Источник: Збірка студентських наукових праць факультету "Комп'ютерні інформаційні технології і автоматика" Донецького національного технічного університету. Випуск 3. - Донецьк: ДонНТУ,2005. - 366с.

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТИПА ДАТЧИКА ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ПАРАМЕТРОВ СИЛ

Преобразование измеряемого механического параметра в электрическую величину в МД осуществляется последовательно в три основных этапа .

На первом этапе происходит преобразование измеряемого параметра в механическое напряжение в материале чувствительного элемента датчика. Конструктивными элементами датчика, осуществляющими механическое преобразование, являются внешний механический преобразователь и чувствительный элемент.

На втором этапе происходит преобразование напряжения, возникающего в материале чувствительного элемента, в изменение его магнитных характеристик.

На третьем этапе изменения магнитных характеристик материала чувствительного элемента преобразуются с помощью электромагнитного преобразователя в изменение выходных электрических параметров датчика.

Конструктивные схемы и принцип работы МД

Анализ конструктивных схем известных МД позволяет выделить две основные группы МД.

В первую группу входят МД, в которых используется изменение степени магнитной анизотропии материала чувствительного элемента. К ним относятся магнитоанизотропные и сельсинные датчики трансформаторного типа.

Во вторую группу входят МД, в которых используется изменение магнитных характеристик материала чувствительного элемента в каком-либо одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях. К ним относятся МД электрического сопротивления, а также дроссельного, мостового, дифференциально трансформаторного и шунтового типов.

Принцип действия МД дроссельного типа (рис.1,а) основан на изменении полного электрического сопротивления катушки 1, питаемой переменным током и создающей магнитный поток в чувствительном элементе 3, к которому приложено измеряемое усилие.

В катушечном магнитоанизотропном датчике (рис. 1,б) суммарный вектор магнитного потока, сцепленного с катушкой возбуждения 1, направлен внутри чувствительного элемента 3 под углом 45° к векторам главных механических напряжений. Магнитная ось измерительной катушки 2 расположена перпендикулярно к оси катушки возбуждения, благодаря чему при отсутствии измеряемой нагрузки и полной магнитной изотропности материала чувствительного элемента потокосцепление с измерительной катушкой 2, а следовательно, и коэффициент взаимоиндукции равны нулю.

В МД электрического сопротивления (рис. 1,в) через электроды 1 к чувствительному элементу подводится переменный ток, а с помощью электродов 2 измеряется падение напряжения на участке чувствительного элемента 5, которое при неизменном токе пропорционально электрическому сопротивлению этого участка.

Под действием механических напряжений магнитная проницаемость материала чувствительного элемента, а следовательно, и его электрическое сопротивление переменному току изменяются, что приводит к изменению измеряемого падения напряжения.

В МД дифференциально-трансформаторного типа (рис. 1,г) магнитный поток, сцепленный с катушкой возбуждения 1, разветвляется на два потока, первый из которых пронизывает магнитопровод 3" с одним, а другой поток — магнитопровод 3' с отличным от него характером изменения магнитных характеристик под действием измеряемой нагрузки. Один из этих магнитопроводов условно назван чувствительным, а другой — компенсационным элементом.

Каждый из магнитных потоков сцеплен с соответствующей измерительной катушкой 2' и 2", соединенными между собой таким образом, чтобы наводимые в них напряжения вычитались. При отсутствии измеряемого усилия эти напряжения равны между собой. При действии измеряемого усилия коэффициенты взаимоиндукции катушки 1 с катушками 2' и 2" изменятся на различную величину, поэтому э. д. с., наводимые в этих катушках, станут неравными и появится выходное напряжение, являющееся функцией измеряемого усилия.

В МД шунтового типа (рис. 1,д) при отсутствии измеряемого усилия магнитный поток, созданный катушкой возбуждения 1, замыкается в основном через магнитопровод, не охваченный измерительной катушкой. Под действием измеряемого усилия магнитное сопротивление магнитопровода 3, изготовленного из материала с положительной магнитострикцией, в осевом направлении возрастает, и часть потока, определяемая величиной измеряемого усилия, ответвляется в шунтирующий магнитопровод, охваченный измерительной катушкой 2, с которой снимается выходное напряжение.

Принцип действия МД мостового типа (рис. 1,е) основан на измерении разности полных электрических сопротивлений катушек 1, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны. Под действием приложенного усилия Р к чувствительному элементу 3 его магнитные характеристики в направлениях, совпадающих с магнитными осями катушек, изменяются по-разному, что приводит к различному изменению полных электрических сопротивлений этих катушек. На аналогичном принципе может быть построен и датчик крутящего момента.

В электродно-катушечном анизотропном датчике (рис.1,ж) внутри чувствительного элемента 3 при пропускании через него переменного тока создаются циркулярные магнитные потоки, которые при полной магнитной изотропности материала не сцеплены с измерительной катушкой 2. При скручивании чувствительного элемента в этой катушке наводится э. д. с., являющаяся функцией измеряемого крутящего момента.

В электродно-катушечном анизотропном датчике (рис. 1,з) через электрод 1 подводится переменный электрический ток к чувствительному элементу 3; в последнем возникают магнитные потоки рассеяния, сцепленные с измерительными катушками 2. Катушки 2 соединены встречно, поэтому при полной магнитной изотропности материала индуктируемые в этих катушках э. д. с. равны между собой и выходное напряжение датчика равно нулю. Возникающая под действием механических напряжений магнитная анизотропия приводит к разбалансу схемы и к появлению выходного напряжения.

Рисунок 1. - Типы магнитоупругих датчиков.

Выбор типа и конструктивной схемы МД определяется требованиями, которым он должен отвечать.

К числу этих требований относятся:
1.Большая мощность выходного сигнала. С этой точки зрения целесообразным является применение МД контактного типа с чувствительным элементом из листового металла. Удельная мощность выходного сигнала МД дроссельного типа достигает 0,1—0,12 ва/см3, что объясняется эффективным использованием в этих датчиках материала чувствительного элемента.
2.Преобразование механических напряжений, возникающих в подвижных деталях. В этих случаях в целях повышения надежности обычно применяются бесконтактные МД, а чувствительный элемент изготавливается из сплошного материала.
3.Технологичность изготовления, а также малый разброс выходных характеристик при серийном изготовлении МД. Этим требованиям в большей степени отвечают МД с цилиндрическими чувствительными элементами.
4.Линейность преобразования. Поскольку, как будет показано ниже, магнитоупругое преобразование имеет принципиально нелинейный характер, то наиболее целесообразным является применение той схемы МД, которая обеспечит возможность линеаризации выходной характеристики. Лучшие результаты в этом отношении получены для бесконтактных МД трансформаторного и дифференциально- трансформаторного типов.

Литература
1.Гинзбург В.Б. Магнитоупругие датчики. – М.: Энергия, 1970. – 72с.
2.Воробьев С.А. Электрические измерения неэлектрических величин. – Свердловск:УПИ, 1975. – 231с.
3.Методы и средства измерения неэлектрических величин. Под ред. Петухова В.И. – Рязань, 1973. – 154с.
4.Гуманюк М.Н. Магнитоупругие силоизмерители. – К.: Техника, 1981. – 183с.

Статистика	Реклама