4.8.3. Магнитоупругие пип

Принцип магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте (см. п. 3.2).

Конструкции и основные характеристики магнитоупругих ПИП

Магнитоупругие датчики являются разновидностью индуктивных датчиков с замкнутым магнитопроводом. При наличии второй обмотки они могут работать как трансформаторные преобразователи

Различные варианты выполнения магнитоупругих ПИП показаны на рис. 4.38. При воздействии механической силы F в чувствительном элементе (сердечнике из ферромагнитного материала) 1 возникают механические напряжения , которые обусловливают изменение магнитной проницаемости  материала и магнитного сопротивление R_M преобразователя. При этом изменяется индуктивность L обмотки 2 (рис. 4.38а, б, г) или взаимная индуктивность М между обмотками 2 и 3 (рис. 4.38в).

а б в г

Рис. 4.38

В магнитоупругих преобразователях возможно использование изменения магнитной проницаемости в одном направлении (рис. 4.38а, б, в) и использование изменения магнитной проницаемости вследствие анизотропии магнитных свойств ферромагнитных тел при их деформации в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Обмотки преобразователя 2 и 3 (рис. 4.38г), основанного на анизотропии свойств, располагаются под углом 90⁰ друг к другу. В ненагруженном состоянии магнитные силовые линии первичной обмотки 2 не пересекают витки вторичной обмотки 3. При приложении усилия магнитные силовые линии первичной обмотки искажаются и пересекают витки обмотки 3, при этом в ней индуктируется ЭДС.

Сердечники преобразователей, работающих на сжатие (рис. 4.38а), обычно выполняются из сплошного материала. Сердечники преобразователей, набранные из листов, стабильнее работают на растяжение. На рис. 4.38б изображен магнитоупругий преобразователь тензометрического типа, предназначенный для измерения деформаций. Преобразователь представляет собой тонкий лист из магнитомягкого материала 1, например пермаллоя, со специальной выгнутой штамповкой, наклеиваемый на исследуемую деталь. Сердечник под действием деформации изменяет свое магнитное сопротивление, при этом изменяется индуктивность катушки 2. Для измерения сосредоточенного усилия используются сердечники торроидального типа (рис. 4.38в). На рис. 4.38г показан магнитоупругий датчик трансформаторного типа, который работает следующим образом. В ненагруженном состоянии магнитные силовые линии первичной обмотки располагаются симметрично и не пересекают витки вторичной обмотки. Под действием силы F вследствие магнитной анизотропии материала сердечника за счет изменения магнитной проницаемости магнитные силовые линии искажаются. При этом они пересекают витки вторичной обмотки 3 и индуктируют в ней напряжение.

Основной характеристикой магнитоупругого преобразователя является чувствительность, которая определяется магнитоупругой чувствительностью S_ материала преобразователя. Относительная магнитоупругая чувствительность материала представляет собой отношение относительного изменения магнитной проницаемости на единицу механического напряжения  (см. формулу (3.37)).

Достоинствами магнитоупругих ПИП являются: 1) большая выходная мощность, так как в них все тело чувствительного элемента, воспринимающего измеряемое усилие, является активным; 2) малый прогиб под действием нагрузки; 3) малое электрическое сопротивление.

Данные преобразователи применяются для измерения крутящих моментов, больших сил и давлений. Диапазон измерения силы достигает 10 МН, давления – до десятков мегапаскаль. Магнитоупругие ПИП позволяют измерять как статические, так и динамические величины.

Погрешности магнитоупругих ПИП

К погрешностям магнитоупругих ПИП относятся следующие.

1. Погрешность, обусловленная магнитоупругим гистерезисом, т. е. несовпадением функций преобразования при увеличении и уменьшении нагрузки ИП. При статических нагрузках гистерезис больше, чем при динамических. Эта погрешность обычно превышает остальные составляющие погрешности и может составлять единицы процентов. Уменьшение погрешности достигается путем тренировки преобразователя. Эта погрешность также уменьшается при выполнении чувствительного элемента монолитным из материала с высоким пределом упругости. Магнитоупругий гистерезис уменьшается с течением времени и увеличением напряженности магнитного поля. Погрешность из-за гистерезиса может быть уменьшена до десятых долей процента (до 0,3 %).

2. Погрешность линейности. Для уменьшения этой погрешности приложением дополнительной силы в материале создается предварительное напряженное состояние. Нелинейность характеристики преобразования уменьшается при соответствующем выборе материала чувствительного элемента преобразователя и последовательным включением в цепь преобразования корректирующего преобразователя. Погрешность линейности может быть уменьшена до 1–2 %.

3. Погрешность, обусловленная колебаниями напряжения питания. При изменении напряжения питания изменяется начальное значение магнитной проницаемости  и магнитоупругая чувствительность. Для уменьшения этой погрешности необходимо работать в полях, соответствующих максимальной магнитной проницаемости. Погрешность может быть уменьшена до 0,3–0,4 % на 1 % изменения напряжения питания.

4. Температурная погрешность. При изменении температуры изменяется сопротивление обмоток и магнитная проницаемость. Температурная погрешность составляет 0,5–1%. Для уменьшения погрешности используются дифференциальные и магнитоанизотропные ИП.

5. Погрешность, обусловленная старением материала магнитоупругого ИП. Старение приводит к изменению магнитной проницаемости и магнитоупругой чувствительности. Для уменьшения данной погрешности используют естественное или искусственное старение, а также применяют дифференциальные датчики. Погрешность старения можно уменьшить до 0,5 %.

Измерительные цепи магнитоупругих ПИП

В качестве измерительных цепей используются мостовые цепи. Для компенсации погрешностей в плечо моста, смежное с рабочим преобразователем, включается такой же преобразователь. Магнитоупругие ИП могут также включаться в цепь автоматического потенциометра переменного тока.