Расчет параметров магнитного датчика

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить конструкцию и методику расчетов параметров магнитного датчика.

 

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

2.1. Изучить конструкцию магнитострикционного датчика.

2.2. Изучить методику расчета параметров магнитострикционного датчика.

 

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Основным компонентом большинства магнитных датчиков является тонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Конструктивно датчики представляют собой магнитострикционные актюаторы и различаются по виду механической поддержки, которая расположена либо на консольных балках, либо балках кручения. Смещение пластины работающего актюатора при приложенном высоком напряжении также очень велико. Меняя толщину одного из электродов, можно управлять направлением изгиба (актюаторы всегда изгибаются в направлении более толстого электрода).

Структурные пластины и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизм активации проиллюстрирован, используя актюатор первого типа. Три величины L, W, T - это длина, ширина и толщина магнитного участка, соответственно. Консольная балка имеет длину l, ширину w, толщину t.

Рис. 2.1. Устройство магнитного датчика

 

Когда внешнее магнитное поле H_внеш приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует с H_внеш.

 

 

Рис. 2.2. Расчетная схема магнитного датчика

Взаимодействие создаёт вращающий момент (М_маг) и небольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этом, заставляя её изгибаться.Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурная пластина параллельна плоскости подложки. При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения М_нас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две компоненты силы. Величина обоих, как F₁ (которая действует на верхнюю грань), так и F₂ (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается следующим образом:

, (2.1)

, (2.2)

где H₁ и H₂ напряжённость магнитного поля на верхней и нижней грани пластины (в текущей конфигурации H₁ < H₂).

Величины H₁ и H₂ линейно зависят от соответствующего расстояния до поверхности электромагнитного источника. Структура пластины вместе с пермаллоевым участком имеет толщину T+t. Её момент инерции I пропорционален (T+t)³ и он намного больше по сравнению с моментом инерции консольной балки, которая имеет толщину t. Пластина структуры вместе с пермаллоевым участком, таким образом, рассматривается как твёрдое тело. Основываясь на этом предположении систему сил, упрощают, перемещая F₁ до совмещения с F₂. Результатом является вращающий момент, действующий против часовой стрелки и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань структурной пластины. Этот результат можно представить как:

, (2.3)

Где сила F = F₂ - F₁. Величина угла θ рассчитывается исходя из значений величин L, H₁ и H₂.

Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию датчика, выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнего магнитного поля. Поэтому перед применением датчика в автоматизированных системах контроля и исполнительных устройствах необходимо выполнять тарировку действующих усилий на пластинах датчика.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

4.1. Ознакомиться с устройством магнитного датчика.

4.2. Получить задание у преподавателя (см. табл. 2.1)

Таблица 2.1

 

Данные	Варианты
L (мм)	8, 5
W (мм)	3, 5		3, 3			7, 5	8, 5	2, 5	5, 5	8, 2
Т ( мм )	1, 5		2, 5	2, 8	3, 0	3, 3	3, 5	4, 0	4, 5	5, 5
l ( мм )
ω (мм)				8, 5		11, 5	12, 5	13, 5	14, 0	15, 0
t (мм)	1, 8	2, 5	2, 2	2, 8	2, 5	2, 0	3, 0	3, 1	3, 2	3, 3
Мнас (А·Н/м)
H1 (А/м)
H2 (А/м)

 

Данные	Варианты
L (мм)	9, 5
W (мм)	3, 7	5, 2	3, 6	4, 5	5, 4	7, 8	8, 9	2, 7	5, 9	8, 8
Т ( мм )	2, 5	2, 7	2, 6	2, 7	3, 5	3, 4	3, 6	4, 1	4, 3	5, 6
l ( мм )
ω (мм)	5, 1	8, 2		8, 8	11, 2	11, 7	12, 8	13, 6	14, 7	15, 6
t (мм)	1, 8	2, 5	2, 2	2, 8	2, 5	2, 0	3, 0	3, 1	3, 2	3, 3
Мнас (А·Н/м)
H1 (А/м)
H2 (А/м)

 

4.3. Рассчитать значение составляющих сил, действующих на пластины датчика, используя формулы (2.1, 2.2).

4.4. Рассчитать значение изгибающего момента пластин датчика, используя формулы (2.3).

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

5.1. Расчеты, выполненные в последовательности, соответствующей общему порядку выполнения работы.

5.2. Оценку данных, полученных в результате расчетов.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

6.1. Какими технологическими параметрами необходимо руководствоваться при выборе магнитострикционных датчиков.

6.2. Дайте оценку влияния значения вектора намагниченности на эффективность работы магнитострикционного датчика.

6.3. Назовите причины изменения составляющих сил действующих на пластины работающего датчика.

6.4. Объясните механизм возникновения вращающего момента на пластине работающего датчика.

6.5. Поясните влияние размеров пластины датчика на эффективность его работы.

6.6. Для чего необходимо проводить тарировку действующих усилий на пластинах датчика?

6.7. Дайте определение момента инерции магнитострикционного датчика.