Источник: Гинзбург В.Б. Магнитоупругие датчики. - Москва: Энергия,1970. - 72с
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МД
9. Нелинейность
Линеаризация статической характеристики МД может быть до¬стигнута либо путем линеаризации характеристик преобразования всех его звеньев, либо взаимной компенсацией нелинейностей, вносимых каждым звеном. Рассмотрим некоторые способы изменения нелинейности статических характеристик отдельных звеньев. Ограничение максимального значения внешнего усилия, воздействующего на чувствительный элемент. Этим способом можно добиться существенного уменьшения нелинейности характеристики магнитоупругого преобразования (см. рис. 11). Одновременно, как это следует из соотношений (10), (22) и (25), уменьшается нелинейность характеристики электромагнитного преобразования. Применение периферийного нагружения чувствительного элемента. Этот способ позволяет уменьшить максимальное значение напряжения в зоне, пронизываемой магнитным потоком, без увеличения площади поперечного сечения чувствительного элемента. Удаление зоны, чувствительного элемента, пронизываемой магнитным потоком, от места приложения измеряемой нагрузки к чувствительному элементу. Таким путем можно добиться уменьшения нелинейности характеристики механического преобразования (7), возникающей в результате действия сил трения в месте контакта чувствительного элемента с сопрягаемыми деталями датчика. Применение материалов с определенной магнитной текстурой. Абсолютная величина и знак нелинейности характеристики магнитоупругого преобразования зависят от степени текстурованности материала. В частности, для чувствительного элемента, работающего на сжатие, нелинейность этой характеристики минимальна при условной степени текстурованности материала соsEн=0,8-085 (см. рис. 11). Изменение магнитной индукции в чувствительном элементе. Под действием магнитного поля происходит как бы «закрепление» век¬торов 3, областей самопроизвольного намагничивания доменов в на¬правлении действия этого поля. Поэтому в первом приближении можно считать, что изменение нелинейности характеристики магнито-упругого преобразования при увеличении магнитной индукции будет таким же, как и при возрастании степени текстурованности материала чувствительного элемента. Предварительное нагружение чувствительного элемента. Такое нагружение приводит к смещению рабочего диапазона напряжений в чувствительном элементе и к соответствующему изменению нели¬нейности характеристики магнитоупругого преобразования (см. рис. 11). Термообработка чувствительного элемента. Как нетрудно видеть из рис. 11, увеличение внутренних напряжений сi например, путем закалки) эквивалентно уменьшению максимального значения внешней нагрузки, поскольку относительное изменение магнитной проницаемости является функцией с/сi Введение воздушном зазора в магнитную цепь МД. Увеличение магнитного сопротивления R воздушного зазора приводит в соответствии с равенством (15) к уменьшению тангенса приведенного угла потерь 0 и параметра у. Из формулы (22) следует, что при этом изменяется нелинейность характеристики электромагнитного преобразования. Таким образом, мы рассмотрели известные способы изменения нелинейностей характеристик преобразования всех звеньев МД. В целом ряде случаев удается получить такое сочетание этих нелинейностей по абсолютной величине и знаку, при котором суммарная нелинейность характеристики преобразования МД, определяемая по формуле (29), не превышает 1,5 - 2%. В конце этой главы рассмотрен расчет МД, в котором компенсация нелинейностей характеристик механического и магнитоупругого преобразований осуществляется введением в магнитную цепь МД воздушного зазора. В качестве другого примера в четвертой главе будет рассмотрен датчик давления ДДС (см. рис. 34), в котором линеаризация статической характеристики осуществляется путем предварительного сжатия чувствительного элемента.
