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 понятия

Ферромагнитные материалы, используемые в магнитоупругих датчиках имеют разную зависимость магнитной проницаемости $\mu$ от механического напряжения $\sigma$: 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 $S_{m}$:

$S_{m}={\frac {\pm d\mu }{\mu \cdot \sigma _{k}}}$,

где $d\mu$ — приращение магнитной проницаемости $\mu$ — абсолютная величина магнитной проницаемости $\sigma _{k}$ — механическое напряжение растяжения (сжатия).

Разновидности магнитоупругих датчиков

Магнитоупругие датчики разделяются:

• по принципу действия:
  • реагирующие на механические напряжения изменением магнитной проницаемости в одном направлении (дроссельного и трансформаторного типа)
  • реагирующие на механические напряжения изменением магнитной проницаемости в двух взаимно перпендикулярных направлениях (магнитоанизатропные преобразователи, называемые иначе «прессдукторы»).
• по конструкции:
  • обмоточные
  • безобмоточные (электрического сопротивления)
  • сельсинного типа (c появлением вращающего момента)
• по виду воспринимаемых усилий:
  • линейные
  • линейные в нескольких плоскостях
  • вращательные

Дроссельный магнитоупругий датчик

Представляет 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 $\mu$, индуктивности обмотки $L$ и индуктивного сопротивления $j\omega L$. При включении такого датчика последовательно в цепь между источником переменной ЭДС и нагрузкой и приложении механического воздействия на сердечник будет наблюдаться изменение тока $I$ в цепи и как следствие — изменение напряжения $U$ на нагрузке.

Трансформаторный магнитоупругий датчик

Данный 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 $\mu$ и значит к изменению взаимной индуктивности $M$ 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 $\Phi$ 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 $U$.

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 $\sigma$ на одном из стержней баланс нарушается и на нагрузке появляется электрическое напряжение $U$.

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 $\Phi$ первичной обмотки не охватывает витки $w$ вторичной и в последней не наводится ЭДС, при приложении усилия к сердечнику магнитный поток охватывает витки вторичной обмотки и на нагрузке появляется сигнал.

Прессдуктор

Электродно-катушечные магнитоизоторопные преобразователи

Электродно-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 $I$, а из пары других, установленных ближе к середине снимается падение напряжения $U$, пропорциональное внешнему механическому усилию.

Сельсинные магнитоупругие датчики

Сельсинные 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.

Литература

• В. Б. Гинзбург. Магнитоуправляемые датчики. — Москва: Энергия, 1970.