Применение магнитоупругих преобразователей

Магнитоупругие преобразователи используются:

• для измерения больших давлений (больше10 Н/мм², или 100 кг/см²), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях;

• измерения силы, так как эти преобразователи деформиру- ются под действием силы очень незначительно. Например, при l = 50 мм, ∆l<10 мкм они имеют высокую жесткость и собствен-

ную частоту до 20...50 кГц. В этом случае предел измерения при- бора определяется площадью магнитоупругого преобразователя. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобра- зователя не должны превышать 40 Н/мм. Рассмотрим принцип использования магнитоупругих преобразователей для измерения различных неэлектрических величин.

Измерение крутящего момента. В качестве примера исполь- зования магнитоупругих преобразователей на рис. 4.56 приведена конструкция датчика магнитоупругого торсиометра, применяе- мого для измерения крутящего момента на буровом инструменте. Магнитоупругим элементом является участок рабочего вала 2, выполненного из ферромагнитного материала. Этот участок вала охвачен кольцевым статором 1. Статор имеет внутренние ради- ально расположенные выступы (полюсы)4 из листовой транс- форматорной стали, на которые намотаны намагничивающие ка- тушки 6, питаемые переменным током.

~

1

2

3

4

5

6

Рис. 4.56. Устройство датчика магнитоупругого торсиометра:

1 – статор; 2 – рабочий вал; 3 – измерительные катушки; 4 – полюсы; 5 – сердечник; б – намагничивающие катушки

Катушки соединены последовательно так, чтобы полюса чере- довались. При отсутствии крутящего момента направление маг-

нитного потока между полюсами перпендикулярно образующей вала (линия2–2 на рис. 4.57).

0,4

0,5

2

0,6

2

^µ1^>µ

^µ2^>µ

1 I ^{1 I}

0,4

2

0,5

0,6

0,4

0,5

0,6 ²

Рис. 4.57. Картина поля между полюсами 1–1, 2–2 намагничивающих катушек

Измерительные катушки 3 преобразователя (см. рис. 4.56) имеют сердечник 5 П-образной формы из трансформаторной ста- ли. Их оси расположены вдоль образующей вала. Катушки со- единены последовательно. При отсутствии крутящего момента концы сердечника 5 расположены на одной и той же относитель- ной магнитной эквипотенциальной линии 0,5 и, следовательно, разности магнитного потенциала между ними нет.

При действии крутящего момента изменится магнитная прони- цаемость μ материала вала, причем в направлениях, в которых вал испытывает деформацию сжатия, μ будет уменьшаться, а в направ- лениях деформации растяжения –увеличиваться.

Вследствие возникшей магнитнойанизотропииизменится картина поля между полюсами намагничивающих катушек, т.е. полюса 2–2 сердечника измерительной катушки уже не будут находиться на одной эквипотенциальной линии, и через сердеч- ник пойдет часть магнитного потока. При изменении знака мо- мента картина поля изменится на обратную и на 180º изменится

фаза потока, а следовательно, и фаза выходного напряжения, ин- дуцированного в катушке.

Магнитоупругий динамометр. Этот прибор предназначен для измерения сосредоточенных сил. На рис. 4.58 представлена измерительная цепь магнитоупругого динамометра, где Z_x – со- противление рабочего преобразователя, a Z_N – сопротивление не- нагруженного (нерабочего) преобразователя. В исходном состоя- нии (Z_X = Z_N) измерительная цепь уравновешена и ток, протека- ющий через указатель, равен нулю. При Z_x ≠ Z_N через указатель протекает ток. Шкала указателя может быть проградуирована в единицах измеряемой силы.

^R TV

^ZN

Ук

^Zx

Рис. 4.58. Измерительная цепь магнитоупругого динамометра

Частота собственных колебаний преобразователя достигает нескольких десятков тысяч герц, что дает возможность при соот- ветствующем выборе частоты источника питания измерять дина- мические силы до частот порядка 10 кГц.