Преобразователи на основе эффекта Баркгаузена

Электромагнитный (ЭМ) преобразователь представляет собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, протекающими по контурам, так и внешним источником.

Одноконтурный ЭМ преобразователь характеризуется током i через контур, потокосцеплением Y= Li, противо-ЭДС е = – d Y /dt, энергией электромагнитного поля W _м=Y i /2= Li ²/2, индуктив­ностью L. Выходной величиной одноконтурного ЭМ преобразователя может быть: индуктивность L, электромагнитная сила F _эм и индуктируемая в контуре ЭДС е _инд.

Индуктивность

L = w ²(Re Z _м/ z ²_м),

где w – число витков контура; Re Z _м и z _м — действительная часть и модуль полного магнитнoгo сопротивления пути I _м по которому замыкается поток;

S _м – поперечное сечение потока; m – магнитная проницаемость среды, по которой замыкается поток.

Индуктивность преобразователя увеличивается, если в магнитное поле контура вводится ферромагнитный материал[1].

ЭМ преобразователь с ферромагнитным сердечником показан на рис. 2-30, а, изменение его индуктивности происходит при изменении положения сердечника. Таким образом, входной величиной преобразователя является перемещение. Такой преобразователь называется индуктивным. Изменение индуктивности происходит также при изменении магнитной проницаемости сердечника. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от значения напряженности магнитного поля в материале. Соответственно индук­тивность L зависит от тока, текущего через преобразователь и соз­дающего собственное магнитное поле, и от параметров внешнего маг­нитного поля. Преобразователи, принцип действия которых основан на использовании зависимости L=f (В), называются магнитомодуляционными. При деформации ферромагнетиков также изменяется их магнитная проницаемость. Этот эффект, называемый магнитоупругим, используется в преобразователях для измерения сил и давле­ний. Принцип действия магнитоупругого преобразователя показан на рис. 2-30, б.

Электромагнитная сила действует на контур с током, находящийся во внешнем магнитном поле, стремясь сместить или развернуть его так, чтобы суммарная индукция магнитного поля была максимальной. Эта сила пропорцио-нальна току i и индукции В. Если ток через контур поддерживать постоян-ным i = const, то по зна­чению электромагнитной силы можно определить индукцию магнит­ного поля В.

Такие преобразователи иногда применяются для измерения магнитной индукции. Если, используя постоянный магнит, создать маг­нитное поле с постоянной индукцией В = const, то преобразова­тель может быть применен для преобразования тока в силу и изме­рения тока (рис. 2-30, в). Такие преобразователи называются магнито­электрическими и широко используются в измерительных механизмах электромеханических приборов.

Ферромагнитный сердечник втягивается в контур с током так, чтобы индуктивность контура была максимальной (рис. 2-30, г). В этом случае электромагнитная сила пропорциональна квадрату тока. Подобные преобразователи используются в электромагнитных изме­рительных механизмах электромехани-ческих приборов.

Индуктированная ЭДС e _инд возникает в контуре, находящемся во внешнем магнитном поле, при изменении потокосцепления. Для преобразователя, взаимосвязь которого с внешним магнитным полем характеризуется некоторым обобщенным параметром k при однород­ном внешнем магнитном поле с индукцией В, потокосцепление Y= kB и индуктируемая в контуре ЭДС е _инд= – d Y /dt = – (k ¶ B/dt + В ¶ k/ ¶ t). При неподвижном контуре (¶ k/ ¶ t= 0) ЭДС будет индуктироваться только в переменном магнитном поле.

Для контура без сердечника при

В = В_m sinw t ЭДС

e = wS w В _mcosw t,

где w – число витков; S – площадь контура.

Преобразователь, представляющий собой неподвижную катушку (рис. 2-30, д), может быть использован для измерения переменной магнитной индукции. В постоянном магнитном поле ЭДС индуктируется только в движущемся контуре, и для измерения индукции В контуру задают принудительное движение, например вращение с постоянной скоростью, как показано на рис. 2-30, е. Можно использовать преобразователь и для решения обратной задачи – определения по значению выходной ЭДС ско­рости при движении контура в поле с известной индукцией В_N. Преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС e _инд, называются индукционными.

ЭМ преобразователи строятся таким образом, чтобы выделить зависимость между входной величиной и одной из перечисленных входных величин, однако учитывать в большинстве преобразователей приходится проявление всех взаимосвязей. Так, на сердечник преобразователя (рис. 2-30, а) действует электромагнитная сила, которая может вызвать дополнительное перемещение сердечника, т.е. помеху, искажающую входную величину. На контур, в котором наводится ЭДС е _инд (рис. 2-30, д), если он замкнут на конечное сопротивление и по нему протекает ток, действует сила, стремящаяся определенным образом ориентироватьего относительно поля. Поворот контура под действием этой силы вызовет изменение индуктируемой ЭДС.

Эквивалентная схема одноконтурного ЭМ преобразователя. Преобразователь с контуром в виде обмотки, содержащей w витков, показан на рис. 2-31, а. Основной поток Ф₁ контура пронизывает всю обмотку и сцепляется со всеми витками. Однако некоторая часть потока Ф₂, называемая потоком рассеяния, замыкается, не прони­зывая ряд витков. Соответственно полная индуктивность контура имеет две составляющие: основную индуктивность L = w ²/ Z _м и индуктивность рассеяния L _рас= w/Z^' _м, где Z _м и Z^'_м – магнитные сопротивления основного потока и потока рассеяния. Если в обмотку преобразователя введем ферромагнитный сердечник, в котором кон­центрируется магнитный поток, то доля потоков рассеяния в общем потоке уменьшается и отношение L / L _рас увеличивается. Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на тороидальном сердечнике.

