﻿24. Магнитные преобразователи
Работа магнитных преобразователей основана на изменении параметров магнитной цепи (магнитного сопротивления, магнитной проницаемости и т.п.) под воздействием входной величины.
Из большого числа магнитных преобразователей, использующихся в измерительной практике, рассмотрим три наиболее часто встречающиеся разновидности – индуктивные, магнитоупругие и магнитомодуляционные.

7.2.2.1. Индуктивные преобразователи
Принцип действия индуктивных (электромагнитных) преобразователей основан на изменении сопротивления катушки индуктивности при введении в нее ферромагнитного сердечника или при изменении величины воздушного зазора в магнитном сердечнике, на котором помещена катушка. Входной X может быть механическая величина (линейное или угловое перемещение, давление, деформация и др.), а выходной – изменение индуктивности L или полного сопротивления Z катушки. 
Чувствительность индуктивного преобразователя определяется как
                                                Sи = ΔZ/ΔX.                                                    ( 7.24 )
На рис.7.4 изображены некоторые типы индуктивных преобразователей. Наиболее распространен преобразователь с малым воздушным зазором  δ (рис.7.4, а), величина которого связана с перемещением изучаемого объекта. Изменение зазора приводит к изменению сопротивления магнитной цепи, а следовательно, и индуктивности катушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. При этом меняются индуктивное и полное сопротивление катушки, в результате чего обеспечивается функциональная зависимость Z = f(X).                                       
 
Рис.7.4. Разновидности индуктивных преобразователей:
а – с переменной толщиной воздушного зазора; б – с переменной площадью
 воздушного зазора; в – с перемещающимся сердечником

Изменение сопротивления катушки индуктивности может быть связано с изменением площади воздушного зазора (рис.7.4, б) в соответствии с изменением входной величины или с перемещением ферромагнитного сердечника внутри катушки (рис.7.4, в). Преобразователь, показанный на рис.7.4, в, носит название индуктивного преобразователя с разорванной магнитной цепью; его обычно применяют для измерения значительных пространственных перемещений.
Разновидностью индуктивных преобразователей являются трансформаторные (взаимоиндуктивные) преобразователи (рис.7.5), содержащие две катушки, одна из которых питается стабильным переменным током. Выходной величиной таких преобразователей является индуцированная во вторичной катушке э.д.с., которая зависит от сопротивления на пути магнитного потока, сцепленного с витками обеих катушек, а следовательно, и от толщины воздушного зазора δ. Величина этой э.д.с. измеряется прибором И.

 
Рис.7.5. Трансформаторный индуктивный преобразователь                         
Катушки: 1 – намагничивающая, 2 - измерительная
 
Установим соотношение между полным сопротивлением катушки и толщиной воздушного зазора преобразователя, показанного на рис.7.4, а. Полное сопротивление катушки индуктивности определяется выражением:
                                    Z = R +  jωL = R +jω  ,                                         ( 7.25 )                            
где R, L и  w – соответственно активное сопротивление, индуктивность и число витков катушки; Zм – сопротивление магнитной цепи; ω – круговая частота тока.
Пренебрегая возможными путями утечки магнитного потока, можно представить величину Zм как сумму двух сопротивлений – магнитного сопротивления Zм ст стального участка магнитной цепи и магнитного сопротивления Zмδ   воздушного зазора. Магнитное сопротивление воздушного зазора, в свою очередь, зависит от его площади S, толщины δ и магнитной проницаемости μо воздуха. Тогда полное сопротивление катушки индуктивности может быть определено как 
                                    Z = R +  jω ,                                             ( 7.26 )                                     
Полученное выражение показывает, что передаточная характеристика этого преобразователя – зависимость Z = f(δ) – нелинейна. С известным приближением она может быть представлена совокупностью линейных отрезков, длина которых не превышает Δδ = (0,1÷0,15)δо (здесь δо – начальная величина зазора).
Такая же зависимость наблюдается и между величиной зазора и потоком, сцепленным с витками катушек, а следовательно, и вторичной э.д.с. в преобразователях трансформаторного типа.
Увеличения линейного участка характеристики можно добиться, используя дифференциальные индуктивные преобразователи (рис.7.6). В таких преобразователях при отсутствии внешнего воздействия (X =0) якорь (подвижная часть сердечника) расположен симметрично относительно обоих сердечников  (или катушек), и магнитные сопротивления для потоков, создаваемых обеими катушками, одинаковы. Под воздействием входной величины магнитные сопротивления изменяются, причем увеличение сопротивления для одной половины преобразователя сопровождается уменьшением сопротивления для другой его половины. Зависимости Z1 = f(δ) и  Z2 = f(δ) для дифференциального преобразователя с малой толщиной воздушного зазора показаны на рис.7.7.
 
