Лекция №11. Магнитоупругие измерительные преобразователи

Принцип действия магнитоупругих преобразователей основан на изменении магнитной проницаемости μ ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений (магнитоупругий эффект), обусловленных воздействием на ферромагнитные тела механических сил Р (растягивающие, сжимающие, изгибающие, скру­чивающие). Изменение магнитной проницаемости Δμ/μ для различ­ных материалов составляет 0,5—3% при изменении σ на 1 МПа.

Типы магнитоупругих преобразователей можно разбить на две основные группы. К первой группе относятся преобразователи, в ко­торых используются изменения магнитной проницаемости чувстви­тельного элемента в одном направлении; магнитный поток в них на­правлен в большей части магнитной цепи вдоль линии действия усилия. В преобразователях этой группы под действием измеряемой силы изменяется индуктивность обмотки (рис. 11.1, а) или индуктивность между обмотками (рис. 11., б). В первом случае реализуется цепь преобразований P→σ→μ→Z_м→L→Z, во втором — Р →σ→μ→ Z_м → М → Е ₂.

Рис. 11.1

Ко второй группе относятся преобразователи, в которых исполь­зуется изменение магнитной проницаемости одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях или, иначе говоря, магнит­ная анизотропия материала чувствительного элемента. В этих пре­образователях магнитный поток направлен под углом 45° к линии дей­ствия измеряемого усилия (рис. 11.1, в). В ненагруженном состоянии преобразователя силовые линии первичной обмотки (рис. 11.1, г) располагаются симметрично и не сцепляются со вторичной обмоткой, в результате этого ЭДС вторичной обмотки равна нулю. После при­ложения усилия вследствие изменения магнитной проницаемости материала магнитные силовые линии (рис. 11.1, д) «вытягиваются» в на­правлении большей проницаемости, «сокращаются» в направлении меньшей проницаемости и, сцепляясь со вторичной обмоткой, индук­тируют в ней ЭДС, пропорциональную приложенному к преобразова­телю усилию. При изменении знака нагрузки изменяется и фаза вы­ходной ЭДС. Из-за начальной магнитной анизотропии материала при отсутствии нагрузки уже существует некоторая ЭДС. Для ее умень­шения в датчиках из листового материала чередуют листы с взаимно перпендикулярными направлениями проката, кроме этого, специаль­ным образом располагают отверстия, выбирая угол между обмотками; используют дополнительную обмотку или магнитный шунт.

Магнитоанизотропные свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел. Этот эффект, называемый эффектом Видемана, заключается в том, что при прохождении тока через стержень, на ко­торый воздействует кру­тящий момент, в стерж­не, кроме кругового магнитного потока, воз­никает продольный маг­нитный поток, наводя­щий в обмотке, намотан­ной на стержень (рис. 11.2, а), ЭДС, пропор­циональную крутящему моменту. При скручи­вании ферромагнитного стержня, находящегося в продольном магнитном поле (рис. 11.2, б), в стержне появляется винтовая составляющая потока, которую можно считать результатом суперпозиции продольного и кругового потоков. Круговой поток наводит в контуре, образованном стержнем и под­ключенным к нему милливольтметром, ЭДС, пропорциональную по­дтоку и зависящую от крутящего момента. Приво­дятся следующие экспериментальные данные: при диаметре скручиваемой проволоки из стали марки «Э» 1,5 мм и длине активного уча­стка 30 мм поле возбуждения частотой 1000 Гц и напряженностью Н = 500 А/м наводит ЭДС е = 20 мВ при крутящем моменте М_кр = = 10^-2 Н•м.

