Магнитоупругие датчики
Магнитоупругие датчики (магнитоупругие преобразователи) — преобразователи механических усилий (изгиба, кручения, сжатия, растяжения), деформаций или давления в электрические величины — напряжение или ток. Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте. Основные понятияФерромагнитные материалы, используемые в магнитоупругих датчиках имеют разную зависимость магнитной проницаемости μ {displaystyle mu } от механического напряжения σ {displaystyle sigma } : так у пермаллоя с увеличением усилия растяжения магнитная проницаемость уменьшается, а у никеля — увеличивается. Это объясняется различной магнитострикцией: пермаллой имеет положительную магнитострикцию (удлиняется под воздействием магнитного поля), а никель — отрицательную магнитострикцию, а некоторые ферромагнетики (например железо) имеет знак магнитострикции в зависимости от направления магнитного потока по отношению к кристаллографическому направлению материала. Количественно чувствительность магнитоупругого датчика выражается коэффициентом чувствительности S m {displaystyle S_{m}} : S m = ± d μ μ ⋅ σ k {displaystyle S_{m}={frac {pm dmu }{mu cdot sigma _{k}}}} ,где d μ {displaystyle dmu } — приращение магнитной проницаемости μ {displaystyle mu } — абсолютная величина магнитной проницаемости σ k {displaystyle sigma _{k}} — механическое напряжение растяжения (сжатия). Разновидности магнитоупругих датчиковМагнитоупругие датчики разделяются:
Дроссельный магнитоупругий датчикПредставляет собой обмотку, надетую на собой сердечник из ферромагнитного материала броневого или стержневого типа. При внешнем механическом воздействии и возникновении в сердечнике механических напряжений происходит изменение магнитной проницаемости μ {displaystyle mu } , индуктивности обмотки L {displaystyle L} и индуктивного сопротивления j ω L {displaystyle jomega L} . При включении такого датчика последовательно в цепь между источником переменной ЭДС и нагрузкой и приложении механического воздействия на сердечник будет наблюдаться изменение тока I {displaystyle I} в цепи и как следствие — изменение напряжения U {displaystyle U} на нагрузке. Трансформаторный магнитоупругий датчикДанный датчик состоит из двух обмоток, намотанных на сердечник с необходимыми магнитоупругими свойствами и представляет собой трансформатор, при этом одна из обмоток (первичная) подключается к источнику переменной ЭДС, а другая (вторичная) — к нагрузке. Возникновение механических напряжений в сердечнике приводит к изменению магнитной проницаемости μ {displaystyle mu } и значит к изменению взаимной индуктивности M {displaystyle M} между обмотками и разному напряжению, индуцируемому во вторичной обмотке. Имеется и другая разновидность трансформаторного магнитоупругого датчика — шунтовой трансформаторный магнитоупругий датчик, в котором на одно стержне сердечника находится первичная обмотка, на другом — вторичная, средний стержень сердечника не имеет обмотки (шунтовой стержень) и поскольку путь для магнитного потока через шунтирующий стержень короче, а сечение шунтирующего стержня больше, тот магнитный поток Φ {displaystyle Phi } от первичной обмотки практически не попадает в стержень со вторичной обмоткой, но при приложения усилия на шунтовой стержень (с положительной магнитострикцией) его магнитная проницаемость уменьшается и поток начинает замыкаться через стержень со вторичной обмоткой, в которой появляется напряжение U {displaystyle U} . В дифференциально — трансформаторном магнитоупругом датчике первичная обмотка находится на среднем стержне, а на двух боковых стержнях — две вторичные с одинаковыми параметрами, при этом вторичные обмотки включаются встречно, поэтому на нагрузке (без приложения механического напряжения к датчику) суммарное напряжение равно нулю, при возникновении механического напряжения σ {displaystyle sigma } на одном из стержней баланс нарушается и на нагрузке появляется электрическое напряжение U {displaystyle U} . Для определения механических напряжений в нескольких плоскостях обмотки с сердечниками устанавливают в различных направлениях в магнитной системе. Магнитоанизотропные преобразователи (прессдукторы)В прессдукторах усилие прилагается к сердечнику в направлении 45° к осям первичной и вторичной обмоток (которые между собой расположены перпендикулярно). При такой конструкции в не нагруженном сердечнике поток Φ {displaystyle Phi } первичной обмотки не охватывает витки w {displaystyle w} вторичной и в последней не наводится ЭДС, при приложении усилия к сердечнику магнитный поток охватывает витки вторичной обмотки и на нагрузке появляется сигнал. Электродно-катушечные магнитоизоторопные преобразователиЭлектродно-катушечные магнитоизотропные преобразователи используются для определения скручивающих механических усилий. Для этого к ферромагнитному сердечнику подключаются электроды и при подаче тока к ним от внешней цепи создаются циркулирующие магнитные потоки, которые не пересекают вторичную обмотку, расположенную на сердечнике. При приложении скручивающих усилий во вторичной обмотке наводится ЭДС. Магнитоупругие датчики электрического сопротивления (безобмоточные)В таких датчиках измеряется падение напряжения на самом ферромагнитном сердечнике: на одни электроды, расположенные по краям подаётся от внешнего источника питания ток I {displaystyle I} , а из пары других, установленных ближе к середине снимается падение напряжения U {displaystyle U} , пропорциональное внешнему механическому усилию. Сельсинные магнитоупругие датчикиСельсинные датчики имеют две взаимноперпендикулярные обмотки возбуждения, одна из которых расположена на чувствительном элементе, к которому прикладывается усилие; управляющая обмотка также расположена в пазах на чувствительном элементе в виде диска. При воздействии усилия на чувствительный элемент возникает фазовый небаланс между обмотками и ротор датчика поворачивается. |