Рис.7.6. Разновидности дифференциальных индуктивных преобразователей
Катушки: 1, 1´ – намагничивающие; 2, 2´  - измерительные

Обычно катушки дифференциального преобразователя включаются в соседние плечи мостовой схемы, которая уравновешивается при начальном значении толщины воздушного зазора. Тогда при перемещении сердечника под действием преобразуемой величины будет изменяться электрический сигнал, определяемый разностью Z1 – Z2 и измеряемый прибором  И. Как видно из рис.7.8, линейный участок характеристики дифференциального индуктивного преобразователя значительно увеличен и достигает Δδ = (0,3÷0,4)δо.
Для дифференциального преобразователя трансформаторного типа получение сигнала e2, пропорционального разности Z1 – Z2, достигается встречным включением измерительных катушек 2 и 2´.
Индуктивные преобразователи характеризуются весьма большой мощностью (1-5 ВА), что позволяет применять их вместе с измерительными приборами пониженной чувствительности.

 
Рис.7.7. Характеристика дифференциального индуктивного преобразователя
 
7.2.2.2. Магнитоупругие преобразователи
Работа магнитоупругих преобразователей основана на явлениях, возникающих в результате взаимодействия между магнитными и механическими состояниями ферромагнитных тел, объединяемых под названием магнитоупругих явлений.
Различают собственно магнитоупругий эффект – изменение магнитных свойств ферромагнитных тел под воздействием механических деформаций и магнитострикционный эффект – изменение формы и размеров ферромагнитных тел под воздействием внешнего магнитного поля.
При магнитоупругом эффекте действие внешней силы F вызывает в ферромагнитном теле механические напряжения, обусловливающие изменение магнитной проницаемости μ тела. Если ферромагнитное тело используется в качестве сердечника катушки индуктивности то изменение магнитной проницаемости приводит к изменению сопротивления магнитной цепи и, как следствие, к изменению полного электрического сопротивления катушки.
При магнитострикционном эффекте происходит обратное явление. 
Величина магнитоупругого и магнитострикционного эффекта может быть охарактеризована относительным изменением магнитных свойств εμ = Δμ/μ и относительным удлинением εl = Δl/l ферромагнитных тел. Численные значения коэффициентов εμ и εl зависят от материала ферромагнетика, напряженности магнитного поля H или величины внешней силы F, окружающей температуры и других факторов. Во многих случаях зависимости εμ = f(F) и εl  = φ(H) являются нелинейными.
В общем случае магнитоупругий эффект характеризуется коэффициентом относительной магнитоупругой чувствительности                                    
                                      Kом = εμ/ε                                                                       ( 7.27 )
В качестве материалов для магнитоупругих преобразователей используют никель, железо-никелевые (пермаллой, пермендюры К49Ф2 и К-65) и железо-алюминиевые (альферы Ю-8, Ю-10 и Ю-12) сплавы, а также ферриты (окислы железа, цинка и закись никеля), характеризующиеся значением Kом ≈200. 
Основное назначение магнитоупругих преобразователей возбуждение и прием упругих колебаний, поэтому они широко применяются в устройствах, использующихся для изучения распространения упругих волн.
Магнитоупругий преобразователь (рис.7.8) конструктивно представляет собой пакет крепко стянутых пластин из магнитоупругого материала, образующих замкнутый магнитопровод 1, на котором расположена обмотка 2. Поскольку при пропускании тока по обмотке деформация происходит вдоль линий магнитной индукции, выбором соответствующей формы пластин можно добиться определенной направленности действия преобразователя.
 