Рис.11.2

Основы расчета магнитоупругих датчиков. Характеристики магнитоупругого датчика определяются в первую очередь магнитоупругой чувствительностью S_μ материала, из которого изготовлена магнит­ная цепь датчика. Величина S_μ = Δμ/μ /σ зависит от типа материала, характера его термической обработки, характера напряжений (растя­жение или сжатие), режима работы магнитной цепи (режим заданной индукции В или режим заданной напряженности Н), значения индук­ции В. Информация о магнитоупругих свойствах ферромагнитных материалов пока весьма ограниченна. Кроме того, имеющиеся данные, приводимые разными исследователями, трудно сопоставимы, так как зависят от слишком многих факторов, не всегда оговариваемых авто­рами. Эти обстоятельства существенно затрудняют расчет.

Ориентировочные значения магнитоупругой чувствительности в процентах на мегапаскаль для некоторых сталей приведены ниже:

Таблица 11.1

Допустимые механические напряжения в рабочей части магнитной цепи определяются погрешностью линейности и гистерезиса. Макси­мальные напряжения не должны превышать 0,2—0,1 предела упру­гости данного материала. Таким образом, полное изменение магнитной проницаемости может составлять 20—40%. При слабом проявлении поверхностного эффекта относительное изменение магнитного сопротивления участка, подвергающегося деформации, ΔZ_M/Z_M = Δμ/μ.При резко выраженном поверхностном эффекте магнитное сопротивление пропорционально √μ ивследствие этого относительное изменение магнитного сопротивления ΔZ_M/Z_M=0,5 Δμ/μ. Если учесть, что в магнитопроводе преобразова­телей не все участки подвергаются деформации (см. рис. 11.1) и, сле­довательно, изменяют сопротивление, а также то, что полное сопро­тивление преобразователя определяется не только изменяющейся индуктивной составляющей, но и активным сопротивлением обмотки, относительное изменение сопротивления может составлять ΔZ/Z ≈0,5 S_μσ при отсутствии поверхностного эффекта и ΔZ/Z ≈0,25 S_μσпри резко выраженном поверхностном эффекте.

При выборе напряжения питания датчика руководствуются сооб­ражениями о допустимом нагреве, иобеспечении в магнитной цепи режима, соответствующего макси­муму магнитоупругой чувствительности. Для большинства материалов максимуму S_μсоответствуют примерно те же диапазоны В и Н, что и максимуму μ. В магнитоанизотропных датчиках в рабочей части диагонального сечения рекомендуется выбирать индукцию В =1,5Тл.

В конструкции магнитной цепи датчика чрезвычайно нежелательны стыки отдельных частей, так как магнитное сопротивление стыков изменяется при механической нагрузке магнитной цепи и это изме­нение может внести существенную погрешность. Поэтому, несмотря на технологические трудности, магнитные цепи датчиков желательно выполнять так, как показано на рис. 11.1, а и б.

Погрешности магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругая погрешность выражает невоспроизводимость магнитного состояния сердечника преобразователя при нагрузке и разгрузке. По своему значению погрешность γ_μ обычно превышает остальные составляющие и равна 1—4%. Для получения возможно меньшей погрешности магнитная цепь датчика, работающая как упругий элемент, должна впервую очередь удовлетворять требованиям, предъявляемым к упру­гим элементам, т. е. элемент должен быть монолитным, выполнен из материала с высоким пределом упругости, рабочая часть элемента должна быть удалена от точек приложения силы. Так, для датчика с магнитной цепью, показанной на рис. 11.1, в, погрешность γ_μ при переходе от листового материала к сплошному уменьшается от 1,5—4 до 0,3%. Однако при этом значительно снижается чувствительность датчика, так как магнитная анизотропия сплошного материала меньше, чем листового. Хорошие результаты показал магнитоупругий датчик с комбинированным сердечником (рис. 11.3).

Рис.11.3

Существенной может оказаться также погрешность линейности, определяемая как преобразованием σ→μ так и дальнейшим пре­образованием Δμ→ΔZ_M →ΔZ →U_ук или Δμ→ΔZ_M→ М → е. Вы­бором индукции В в материале преоб­разователя, созданием предварительно напряженного состояния его, а также взаимной коррекцией нелинейностей удается снизить суммарную погрешность линейности до 1—2%.

