Первичные изм. преобразователи. Часть 2

Рисунок 4.9.4. Варианты построения датчиков тока на основе

одноосевого АМР-датчика Honeywell: линейный датчик тока (а), датчик тока компенсационного типа (б)

Рисунок 4.9.5. Магнитное поле Земли и его составляющие

150

4.10. Магнитострикционные преобразователи

Прямой и обратный магнитострикционные эффекты [11] а) Прямой эффект. Если в постоянное магнитное поле поместить стержень из

какого-либо ферромагнитного материала (никель, железо и др.), то стержень деформируется по направлению силовых линий (рис. 4.10.1). Это явление называется прямым эффектом . Величина деформации зависит от напряженности магнитного поля Н.

На рис. 4.10.2 показан примерный ход кривой зависимости деформации

l

l от напряженности поля Н. По мере увеличения поля наступает эффект насыщения, при котором рост деформации с увеличением Н прекращается. Магнитное поле в стержне может быть создано током, протекающим по обмотке, наложенной на стержень. Если воспрепятствовать появлению деформации, закрепив, например, концы стержня, то в нем возникнет механическое напряжение, величина которого является функцией индукции В.

p = f (B) .

(4.10.1)

В переменном магнитном поле под влиянием магнитострикционного напряжения р стержень будет совершать продольные колебания.

Следует различать поляризованные и неполяризованные магнитострикционные системы.

Если в рассматриваемом стержне помимо постоянной индукции В0 создать еще и переменную индукцию В , пропуская, например,

по второй обмотке переменный ток (рис. 4.10.3), то получим поляризованную систему.

В классической теории магнитострикционного и пьезоэффекта принята обратная терминология: прямой эффект называется обратным, а обратный эффект - прямым.

151

Рис. 4.10.1 Магнитострикционный стержень в постоянном

магнитном поле

				l
Рис. 4.10. 2. График зависимости			деформации l от
	напряженности магнитного поля Н
Величина	магнитострикционного	напряжения		поляризованной
магнитострикционной системы определяется зависимостью
pm = σBm ,				(4.10.2)
Где: pm и Вm —	амплитудные значения усилия p		и переменной индукции
В ;

σ— магнитострикционная постоянная для заданного значения индукции В0.

Формула (9.10. 2) верна в случае, если Вm « В0.

Магнитострикционная постоянная α зависит от величины постоянного поляризующего поля. На рис. 4.10.4 дан график зависимости σ от Н для

152

никеля.

Максимальное значение s наблюдается при поле Н0 =

= 11,94×102 а/м (17 э): smax = 1,16×107 н/в×сек в системе СИ и smax = 1 • 104 в

системе СГСМ.

Величина магнитострикционного усилия неполяризованной магнитострикционной системы

p = aB2m ,

(4.10.3)

где α — магнитострикционная постоянная при отсутствии поляризующего поля (для никеля α = 4).

б) Обратный эффект. Обратный эффект состоит в изменении напряженности магнитного поля Нξ при линейной деформации ферромагнитного стержня.

	l
При малой деформации связь между Нξ и деформацией l	дают
соотношения
,	(4.10. 4)

где l — длина стержня.

Обратный магнитострикционный эффект используется в приемниках, а прямой эффект — в магнитострикционных излучателях.

Магнитострикционные материалы

Магнитострикционный эффект наиболее сильно проявляется в никеле, кобальте, железе и в некоторых их сплавах; до последнего времени использовался преимущественно никель.

153

Рис. 4.10. 3. Поляризованный магнитострикционный стержень

Рис. 4.10. 4. Кривая зависимости магнитострикционной

постоянной от напряженности поляризующего поля Н

В настоящее время наряду с никелем для изготовления гидроакустических магнитострикционных преобразователей применяются некоторые ферромагнитные материалы. Из них прежде всего следует назвать ферриты.

По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников. Плотность их колеблется в пределах 4×103-5×103кг/м3. Скорость звука в феррите в зависимости от его состава может меняться от

5,79×103 до 5,94×103 м/сек. Оптимальное поляризующее поле для отдельных ферритовых образцов приблизительно в два раза меньше, чем для никеля, и

154

составляет H0=6,36×102 а/м (8э).

Ферритовые преобразователи имеют высокий акустико-электрический КПД. Основной недостаток их – невысокая механическая прочность, препятствующая созданию мощных излучателей.

Магнитострикционный цилиндрический излучатель

Магнитострикционный цилиндрический излучатель набирается из тонких никелевых кольцевых пластин (рис. 9.10.5). В пластинах имеются отверстия, через которые пропускаются витки провода. Магнитные силовые линии проходят по окружностям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра. Под влиянием переменных магнитострикционных усилий, развивающихся в теле цилиндра, средняя длина окружности цилиндра периодически изменяется, что в свою очередь вызывает радиальные колебания цилиндра.

При резонансных радиальных колебаниях на длине средней окружности кольца радиусом Rср укладывается одна длина волны (рис. 4.10.6), т. е.

	2πRср	= λ	.		(4.10.5)
		Rср =		RH + RB
	где			2	- средний радиус кольца;

l - длина волны в материале цилиндра.

