- •В. Н. Седалищев Физические основы получения измерительной информации с использованием генераторных и параметрических первичных преобразователей Учебное пособие
- •Введение
- •Глава 1
- •1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •1.1 Понятие информации. Разновидности информации
- •1.2 Количественная оценка информации
- •1.3 Связь понятий энергии и информации Информационный подход к анализу физических процессов
- •1.4 Применение энерго-информационного подхода к анализу физических процессов
- •Аномалии физических и химических свойств воды
- •1.5 Связь теории информации с теорией измерений
- •Количественная оценка измерительной информации
- •Естественные пределы измерений
- •1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях
- •Разновидности шумов и причины их появления
- •1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса
- •1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования
- •Метрологические характеристики измерительных преобразователей
- •1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике
- •«Фундаментальное единство» природы. Метод электромеханических аналогий
- •Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3 Пьезоэффект и его применение в измерительной технике
- •2.3.1 Теоретические основы построения пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа
- •2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей
- •2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике
- •2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей
- •2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах
- •2.4.2 Термоэлектрические эффекты в проводниках и полупроводниках
- •2.4.3 Особенности практической реализации термоэлектрических эффектов в измерительных устройствах
- •2.5 Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительных устройствах
- •2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах
- •3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •3.1 Принципы построения и разновидности резистивных измерительных преобразователей
- •3. 2 Физические основы создания пьезорезистивных преобразователей контактного сопротивления
- •3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей
- •3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей
- •3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей
- •3.7 Физические основы работы проводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей
- •3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах
- •3.10.1 Свойства сверхпроводников
- •3.10.2 Квантово-механическая теория сверхпроводимости
- •Объяснение понятий экситона и поляритона
- •3.10.3 Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике
- •3.10.4 Эффект Мейснера и его практическое применение
- •3.10.5 Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике
- •4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •4.1 Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах
- •4.2 Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей
- •4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах
- •4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей
- •5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •5.1 Принцип работы магнитоиндукционных измерительных преобразователей генераторного типа
- •5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей
- •5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств
- •5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей
- •Эффект Виганда
- •5.5 Физические эффекты, связанные с модуляцией магнитных характеристик материалов
- •Пример реализации магнитострикционного эффекта в датчиках линейных перемещений
- •Принцип работы устройства
- •Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях
- •5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей
- •5.7 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов
- •6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей
- •Принципы работы емкостных измерительных преобразователей
- •Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок
- •6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ
- •6.2.1 Строение материалов
- •6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков
- •6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства
- •6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ
- •7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Глава 1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •Глава 2. Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Глава 3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •Глава 4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •Глава 5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •Глава 6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •Глава 7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Перечень физических эффектов
5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей
Магнитоупругий анизотропный эффект проявляет себя в ферромагнитных материалах. Если в материале полностью отсутствуют упругие напряжения и внешние магнитные поля, то вектора магнетонов ориентируются по осям кристаллической решетки (по кристаллографическим направлениям). Состояние равновесия нарушается, если появляется внешнее магнитное поле или механическое напряжение (σ). При этом устанавливается новое состояние равновесия самопроизвольной намагниченности.
, (5.26)
где:
Ен – объемная энергия внешнего магнитного поля (соответствует работе, затрачиваемой внешним магнитным полем, на поворот вектора намагниченности до совпадения с вектором внешнего магнитного поля);
Еσ – объемная энергия магнитоупругой анизотропии (соответствует работе, которую нужно затратить на поворот вектора намагниченности против упругих напряжений);
Ек – свободная энергия недеформированного кристалла (соответствует работе, которую нужно совершить, чтобы нарушить порядок в кристалле).
При слабых внешних полях магнитоупругий эффект выражен сильнее для изотропных материалов. При сильных токах намагничивания магнитоупругий анизотропный эффект проявляется слабее. При механическом воздействии в магнитоупругом элементе происходит смещение границ доменов, поворот их векторов намагниченности. Незначительные смещения обратимы, при этом устанавливается новое состояние со своим минимумом энергии.
Продифференцировав полную энергию по углу, получим сумму моментов сил по определенным направлениям относительно кристаллографических осей. В состоянии равновесия сумма всех моментов равно нулю:
(5.27)
Показателем нелинейности, способности к усилению измеряемого воздействия является коэффициент магнитоупругой тензочувствительности материала:
, (5.28)
где - относительная деформация магнитопровода.
Широко применяется в измерительных устройствах магнитоупругий анизотропный эффект, например, для создания чувствительных элементов конструктивно простых и надежных датчиков статических усилий.
Рис. 5.16 Принцип работы магнитоупругого анизотропного преобразователя усилий.
Принцип работы таких устройств основан на том, что под действием измеряемого усилия, приложенного к чувствительному элементу, выполненному в форме куба с двумя взаимно перпендикулярно расположенными входной и выходной обмотками, происходит вытеснение магнитного поля в направлении области с большей магнитной проницаемостью. Это приводит к тому, что в выходной обмотке датчика появляется напряжение, пропорциональное измеряемому усилию. При изменении направления усилия меняется фаза выходного напряжения. Эффект деформации поля вызывает незначительные изменения индуктивности, но приводит к значительному изменению потокосцепления двух обмоток.
Рис. 5.17 Функциональные зависимости магнитоупругого анизотропного преобразователя усилий.
Определяющую роль в механизме тензочувствительности таких датчиков играет управление в функции измеряемого воздействия взаимной ориентацией направлений магнитного поля и вектора механических напряжений в ферромагнетике.