а)

Рис. 2-31

Однако при введении ферромагнетика появляются зависящие от частоты потери мощности на перемагничивание магнитопровода. Эти потери учитываются сопротивлением R _пог, включенным парал­лельно индуктивности L. Кроме того, в эквивалентной схеме должны быть учтены также межвитковые емкости; в области частот до 10³ – 10⁴ Гц они учитываются в виде сосредоточенной емкости.

Эквивалентная схема преобразователя, в которой учтены сопро­тивление обмотки постоянному току R ₀, основная индуктивность L,индуктивность рассеяния L _рас, емкость С и сопротивление потерь R _пот, приведена на рис. 2-31, б. В ней учтены также источники ЭДС е _инд и , которые характерны для ЭМ преобразователей. ЭДС е _инд индук­тируется в контуре, находящемся во внешнем магнитном поле. Эта ЭДС может быть информативной, как в индукционном преобразова­теле, но может являться и помехой. Для того чтобы уменьшить ту со­ставляющую е _инд, которая является помехой, преобразователи экра­нируются от внешнего магнитного поля, соединительные провода под­водятся таким образом, чтобы не образовывать дополнительных контуров (см. рис. 2-30, а). Преобразователи, находящиеся в магнит­ных полях, защищаются от механических помех (вибрации, акусти­ческих воздействий), вызывающих колебания частей преобразователя и наведение ЭДС.

Уменьшить составляющую помехи е^' _инд можно, применяя в пре­образователях симметричные магнитные цепи и симметричные обмотки. В качестве примера на рис. 2-31, в показана магнитная цепь в виде тороидального сердечника. При равномерной обмотке для каждого витка есть симметрично расположенный по отношению к магнитному потоку, пронизывающему тор, парный виток (например, витки б и в или а и г). ЭДС, наводимые в «парных» витках, компенсируют друг друга, и суммарная ЭДС е^' _инд при идеальной симметрииравнанулю[1].

В высокочувствительных ЭМ преобразователях с ферромагнитным сердечником иногда приходится считаться с напряжением шума, обусловленным в области средних частот главным образом эффектом Баркгаузена,т.е. импульсами ЭДС, вызываемыми скачкообраз­ными смещениями доменных границ при перемагничивании ферро­магнетика. Эффект Баркгаузена используется также при построе­нии ряда преобразователей. Известно, что ферромагнетики состоят из большого числа элементарных областей (доменов), объем которых для разных типов ферромагнетиков составляет 10^-3 — 10^-6 мм³. Векторы намагниченности доменов ориентированы таким образом, что при отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность образца в целом равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля элементарные области перемагничиваются. Переориентация доменов может происходить скачками, при этом в витках обмотки ин­дуктируются импульсы

ЭДС е = – DФ/t,

где DФ – приращение маг­нитного потока, вызван­ное скачком Баркгаузена; t – длительность скачка.

Длительность скачков Баркгаузена составляет для разных ма­териалов 10^-3 – 10^-7 с.

ЭДС, вызываемая магнитным шумом, включается в эквивалентную схему ЭМ преобразователя (рис. 2-31, б). Однако, как правило, ЭДС оказывается значительно меньше других помех, в частности е _инд; поэтому с наличием приходится считаться только в высокочувствительных преобразователях магнитных величин (феррозонды), в магнитных и параметрических усилителях.

Двухконтурный ЭМ преобразователь схематично показан на рис. 2-32. Преобразователи, содержащие два или несколько контуров, называют трансформаторными, или взаимоиндуктивными. Если пропустить переменный ток через контур 1, то в контуре 2 будет индуктироваться ЭДС, зависящая от угла a между плоскостями контуров, максимальная при совпадении этих плоскостей (рис. 2-32, а).

По­ток, с которым сцепляется контур 2 при прохождении тока по кон­туру 1, равен

Y₂ = М ₁₂ i ₁,

где М ₁₂ = w ₁ w ₂ Re Z _м/ z ²_м – взаимоин­дуктивность контуров; w ₁ и w ₂ – числа витков контуров; Z _м – маг­нитное сопротивление пути, по которому замыкается поток между контурами.

Рис. 2-32

При пропускании токов i ₁ и i ₂ через оба контура между ними возникает механический электромагнитный момент М, стремящийся развернуть их так, чтобы магнитное поле было максимальным, т.е. чтобы плоскости контуров совпали (рис. 2-35, б). При этом если токи i ₁ и i ₂ переменные, то в образовании момента могут участвовать не только токи, создаваемые внешними источниками, но и токи i ₁₂ и i ₂₁, наводимые в каждом из контуров потоком соседнего контура. При чисто активном сопротивлении контура момент равен нулю, так как между наводящим потоком и наведенным током фазовый сдвиг составляет 90°. Если же кон­тур замкнуть на индуктивное или емкостное сопротивление, то развивае­мый момент будет максимальным и кон­тур будет стремиться развернуться так, как показано на рис. 2-32, в и г.