В процессе старения материала про­исходит изменение его магнитной про­ницаемости и внутренних напряжений в нем. Это приводит к нестабильности магнитоупругой чувствительности, со­ставляющей после искусственного ста­рения (термообработка, нагружение - примерно 10⁴ циклов) не более 0,5% для преобразователей из сплошного материа­ла и не более 2% для преобразовате­лей из листового материала. При изменении напряжения питания меняется как начальное значение магнитной проницаемости, так имагнитоупругая чувствительность, поэтому стабилизация напряже­ния питания необходима для всех типов преобразователей. Умень­шение погрешности достигается также применением дифференциаль­ных преобразователей. Однако при их конструировании встречает­ся ряд трудностей, обусловленных необходимостью такой передачи измеряемой силы на преобразователи, чтобы один из них испыты­вал деформацию сжатия, а другой — растяжения.

На рис. 11.4 показана в качестве примера конструкция дифференциального трансформаторного датчика, в котором измеряемая сила через подпятник 1 сжимает наружный цилиндр 2 верхнего преобразо­вателя. Усилие через цилиндр 2 передается на опору 3, и нижний цилиндр 4 остается ненагруженным. Внутренние части магнитопроводов 5 и 8 набраны из пакетов листовой стали, армированных ци­линдрическими сердечниками 6 и 7 из сплошной стали. Внутренние части магнитопроводов короче внешних цилиндров 2 и 4, благодаря чему пакеты листовой стали не подвергаются деформации. На каждом из магнитопроводов размещаются по две обмотки: намагничивающая (w₁ = 700 витков) и измерительная (w₂ ⁼ 1000 витков). Как указывает П.Б.Гинзбург, погрешность нестабильности и погрешность гистерезиса датчика с цилиндрами 2 и 4, выполненными из стали 12Ю, не превышают 0,5% при нагрузках до 64 МПа, погрешность линей­ности не превышает 1% в диапазоне изменения σ от 6 до 25 МПа, выходное напряжение датчика U_вых =6,5 В при (Iw)₁ = 28 А.

Весьма перспективной представляется конструкция дифференциального трансформаторного датчика, работающего на изгиб. Схематическое изображение датчика показано на рис. 11.5. От­верстия по нейтральной линии балки позволяют намотать измерительные об­мотки так, чтобы они охватывали части магнитопровода, в которых магнитные проницаемости изменяются с разными знаками. При нагрузке балки через верхнюю часть магнитопровода, испы­тывающую растяжение, пойдет большая часть намагничивающего потока, создава­емого обмоткой W1, чем через нижнюю, испытывающую сжатие, и на выходе по­явится ЭДС е =е₁-e₂. Идентичность двух половин датчика в этой конструкции безусловно выше, чем в конструкции на рис. 11.4; поэтому можно предположить, что погрешность будет меньше.

Рис.11.4

Наименьшими погрешностями обладают магнитоанизотропные преобразователи, в которых используется как бы дифференциальный эффект и самого материала и, следовательно, обеспечивается наиболее полная идентичность внешних условий и собственных свойств.

Рис. 11.5

Область применения магнитоупругих преобразователей. Магнитоупругие дат­чики применяются для измерения сил, давлений, крутящих моментов. Мощ­ность, развиваемая датчиком, как пра­вило, достаточна для непосредственно­го включения указателя без предвари­тельного усиления. Датчик обладает вы­сокой надежностью, так как не имеет подвижной части, перемещающейся под действием входной величины. Датчик представляет собой жесткий элемент, имеющий собственную частоту колебаний в диапазоне 1— 10 кГц и позволяющий измерять как статические, так и высокоча­стотные динамические величины. Механическое напряжение в мате­риале датчика составляет 10—50 МПа. Учитывая, что рабочее сечение магнитопровода обычно не менее 25 мм², можно оценить минимальный диапазон измерения датчика по силе значением 250 Н, по давле­нию — примерно 10⁷ Па.