10. Гистерезис
Основными причинами невоспроизводимости статической характеристики МД при нагрузке и разгрузке, как показали исследования, выполненные И. И. Ивановой [Л. 32], являются механический гистерезис, вызванный упругим последствием, и магнитный гистерезис, связанный с необратимостью процесса перемагничивания. С целью уменьшения гистерезиса рекомендуется: применять для изготовления чувствительных элементов мате¬риалы с возможно большим пределом упругости и меньшими потерями на перемагничивание. Одним из перспективных с этой точки зрения материалов является железо-алюминиевый сплав Ю-12 (однако этот материал обладает высокими механическими характеристиками только при работе на сжатие); ограничивать максимальное значение напряжения в чувствительном элементе, вызванного нагрузкой, величиной в 6-7 раз меньшей предела упругости материала чувствительного элемента; работать в режиме намагничивания, при котором процесс перемагничивания осуществляется путем только обратимых процессов вращения векторов намагниченности доменов; производить механическую «тренировку» чувствительного элемента (5-10 циклов нагрузка-разгрузка) с максимальной - нагрузкой, соответствующей верхнему пределу преобразования МД. В тех случаях, когда внешнее магнитное поле играет существенную роль рекомендуется в процессе тренировки питать датчик номинальным напряжением.
Рисунок 14.
Один из возможных способов уменьшения гистерезиса заключается в применении в МД дифференциально-трансформаторного типа такого сочетания материалов чувствительного и нагружаемого компенсационного элемента, при котором ширина петли гистерезиса g' (рис. 14) характеристики преобразования чувствительной секции Е' = f1(Р) и ширина петли гистерезиса -g" характеристики преобразования компенсационной секции E"=f2(P) равны по абсолютной величине и знаку. В этом случае ширина петли гистерезиса выходной характеристики МД будет равна нулю. Возникновение механического гистерезиса возможно также в результате действия сил трения в месте приложения нагрузки к чувствительному элементу [Л. 24]. С целью уменьшения влияния этого фактора рекомендуется удалять зону чувствительного элемента, пронизываемую магнитным потоком, от места приложения нагрузки к чувствительному элементу. Экспериментальные данные показывают, что при изготовлении чувствительных элементов МД из электротехнической стали ЭЗЗОА, сплавов К-65 [Л. 14] и Ю-12 ширина петли гистерезиса после механической тренировки не превышает 0,5-1 % от верхнего предела преобразования.
11. Нестабильность во времени
В процессе старения материала чувствительного элемента происходит изменение его магнитной проницаемости (магнитное последействие) и внутренних напряжений (упругое последействие). Это приводит к нестабильности начальных выходных параметров и коэффициента преобразования МД. Для уменьшения влияния нестабильности начальных параметров МД, вызванных процессом старения материала, целесообразно применение МД дифференциально-трансформаторного типа. При этом магнитопроводы чувствительной и компенсационной секций МД должны быть полностью симметричны по геометрии, марке материала и технологии изготовления. Повышение стабильности коэффициента преобразования МД достигается следующими способами: естественным старением после окончательного изготовления чувствительного элемента и других магнитопроводов МД в течение нескольких месяцев; термообработкой чувствительного элемента и других магнитопроводов МД, в результате которой их магнитные характеристики стабилизируются (в частности, для чувствительных элементов, изготовленных из углеродистой стали, оптимальными режимами термообработки являются нормализация и термоулучшение, а для магнитопроводов, изготовленных из электротехнической стали, — отжиг); искусственным старением чувствительного элемента, например, путем его многократного (до 20 000 циклов) нагружения усилием, изменяющимся от 50 до 100% верхнего предела преобразования МД. Применение этих способов позволяет снизить нестабильность характеристик МД с чувствительными элементами из сплошного материала до величины, меньшей 0,5%. Нестабильность коэффициента преобразования может быть вызвана также изменением в процессе работы датчика места приложения усилия к чувствительному элементу. Из формул (2) и (3) следует, что небольшое изменение места приложения усилия может привести к существенному перераспределению напряжений внутри чувствительного элемента. Поэтому в конструкции МД должно быть предусмотрено надежное крепление чувствительного элемента и однозначное сопряжение контактирующих с ним деталей. В датчиках, чувствительные элементы которых склеены из пластин ферромагнитного материала, нестабильность коэффициента преобразования может возникнуть в результате некачественного склеивания пластин между собой. Изменение характеристик этих датчиков во времени достигает 2%.