Вихретоковые и магнитоупругие преобразователи

Принцип действия вихретоковых преобразователей заключается в изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при приближении к ним проводящего тела. Следует учесть, что кроме контролируемого зазора, на интенсивность и характер распределения вихревых токов, возбуждаемых на поверхности объекта, существенное влияние оказывают толщина токопроводящего слоя, магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость материала подводимого проводящего тела.

Существует три типа вихретоковых преобразователей, которые изображены на рис. 6.6. Это накладные (рис. 6.6, а)_у экранные (рис. 6.6, б) и щелевые (рис. 6.6, в) преобразователи. Во всех случаях вихретоковый преобразователь состоит из катушки, магнитное поле которой искажается при приближении проводящей пластины или проводящего покрытия. При этом индуктивное сопротивление катушки уменьшается, а ее активное со;

Рис. 6.6. Вихретоковые преобразователи.

противление несколько увеличивается (за счет потерь в проводящей среде).

Подобные преобразователи используются для контроля линейных размеров и толщины тонких пластин и покрытий, а также для обнаружения внутренних дефектов и всякого рода трещин, отслоений, царапин и раковин.

Вихретоковые преобразователи используются также для измерения вибраций, для определения частоты, амплитуды и форм вибрации при динамических испытаниях различных изделий машиностроения. Обычно измеряемые амплитуды лежат в пределах 1…2000 мкм при частотах 20…20 000 Гц. Этот же принцип используется для контроля вращающихся валов.

Стабильность работы вихретоковых преобразователей определяется стабильностью частоты сигнала задающего генератора и постоянством параметров катушек индуктивности и конденсаторов. Поэтому стремятся применять схемы генераторов, стабилизированных по частоте, изготавливают дифференциальные преобразователи без ферритовых сердечников, выбирают элементы резонансных контуров с оптимальными температурными коэффициентами индуктивности, емкости и частоты. Используются схемы с термокомпенсацией. Применяя вихретоковые преобразователи, следует учитывать, что они чувствительны к внешним электромагнитным полям.

Для вихретоковых преобразователей характерны относительно низкая чувствительность и наличие погрешностей, обусловленных изменениями электрических свойств проводящего тела. Однако эти преобразователи все же нашли свое применение в схемах активного контроля в машиностроении, поскольку они могут успешно работать в загрязненных и агрессивных средах, при воздействии различных смазываюше-охлаждаюших жидкостей (СОЖ) и при высоких скоростях подачи инструмента и обрабатываемых изделий.

Для построения датчиков неэлектрических величин в машиностроении также используется физическое явление изменения магнитной проницаемости ферромагнитных тел под действием приложенной к ним механической нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). На этом основано построение так называемых магнитоупругих преобразователей.

Обратным по отношению к магнитной упругости является эффект магнитострикции, заключающийся в возникновении механических деформаций и напряжений в ферромагнитном материале при изменении в нем напряженности магнитного поля.

Магнитоупругие материалы характеризуются относительной упругой чувствительностью Aj, которая равна.

«.

где, А / [I — относительное приращение магнитной проницаемости; 5 — механическое напряжение в ферромагнитном материале, вызвавшее данное приращение магнитной проницаемости.

Все магнитоупругие преобразователи делятся на две группы.

К первой группе относятся преобразователи, в которых измеряется магнитная проницаемость чувствительного элемента в одном направлении. В таких преобразователях магнитный поток большей частью направляется вдоль линии действия измеряемого усилия. Это приводит к изменению индуктивности соответствующей катушки, что показано на рис. 6.7, а_у или к изменению взаимной индуктивности двух соответствующих катушек, что показано на рис. 6.7, б.

В преобразователях второй группы измеряется изменение магнитной проницаемости, происходящее сразу в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В таких преобразователях магнитный поток направлен под углом 45^е к линии действия измеряемого усилия. Это показано на рис. 6.7, в.

Рис. 6.8. Конструктивная схема цельного магнитоупругого преобразователя.

Рис. 6.7. Схема магнитоупругих преобразователей.

На рис. 6.8 показана схема магнитоупругого преобразователя, корпус 1 которого выполнен за одно целое с сердечником 2 На этом сердечнике с возможностью вращения вокруг него установлена катушка 4. Эта катушка выполняется разрезной, состоящей, по меньшей мере, из двух половинок. На катушке 4 намотана обмотка 3. Преобразователь изготавливают следующим образом. В цельном куске металла делают (например, методом электроискрового копирования) полость с образованием цилиндрического сердечника 2 На этот сердечник надевают две половинки катушки 4 и соединяют их на месте, например, клеем. На катушку 4 наматывают одну или две обмотки 3 путем вращения катушки 4 относительно сердечника 2 Такой преобразователь может иметь много витков и при малых размерах способен выдать большой по мощности выходной сигнал.

Магнитоупругие свойства проявляются и при скручивании ферромагнитных тел. При пропускании тока через стержень, на который воздействует крутящий момент, в нем, кроме кругового магнитного потока, возникает и продольный магнитный поток, который наводит в обмотке,.

Рис. 6.9. Схема магнитоупругого преобразователя крутящего момента.

намотанной на стержень, ЭДС, пропорциональную этому крутящему моменту. Эта схема приведена на рис. 6.9.

Магнитоупругие преобразователи используются для измерения сил, давлений, крутящих моментов. Они развивают достаточную мощность и могут быть включены в последующую цепь без промежуточного усиления сигнала. Такие преобразователи обладают высокой надежностью, так как не содержат подвижных частей и могут измерять как статические, так и динамические нагрузки.

Здесь же следует рассмотреть так называемые датчики Виганда, которые представляют собой преобразователи магнитного поля. Такой преобразователь обычно представляет собой катушку длиной около 15 м с количеством витков порядка 1300, намотанную из проволоки диаметром 0,3 мм из сплава «Викалой» (10% ванадия, 52 % кобальта и 38% железа). Если расположить такую катушку в магнитном поле, то при изменении знака намагничивания (направления магнитного поля) в катушке возникает электрический импульс длительностью около 20 мс при напряжении около 2,5 В. Такие датчики применяют, например, для индикации положения зубьев зубчатых колес. Датчики Виганда работают в диапазоне температур от -196 °С до +175 °С, не требуют внешнего источника питания, создают выходной сигнал порядка нескольких вольт и электробезопасны.