8. Магнитоупругие преобразователи

Магнитоупругие преобразователи являются разновидностью электромагнитных преобразователей. Они основаны на явлении изменения магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений, связанных с действием наферромагнитные тела механических сил Р (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручиваю- щих). Изменение магнитной проницаемости ферромагнитного

сердечника вызывает изменение магнитного сопротивления сер- дечника R_M. Изменение же R_м ведет к изменению индуктивности катушки L, находящейся на сердечнике. Таким образом, в магни- тоупругом преобразователе мы имеем следующую цепь преобра- зований:

P Rм L.

(4.13)

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки трансформаторного типа. Под действием силы Р вследствие из- менения магнитной проницаемости μ изменяется взаимная ин- дуктивность между обмотками и наводимая ЭДС вторичной об- мотки Е. Цепь преобразования в этом случае имеет вид

P Rм M E.

(4.14)

Эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных мате- риалов под влиянием механических деформаций называют маг- нитоупругим эффектом.

Существует и обратное явление: ферромагнитное тело, вне- сенное в магнитное поле, изменяет свои размеры (иначе говоря, внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела). Явления, возникающие вследствие вза- имной зависимости между механическими и магнитными состоя- ниями ферромагнитных тел, называются магнитострикционны- ми. Пол численным значением магнитострикции понимают отно- сительное изменение ∆l/l=λ длины l стержня, обусловленное воз- действием внешнего магнитного поля.

Опыт показывает, что магнитострикционные и магнитоупру- гие явления не однозначны. Некоторые ферромагнитные тела имеют положительную магнитострикцию, т. е. увеличивают раз- меры в направлении магнитного поля; у некоторых же она отри- цательная, т.е. тела уменьшают свои размеры в направлении маг- нитного поля. Величина магнитострикции и ее знак зависят от

материала магнитной цепи, его термообработки, температуры и напряженности магнитного поля.

Характер зависимости магнитострикции ∆l/l=λ от напряжен- ности Н намагничивающего поля для различных ферромагнит- ных материалов показан на рис. 4.53, а.

λ·10^-6 100

Сплав 54% Pl+46%Fe

Сплав 54% Pl+46%Fe ^B H=2,18

1,02

80

60

40

20

0

-20

-40

0,10

0,05

Co

H

Fe

Ni

0,84

0,66

0,49

0,31

0,21

0,13

б

0,06

a

^{20 40} 60 ⁸⁰

0 20 40 60 P

а б

Рис. 4.53. Зависимости λ=f(H) (а) и В =f(P) (б)

Магнитоупругий эффект тоже неоднозначен. Для одного и то- го же материала под действием механического напряжения маг- нитная проницаемость в слабыхполях может возрастать,в то время как в сильных полях она может падать. На рис. 4.53, б при- ведены кривые изменения индукции В в функции механической нагрузки Р при различных значениях напряженности поля Н для проволоки из мягкой стали.

Типы преобразователей. Магнитоупругие преобразователи могут работать как переменные индуктивные сопротивления, ве- личина которых определяется приложенным к сердечнику меха- ническим усилием, и как трансформаторные преобразователи с переменной взаимной индуктивностью между обмотками.

На рис. 4.54 представлены разновидности магнитоупругих преобразователей индуктивного (рис. 4.54, а, б) и трансформа- торного (рис. 4.54, в, г) типов.

^{P P P} P

w₁ ^w2

L=f(P) ^L=f(P) U₁

U₂=f(P)

U₁

w₂ w₁

а б в г

Рис. 4.54. Разновидности магнитоупругих преобразователей: индуктивного (а, б) и трансформаторного ( в, г) типов

Магнитная цепь магнитоупругих преобразователей выполня- ется чаще всего из сплошного материала. Сердечник имеет щели для размещения обмотки. В разъемных конструкциях готовую катушку надевают на сердечник. На рис. 4.55, а изображен тен- зометрический магнитоупругий преобразователь индуктивного типа, в котором в качестве катушки 1, сердечника 2 используется проволока из пермаллоя.

На рис. 4.55, б изображена магнитная цепь преобразователя, выполненная из тонкого листа пермаллоя, наклеиваемого на ис- пытуемую деталь.

У магнитоупругих преобразователей на переменном токе ЭДС во вторичной обмотке будет являться функцией изменения вза- имной индуктивности между катушками, обусловленной измене- нием магнитной проницаемости сердечника. Если первичную обмотку магнитоупругого преобразователя трансформаторного типа питать постоянным током, то он превращается в магнито- упругий преобразователь индукционного типа. В этом случае при измерении быстропеременных процессов во вторичной обмотке

будет индуцироваться ЭДС, мгновенное значение которой опре- деляется поформуле

dФ e w_{2 dt}

d

cw_{2 dt}

, (4.15)

где w₂ – число витков вторичной обмотки; с – коэффициент про- порциональности, зависящий от свойств материала и напряжен- ности намагничивающего поля; a – напряжение в материале сер- дечника.

1

2

а

б

_а б

Рис. 4.55. Тензометрический магнитоупругий преобразователь индуктивного типа (а) и его магнитная цепь (б):

1 – катушка; 2 – сердечник

Чувствительность магнитоупругих преобразователей можно характеризовать, подобно тензосопротивлениям, коэффициентом тензочувствительности

_{S }^{/ }_^

, (4.16)

^ l / l _l

в тех случаях, когда магнитоупругие преобразователи использу- ются для измерения деформации ∆l другихдеталей, т.е. когда естественной входной величиной является перемещение. Обычно вследствие массивности магнитной цепи магнитоупругие преоб- разователи в качестве естественной величины воспринимают значение действующей на него силы. В этом случае относитель- ной магнитоупругой чувствительностью материала называют от-

носительное изменение магнитной проницаемости ∆μ/μ, вызыва- емое единицей механического напряжения о, т.е.:

M

_{S }/ _.



Теория ферромагнетизма дает теоретические соотношения, позволяющие обоснованно подойти к выбору материала магни- тоупругого преобразователя.