Рис.7.8. Магнитострикционные излучатели:
а – стержневой; б - кольцевой

У преобразователя стержневого типа (рис.7.9, а) магнитоупругий эффект направлен вдоль оси пакета пластин. В цилиндрических (кольцевых) преобразователях (рис.7.9, б) линии магнитной индукции имеют форму колец с центром на оси цилиндра и замыкаются внутри обмотки. Поэтому при пропускании по обмотке переменного или пульсирующего тока будет происходить периодическое изменение длины средней окружности цилиндра, а следовательно, и длины его наружной и внутренней окружностей, что вызовет радиальные упругие колебания преобразователя, которые передадутся в окружающую среду. При работе преобразователя в режиме приема упругих колебаний происходит обратный процесс.
Магнитоупругие преобразователи являются острорезонансными системами, собственная частота которых определяется материалом и геометрическими размерами сердечника. Так, собственная частота радиальных колебаний (в Гц) цилиндрического преобразователя с толщиной стенки 0,1-0,25 диаметра определяется выражением:
                                              f = v/πd,                                                                    ( 7.28 )
где v – скорость распространения звука в материале сердечника, м/с; d –средний диаметр сердечника, м.
Резонансную частоту стержневого преобразователя можно приближенно оценить по формуле:
                                           F ≈ v/2l,                                                                        ( 7.29 )
где l – длина стержня.
Магнитоупругие преобразователи характеризуются простотой конструкции, высокой механической прочностью и не нуждаются в герметизации, вследствие чего устраняются потери энергии упругих колебаний не герметизирующей оболочке.; в то же время они обладают достаточно высокой акустической мощностью и сравнительно высоки электроакустическим к.п.д. (отношением акустической мощности, отдаваемой на выходе к электрической мощности, потребляемой на входе). Для возбуждения преобразователей , работающих в режиме излучения колебаний, не требуется высокого напряжения, а нужен лишь мощный импульс тока в обмотке для создания магнитного поля. Это весьма важно во многих случаях, когда трудно обеспечить высокое качество электрической изоляции.

7.2.2.3. Магнитомодуляционные преобразователи
В магнитомодуляционных (ферроиндукционных) преобразователях используется явление изменения магнитного состояния ферромагнитных тел, намагничиваемых переменным магнитным полем стабильной напряженности, при наложение постоянно магнитного поля, индукция которого изменяется. Существует ряд разновидностей преобразователей, различающихся способом возбуждения, конструкцией и т.п.
В качестве примера рассмотрим преобразователь с продольным возбуждением, который состоит (рис.7.9) из двух одинаковых и параллельно расположенных пермаллоевых стержней 1, длина которых превышает их поперечные размеры. На стержнях размещены намагничивающие обмотки 2, питаемые напряжением U1 = Umax sin ωt; они включены между собой последовательно и навиты так, что в каждый момент времени магнитные потоки в сердечниках имеют одинаковое значение и встречное направление. При полной идентичности обеих половин преобразователя и отсутствии внешнего магнитного поля э.д.с., индуцируемая в измерительной обмотке 3, охватывающей оба сердечника, будет равна нулю.
                                                                       
Рис.7.9. Принципиальная               Рис.7.10. Характеристика B=f(H) и кривая изме-
схема магнитомодуляци-               нения магнитной проницаемости материала  μ
оного преобразователя                   стержней магнитомодуляционного преобразо-
                                                          вателя

Если же преобразователь поместить в постоянное магнитное поле напряженности Ho, направленное под произвольным углом ψ к осям стержней, то в них образуется магнитный поток 
                                 Ф = Фо cos ψ = μ Ho S cos ψ,                                               ( 7.30 )
где μ – магнитная проницаемость пермаллоя; S – сечение каждого сердечника.
Э.д.с., индуцированная в измерительной обмотке (с учетом встречного включения намагничивающих обмоток) 
               e2 =  – 2 w2  =  – 2 w2 Ho S cos ψ ;                                    ( 7.31 )                                                         
здесь H~ – напряженность переменного поля возбуждения; B – значение индукции в сердечниках; w2  – число витков измерительной обмотки.
Так как dB/dH~ = μ – магнитная проницаемость, то
             e2 = – 2 w2 Ho S cos ψ  = – K1 Ho cos ψ   ,                                     ( 7.32 )
где K1 – постоянная, определяемая конструкцией преобразователя. 
Пермаллой обладает способностью быстро насыщаться в относительно слабых магнитных полях, поэтому уже при U1 < Umax  угол наклона характеристики (рис.7.10) и величина магнитной проницаемости станут близкими к нулю. Поскольку магнитная проницаемость не меняется по знаку, то одному периоду напряжения U1 будут соответствовать два периода изменения μ, т.е.
                                       μ    μо + K2 sin 2 ωt,                                                         ( 7.33 )
где K2 – постоянная, определяемая магнитными свойствами пермаллоя.
Таким образом, величина э.д.с. в измерительной обмотке равна
                                               e2 =  K1K2 Ho cos ψ cos 2 ωt                                      ( 7.34 )
и достигает максимума при совпадении оси преобразователя с направлением внешнего магнитного поля. При этом величина e2 в некоторых пределах оказывается пропорциональной напряженности магнитного поля Ho. 
Как видно, в процессе работы такого преобразователя происходит модуляция постоянного магнитного поля переменной магнитной проницаемостью.
Магнитомодуляционные преобразователи обладают высокой чувствительностью, простотой и надежностью конструкции. Их применяют в устройствах  обнаружения и измерения параметров магнитных полей, в частности для измерения составляющих земного магнитного поля.

