой конструкции безусловно выше, чем в конструкции на рис. 11.4; поэтому можно предположить, что погрешность будет меньше.
Рис.11.4
Наименьшими погрешностями обладают магнитоанизотропные преобразователи, в которых используется как бы дифференциальный эффект и самого материала и, следовательно, обеспечивается наиболее полная идентичность внешних условий и собственных свойств.
Рис. 11.5
Область применения магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругие датчики применяются для измерения сил, давлений, крутящих моментов. Мощность, развиваемая датчиком, как правило, достаточна для непосредственного включения указателя без предварительного усиления. Датчик обладает высокой надежностью, так как не имеет подвижной части, перемещающейся под действием входной величины. Датчик представляет собой жесткий элемент, имеющий собственную частоту колебаний в диапазоне 1— 10 кГц и позволяющий измерять как статические, так и высокочастотные динамические величины. Механическое напряжение в материале датчика составляет 10—50 МПа. Учитывая, что рабочее сечение магнитопровода обычно не менее 25 мм2, можно оценить минимальный диапазон измерения датчика по силе значением 250 Н, по давлению — примерно 107 Па.