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.

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

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

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

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

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

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 ${\displaystyle \mu }$ и значит к изменению взаимной индуктивности ${\displaystyle M}$ 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 ${\displaystyle \Phi }$ 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 ${\displaystyle U}$.

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

Для определения механических напряжений в нескольких плоскостях обмотки с сердечниками устанавливают в различных направлениях в магнитной системе.

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 ${\displaystyle \Phi }$ первичной обмотки не охватывает витки ${\displaystyle w}$ 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 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.

В таких датчиках измеряется падение напряжения на самом ферромагнитном сердечнике: на одни электроды, расположенные по краям подаётся от внешнего источника питания ток ${\displaystyle I}$, а из пары других, установленных ближе к середине снимается падение напряжения ${\displaystyle U}$, пропорциональное внешнему механическому усилию.

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.

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