Частота резонансных радиальных колебаний кольца равна

	f0	=	c
			2πRср	,	(4.10.6)

где с – скорость звука в материале пакета, м/с.

155

Рис. 4.10.5. Магнитострикционный цилиндрический излучатель-

приемник

Рис. 4.10.6. Магнитострикционный цилиндрический

преобразователь (вид сверху)

Рис. 4.10.7. Магнитострикционный цилиндрический

преобразователь (разрез)

В случае поляризованного цилиндрического излучателя акустическая мощность на резонансной частоте определяется выражением

P =	1	×	(2π )2σ 2 B2mQ2η 2а / м
a	2		rS	,		(4.10.7)
				156

где σ - магнитострикционная постоянная, Гн/м; Bm – амплитуда переменной индукции, Тл;

Q = (RH - RB )h - площадь поперечного сечения цилиндра, м2; h – высота цилиндра, м.

В случае высоких частот rS = ρcS ( где S = 2πRH h ). Удельная мощность при резонансе равна

P		1		(2π )2σ	2 B2m Q 2
a	=		×						η 2	а / м
S		2		ρc
							S

	Q			Rh		1	R
Поскольку (см рис 4.10.3)			=		=		× R
	S			2πR h		2π
				H			H

(4.10.3) можно переписать в виде:

(4.10.8)

(где DR = RH - RB ), формулу

					σ	2			2
	Pa	=	1	×			B2m	DR	η 2а / м
					ρc
	S 2							R
								H	(4.10.9)

Магнитострикционный цилиндрический приемник

Чувствительность цилиндрического приемника, изображенного на рис. 4.10.5, определяется следующими формулами.

1. Чувствительность на резонансной частоте

Em

4πσμQNη

а

/ м

×10−2

ξ

=

Pm

Rсрρc

,

(4.10.10)

где: Q –

площадь поперечного сечения цилиндра;

N –

число витков;

Rср – радиус средней окружности цилиндра.

2. Чувствительность в области низких частот (ω«ω0)

Emξ

=

4πσμNSf ×10−2

Pm

EЮ

.

(4.10.11)

157

Вопросы для самоконтроля по главе 4

1.Объясните механизмы электромагнитного и индуктивного преобразования. Приведите выражения функций преобразования и чувствительности.

2.Приведите схему преобразователя с переменным воздушным зазором. Укажите функцию преобразования и чувствительность индуктивного датчика.

3.Какие Вам известны типы индуктивных датчиков с подвижным и неподвижным сердечником? Укажите области их применения.

4.Какие свойства положены в основу построения магнитоупругих датчиков? Объясните физическую сущность механизма магнитострикции. Приведите примеры магнитоупругих датчиков.

5.Укажите принципы конструирования вихретоковых датчиков. Приведите конструктивные схемы датчиков вихретоковых токов.

6.Какое явление используется при конструировании индукционных преобразователей? Приведите схемы индукционных датчиков с поступательным движением катушек и постоянных магнитов, уравнение для определения частоты собственных колебаний.

7.Приведите схему индукционного датчика с неподвижной катушкой и уравнение для расчета ЭДС, индуцируемой в катушке датчика.

8.Разъясните принципы устройства индукционных датчиков вращательного движения на принципе униполярной машины.

9.Разъясните принцип действия магнитных преобразователей перемещений с использованием сельсин-датчиков и сельсин-приемников.

10.Объясните физическую сущность эффекта Холла. Приведите зависимость между магнитной индукцией, током и напряженностью электрического поля.

11.Приведите примеры использования эффекта Холла в датчиках для измерения скорости и направления вращения оси.

12.Объясните физическую сущность, используемую при конструировании магнитоомических датчиков (висмутовый датчик) и датчика на основе пермаллоевой магниторезистивной пленки.

13.Объясните физическую сущность прямого и обратного магнитострикционных эффектов. Приведите уравнения, описывающие эти эффекты.

14.Разъясните принцип действия и метод расчета магнитострикционных преобразователей на основе цилиндрического стержня. Рассмотрите режимы излучения и приема.

158

ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

5.1. Электронные и ионные датчики

Действие этих датчиков основано на изменении характеристик электронных и ионных ламп при относительном перемещении их электродов.

Рассмотрим сначала электронные лампы с перемещающимися электродами или с механическим управлением. Такие электронные лампы часто называются электронно-механическими датчиками. Они бывают двух типов: датчики с продольным управлением и датчики с зондовым

управлением.

Указанные датчики характеризуются, кроме обычных характеристик вакуумной лампы, также чувствительностью к току и чувствительностью к напряжению.

Чувствительностью к току Si электронно-механического датчика называют отношение

	Si =	I a	,	(5.1.1)
		l

где ∆Ia — изменение анодного тока, соответствующее перемещению ∆l подвижного электрода при постоянном напряжении U, приложенном к электродам датчика.

Чувствительностью к напряжению SU электронно-механического датчика называют отношение

	SU =		U a	,	(5.1.2)
			l
где ∆Ua —	изменение		напряжения на		аноде, соответствующее

перемещению ∆l подвижного электрода при постоянном значении тока датчика.

На рис.5.1.1, а приведена схема двухэлектродного датчика с продольным управлением. Она снабжена неподвижным плоским катодом К с косвенным

159