34489 Obraz3

84

Czujniki siły i momentu obrotowego Zasady pomiarów

Rysunek 1

a - magnetosprężysty element pomiarowy b - efekt pomiarowy F - siła

ą_r - magnetyczna

przenikalność

względna

jU_r| - magnetyczna

przenikalność

względna w kierunku

siły

ą,_q - magnetyczna przenikalność względna poprzecznie do siły

Zasady pomiarów

Podobnie jak w pomiarach przemieszczeń i naprężeń zasadnicze rodzaje pomiaru sił można podzielić na statyczne i dynamiczne. Dotąd przeważały czujniki statyczne, w przypadku pomiaru sił zbudowane najczęściej wg zasady niepodatnego pomiaru naprężeń.

Jedynie w przypadku momentomierzy próbkujących moment skrętu koła kierownicy zaakceptowane zostały miękkie, podatne układy czujników, które także poprzez pomiar kąta skrętu wyznaczają moment. Takie układy okazały się przydatne do wcześniejszych bezczujnikowych układów hydraulicznych. W obu tych obszarach dominują dotąd jeszcze układy cewkowe (elektromagnetyczne) ponieważ jeszcze brak efektywnych rozwiązań wykonywanych techniką mikromechaniczną o masowej skali produkcji.

Czujniki siły

Zasada magnetosprężysta

Efekt magnetosprężysty polega na wykorzystaniu anizotropowego charakteru (zależnego od kierunku) magnetycznej przenikalno-ści względnej /i_r (relacja między indukcją magnetyczną a natężeniem pola magnetycznego). Podczas gdy przy braku działania sił przenikalność ma jeszcze jednakową wartość we wszystkich kierunkach, to pod wpływem wprowadzonej siły przyjmuje wartość /i_rl w kierunku działania tej siły, nieco inną niż w kierunku poprzecznym p (rys. 1). Zmiana przenikalności w kierunku działania siły oddziałuje natychmiast nawet na przebieg siły. Jakkolwiek prawie wszystkie materiały magnetyczne wykazują ten efekt, to poprzez dobór składu stopu można uzyskać efekt optymalny.

Niestety, materiały odznaczające się małą histerezą, dobrą liniowością i małymi wahaniami temperatury nie wykazują jednocześnie największych efektów tego rodzaju. Największe obserwowane efekty wynoszą około 30% (odniesione do izotropowej wartości bazowej), co mogłoby być wykorzystane jeszcze bez konieczności stosowania elektroniki sygnałowej. Jednak w używanych w technice pomiarowej optymalnych materiałach, efekt sięga zakresu kilku procent, co czyni niezbędnym zastosowanie elektrycznego wzmocnienia i obróbki sygnału. Jedną z największych zalet korzystania z efektu magnetosprężystego jest możliwość pomiarów w szerokim zakresie temperatur, aż do około 300°C. Inną jest wyraźny efekt objętościowy, co oznacza że używane cewki reagują nie tylko na lokalną zmianę przenikliwości wskutek działania siły, ale na oddziaływanie globalne, na cały przekrój cewki. W ten sposób czujnik jest mniej wrażliwy na ewentualną asymetrię działania siły. Zależna od siły zmiana przenikalności jest uzyskiwana w praktyce zawsze w obecności pola prądu zmiennego; zachodzi wówczas także silna zależność częstotliwościowa głębokości przenikania.

Dla uzyskania efektu pomiarowego mogą być wprowadzane tylko te naprężenia mechaniczne, które leżą w skutecznym zakresie przenikania pola pomiarowego.

Aby można było efekt pomiarowy maksymalnie wykorzystać, magnetycznie skuteczna szczelina powietrzna powinna być możliwie mała. Często magnetycznie aktywny obwód pomiarowy zamykany jest materiałem ferromagnetycznym, szczególnie takim który nie podlega wpływowi siły.

Na rysunku 2 pokazano dwie najważniejsze możliwości rozpoznania efektu magnetosprężystego: Gdy cewka tak jest usytuowana na obiekcie mierzonym, że kierunek jej pola jest zbieżny z kierunkiem działania siły, to do odbioru sygnału można wykorzystać zmianę indukcyjności L.

Wzbudzone natężenie pola H i indukcja B są niezależne od wartości siły działającej w tym samym kierunku (rys. 2a i 3a).

Gdy natężenie H pola cewki zasilającej nie jest osiowo-równoległe do siły F, to pod