13. Датчики усилий. Магнитоупругие преобразователи (индуктивный, трансформаторный). Тензометрические датчики усилий.

Для измерения усилий в объектах автоматизации наибольшее применение нашли магнитоупругие (МДУ) и тензометрические (ТДУ) датчики. В МДУ в качестве чувствительных элементов используются магнитоупругие преобразователи (МУП). В МУП для преобразования механической силы в электрическую величину используется так называемый магнитоупругий эффект. Ферромагнитные тела имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В ненамагниченном состоянии тела домены ориентированы хаотично и магнитные моменты доменов компенсируют друг друга. В магнитном поле домены ориентируются в его направлении, что вызывает увеличение магнитной индукции В.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменяют свою ориентацию, вызывая изменение индукции в материале. Это явление имеет упругий характер: если снять силу, то индукция примет прежнее значение.

Изменение магнитной индукции или проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Индуктивный МУП

Различаются по принципу действия индуктивные и трансформаторные МУП. Индуктивные МУП представляют собой ферромагнитный сердечник с катушкой на нем (рис. 2.39). Под действием силы F изменяется магнитная проницаемость сердечника µ, вызывая изменение индуктивности катушки в соответствии с выражением ,

где W – число витков катушки; S – сечение сердечника; – длина магнитопровода.

Индуктивные МУП включаются в дифференциальную мостовую измерительную схему с питанием моста от феррорезонансного стабилизатора напряжения. При использовании индуктивного МУП для порогового контроля заданной величины усилия его катушку подключают последовательно с обмоткой электромагнитного реле к источнику переменного напряжения.

В трансформаторных МУП (рис. 2.40) имеются две обмотки, расположенные на общем сердечнике. На обмотку W1 подается питание, а с измерительной обмотки W2 снимается выходное напряжение U_вых. В этом преобразователе под действием измеряемой силы F изменяется взаимная индуктивность (взаимоиндукция) М между обмотками , вызывая пропорциональное изменение ЭДС измерительной обмотки.

В тензометрических датчиках усилий в качестве чувствительного элемента используются проволочные или полупроводниковые резисторы, называемые тензорезисторами. Принцип их действия заключается в изменении активного сопротивления при деформации под действием измеряемого усилия упругого элемента, на который приклеиваются тензорезисторы.

Проволочный тензорезистор состоит из подложки 1 (бумага, пленка), на которую наклеена тонкими витками нихромовая проволока 2, и выводов 3 для подключения в измерительную схему. Активное сопротивление тензорезистора определяется выражением , где – удельное сопротивление материала проволки; – длина и сечение проволки.

Проволочный тензорезистор

На упругий элемент тензорезистор должен приклеиваться так, чтобы направление его продольной оси совпадало с направлением измеряемой силы. В этом случае при деформации упругого элемента в наибольшей степени изменяется длина проволоки тензорезистора и пропорционально ей изменяется его активное сопротивление.