Магнитострикционный метод

Магнитострикционный метод измерения неэлектрических величин основан на использовании явления магнитострикции — изменения формы и размеров тела при намагничивании. Это явление характеризуется взаимной связью между упругими и магнитными свойствами ферромагнитных материалов (кобальт, железо, никель и их сплавы). Так, например, если образец из ферромагнитного материала поместить в переменное магнитное поле, то он будет деформироваться соответственно изменению поля. Знак (удлинение или укорочение) и величина деформации зависят от материала и интенсивности намагничивания. Тот же образец из ферромагнитного материала изменяет степень намагничивания при приложении к нему переменных усилий. Первое явление (деформация в переменном магнитном поле) называется прямым магнитострикционным эффектом, а второе (изменение степени намагничивания при деформации) — обратным магнитострикционным эффектом.

В методах измерения неэлектрических величин чаще всего используется обратный магнитострикционный эффект. Так, если на ферромагнитный сердечник, степень намагничивания (или, что все равно, магнитная проницаемость) которого изменяется при деформации, надеть катушку, то коэффициент самоиндукции катушки будет изменяться в соответствии с изменением степени намагничивания сердечника при деформации. Таким образом, магнитострикционный преобразователь со стороны электрического выхода не отличается от индуктивного преобразователя. Различие этих преобразователей заключается только в механических входах. Если в индуктивном преобразователе механические силы используются для изменения магнитного сопротивления воздушного зазора, то в магнитострикционном преобразователе эти силы используются для изменения магнитного сопротивления ферромагнитного сердечника.

Разные материалы в различной степени обладают явлением магнитострикции. Это явление наиболее ярко выражается у никеля, сплавов никеля и железа, сплавов хрома, никеля и железа (например, нихрома), сплавов кобальта и железа и других; деформация таких материалов незначительна. Для никеля, у которого это явление выражено ярче всего, она составляет 0,04%. На рис.2.19 показана зависимость относительной деформации (относительного изменения длины) от напряженности магнитного поля для никеля и пермаллоя. Следует отметить, что в слабых магнитных полях деформация пропорциональна квадрату напряженности поля.

Принцип устройства магнитострикционного датчика показан на рис.2.20. Подлежащая измерению сила F деформирует магнитопровод 1 датчика, изменяя магнитную проницаемость. В соответствии с изменением магнитной проницаемости будет изменяться коэффициент самоиндукции катушки 2, а, следовательно, и ее полное комплексное сопротивление Z. Таким образом, измерение силы F сводится к измерению сопротивления Z катушки, что можно выполнить по одной из схем, приведенных в разд. 4 «Индуктивный метод».

Зависимость магнитострикции, т.е. относительного изменения длины ферромагнитного тела от интенсивности намагничивания J можно выразить следующей формулой, вытекающей из исследований Н. С. Акулова [28]:

, (2.19)

где — коэффициент магнитострикции;

— интенсивность намагничивания при насыщении.

Одной из основных характеристик магнитострикционного преобразователя является чувствительность или коэффициент электромеханической связи. Обозначим через чувствительность ферромагнитного тела к механическим силам, подразумевая под нею отношение относительного изменения магнитной проницаемости , к механическому напряжению , т.е.

. (2. 20)

Выразим эту величину через другие параметры. Прежде всего, заметим, что магнитострикция связана с изменением запаса магнитной энергии тела.

Приращение магнитной энергии, вызванное деформацией тела, будет

, (2.21)

где Н — напряженность поля;

В — магнитная индукция.

Поскольку это приращение магнитной энергии является следствием сообщения телу механической энергии, равной , то на основании закона сохранения энергии (полагая, что деформации подчиняются закону Гука) можно написать

. (2. 22)

Если воспользоваться соотношением (2.19), а также тем, что для ферромагнитных тел с малой коэрцитивной силой и большой начальной магнитной проницаемостью магнитная индукция

, (2.23)

то вместо формулы (2.22) получим

. (2. 24)

Дифференцируя это выражение по В и сделав элементарные преобразования, получим

. (2. 25)

Пользуясь тем, что

,

вместо формулы (2.25) получим

. (2. 26)

Отсюда следует, что чувствительность ферромагнитного тела к механическим напряжениям тем выше, чем больше произведение . При выборе ферромагнитного материала для магнитострикционного датчика следует исходить из требований максимума величины . Наибольшим значением этой величины обладает сплав типа пермаллоя с содержанием 65% никеля.