Основы проектирования магнитоупругих измерительных преобразователей

Магнитоупругие преобразователи основаны на явлении изменения магнитной проницаемости m ферромагнитных тел в зависимости от возникающих в них механических напряжений s, обусловленных действием на ферромагниитные тела механических сил F (растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих). Изменение магнитной проницаемости сердечника с надетой на него катушкой вызывает изменение магнитного сопротивления R_M сердечника, что, в свою очередь, приводит к изменению полного сопротивления катушки. Таким образом, мы имеем следующую цепь преобразований:

F ® s ® m ® Rм ® Z

Существует и обратное явление: ферромагнитное тело, внесенное в магнитное поле, изменяет свои размеры – иначе говоря, внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного тела.

Явления, возникающие благодаря взаимной зависимости между механическими и магнитными состояниями ферромагнитных тел, получили общее название магнитострикционных явлений

Под магнитострикцией понимается относительное изменение длины l = Δl/l стержня, обусловленное действием магнитного поля.

Относительное изменение магнитной проницаемости связано с механическим напряжением s, вызванным силой F, соотношением:

(14)

где и– значения магнитострикции и магнитной индукции при насыщении соответственно.

Из этого выражения следует, что относительное изменение магнитной проницаемости пропорционально произведению ms; величина относительного изменения магнитной проницаемости увеличивается с увеличением значения магнитострикции при насыщении и с уменьшением индукции при насыщении.

Следовательно, для магнитоупругих преобразователей следует применять материалы, у которых сочетается большое значение магнитострикции с большим значением магнитной проницаемости и малой индукцией насыщения [2].

Такими материалами являются, прежде всего, железокремниевые сплавы – электротехнические стали. Они имеют достаточно высокую магнитоупругую чувствительность, большую механическую прочность, недороги. Магнитная проницаемость электротехнических сталей зависит от ориентации магнитного поля относительно направления прокатки. Следует отметить постоянство температурного коэффициента магнитной проницаемости.

Железокобальтовые сплавы характеризуются большой магнитострикцией. Особенно хорошими характеристиками обладают перминдюры (К5082; 50КФ; 50КФВИ).

Железоалюминиевые сплавы (Ю8; Ю10; Ю12; Ю14) характеризуются большой чувствительностью и высоким удельным сопротивлением.

Железоникелиевые сплавы, в которых никель является классическим магнитострикционным материалом. Существенной отличительной особенностью этих сплавов является малое электрическое сопротивление. В связи с этим сердечники из этих сплавов следует изготавливать шихтованными.

При работе в высокочастотных полях в качестве материалов сердечников могут использоваться ферриты. Характеристики намагничивания некоторых из перечисленных материалов приведены в [5].

Магнитоупругая чувствительность некоторых материалов приведена в таблице 2.

Таблица 2 – Магнитоупругая чувствительность некоторых ферромагнитных материалов

Материал	Sm,%/Мпа	Материал	Sm,%/Мпа
Сплав Ю12 Сплав К50Ф2 Сплав Э3А Сплав Н36 Сталь электротехническая марки Э	2,5 2 1,4 0,8 1,1	Ст.3 Сталь38ХМЮА Сталь 40Х	0,8 0,42 0,6

При проектировании магнитоупругих преобразователей сердечник обычно выполняется замкнутым. Наличие даже незначительного воздушного зазора может привести к тому, что даже небольшое его изменение окажет большее влияние на величину магнитного сопротивления, чем магнитоупругий эффект. Начальное значение напряженности магнитного поля, чаще всего, устанавливают соответствующим максимальной магнитной проницаемости (на середине линейного участка кривой намагничивания).

Магнитоупругие преобразователи могут иметь одну обмотку, индуктивность которой определяется значением магнитной проницаемости материала магнитопровода, или две обмотки, взаимная индуктивность которых определяется магнитной проницаемостью.

Расчет магнитоупругого преобразователя начинают с определения габаритных размеров сердечника, в частности, площади поперечного сечения стержней магнитопровода S_стS

(15)

где F_max – максимальное измеряемое усилие;

s_доп – допустимое механическое напряжение материала.

Форма преобразователя, работающего на сжатие должна обеспечивать наибольшую его устойчивость при нагрузках данного характера. Исходя из этого, торцевая опорная поверхность должна быть близка к квадрату a»b (рисунок 3)

Площадь всей опорной поверхности S будет равна

S = S_стS + S_окн (16)

где S_стS = S_ст·m (m-количество стержней);

S_окн – площадь окон в проекции на основание.