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 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 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 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 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 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 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 {displaystyle I} , а из пары других, установленных ближе к середине снимается падение напряжения U {displaystyle 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.