ZE SZ Y T Y N A U K O W E POLITEC H N IK I ŚLĄ SKIEJ 2001
Seria: TR A N SPO R T z. 43 N r kol. 1529
Z bigniew H. ŻU R EK
PRZETWORNIKI POMIARU SIŁ I NAPRĘŻEŃ W OPARCIU O EFEKT VILLARIEGO
Streszczenie. W artykule om ów iono zasady pracy najczęściej stosow anych przetw orni
ków do pom iaru sił i naprężeń pracujących w oparciu o efekt m agnetom echaniczny Villarego.
N astępnie zaproponow ano odm ienny układ pomiarowy zawierający przetw ornik param e
tryczny do pom iaru natężenia pola m agnetycznego przy pow ierzchni obciążanego siłą ferro- m agnetyka. Przeprow adzono porów nania analityczne i sym ulacyjne now ego układu pom ia
rowego oraz zam ieszczono w yniki badań przeprow adzonych zaprojektow anym układem po
m iarowym . O trzym ane w yniki potw ierdziły słuszność w yboru układu i m etody pomiarowej.
TR A N SD U CERS OF FORCES AND STRESSES M EA SU REM EN T AT THE BASE OF V IL A R Y ’S EFFECT
Sum m ary. The paper presents transducers o f forces and stresses at the basis o f V illary’s effect in m ost use. The m easuring system with param eters’ transducer o f m agnetic field m easurem ent has been proposed. Analytical and sim ulating analysis o f m easuring system has been carried out and the results o f the m easuring system have been presented. The results proved usefulness o f m easuring system and m easuring method.
1. W PR O W A D Z E N IE
P raktyczne zastosow ania odkrytych w połow ie X IX w ieku przez Joulea i Villariego efektów m agnetycznych [1,2,8,9] do budow y m agnetosprężystych czujników pom iaru sił i naprężeń w ferrom agnetykach datow ane są na lata trzydzieste XX wieku. D alsze badania nad w łaściw ościam i m agnetom echanicznym i ferrom agnetyków zaowocow ały pow staniem bez- stykow ych m etod pom iaru sił i naprężeń opartych kolejno na przetw ornikach pom iarowych, indukcyjnych, następnie hallotronow ych. Budow a m agnetosprężystych przetw orników po
m iarow ych oparta je st na w łasnościach m agnetosprężystych ferrom agnetyków opisanych za
leżnością (1). Zależność ta łączy zm iany podatności m agnetycznej zd ziałan iem naprężeń.
gdzie:
S - czułość piezom agnetyczna,
% - podatność m agnetyczna, a - naprężenia m echaniczne,
p - przenikalność m agnetyczna materiału.
(1 )
2. PR Z E T W O R N IK I M A G N E TO SPR Ę ŻY ST E- GENER ACY JNE
K onstrukcja w iększości przetw orników (generacyjnych) m agnetosprężystych (tabela 1) oparta je s t na trzech podstaw ow ych zasadach pracy [2] z uw zględnieniem efektu Villariego:
a - zasadzie zm iany indukcji m agnetycznej zew nętrznego selenoidu obejm ującego badany elem ent ferrom agnetyczny, najczęściej rozciągany lub ściskany,
b - zasadzie zm iany kąta strum ienia m agnetycznego uzwojenia zasilanego od naprężeń w m ateriale ferrom agnetycznym i pom iarze napięcia indukow anego w prostopadle usytu
ow anym uzw ojeniu pom iarow ym (uzwojenia zasilające i pom iarow e zw iązane są z bada
nym elem entem ),
c - zasadzie nasycania strum ieniem m agnetycznym i pom iaru zm ian indukcji magnetycznej lub natężenia pola m agnetycznego zew nętrznym przetw ornikiem pom iarow ym usytuow a
nym w pobliżu badanego ferrom agnetyka poddaw anego naprężeniom.
Tabela 1 N ajczęściej stosowane przetw orniki m agnetosprężyste
Budow a przetw or
nika
F - siła
F - siła
|F <D
oj ¡£
0 s m | o
1 1
1
wp
11F
Ms
(§H,„
i lt skręć
0 »
\
ający
napi
napipcmpc
ęciejzasilania
miarowe
Zasada pracy a (zmiana indukcji magnetycznej cewki pomiarowej pod w pły
wem sił (F)działających na ferromagnetyk)
b (zmiana kierunku strumienia m agnetycz
nego od uzwojenia zasilającego pod dzia
łaniem naprężeń)
c (zmiana przenikalności magnetycznej i indukcji m agnetycznej od naprę
żeń w materiale) Rodzaj naprężeń rozciągające
ściskające
rozciągające ściskające
skręcające złożone R ozkład strum ienia
m agnetycznego
jednoosiow y jedno lub dw uosiow y trójosiowy
R ozkład sił liniow y liniow y (w strefie po
miaru)
przestrzenny
Przetw orniki zam ieszczone w tabeli 1 są przetwornikam i indukcyjnym i param etrycznym i w ym agającym i zasilania napięciem przem iennym o określonej częstotliw ości. Znane i stosowane są także m etody pomiaru naprężeń w ferrom agnetykach w oparciu o efekt Bar- khausena. W opracow aniu zaproponowano bezstykowy pom iar naprężeń przetw ornikiem pa
ram etrycznym m agnetorezystancyjnym i nasycanie badanej próbki strum ieniem m agnetycz
nym pochodzącym z m agnesów trwałych.
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń. 155
3. PO M IA R Y SIŁ I N A PR Ę Ż E Ń PR ZET W O R N IK A M I PA R A M ETR Y C ZN Y M I
Z asada pracy przetw ornika pom iarowego sił i naprężeń z m agnesam i trwałym i i m agnetorezystorem [6,10] przedstaw iona została na rysunku 1. W yboru m agnetorezystan- cyjnego przetw ornika pom iarow ego dokonano ze w zględu na jego w ysoką czułość. W ybór m agnesów trw ałych m agnesujących badaną próbkę zapew nia m inim alizację w ym iarów przetw ornika m agnetosprężystego, utrudnia jednak analityczny opis układu pom iarowego. Na rysunku 2 przedstaw iono sym ulację (przeprow adzoną w program ie FEM M ) rozkładów in
dukcji m agnetycznej w badanej próbce dla przetw ornika z m agnesam i trw ałym i lub elektro
m agnesem . K onstrukcja przetw ornika z elektrom agnesem zapew niającą porów nyw alną gę
stość energii, ja k ą dysp o n u ją w spółczesne m agnesy trw ałe (od 280000kJ/m 3), w ym agałaby ogrom nej gęstości prądu w przewodzie cewki w zakresie od kilkudziesięciu do kilkuset ampe- rów na m ilim etr kw adratow y przekroju uzwojenia.
N S , -
S N
A M- Rys. 1. Sposób pomiaru m agnetorezystorem M R i magnesami trwałymi Fig. 1. B ase o f measurement done with searcher
Zastosow anie elektrom agnesu zm niejsza zasięg oddziaływ ania strum ienia m agnetycznego w odcinku badanej próbki oraz zakłóca pom iar m agnetorezystorem oddziaływ ania elektrom a
gnetycznego pola rozproszenia od cewki elektromagnesu.
Rys. 2. Rozkład indukcji pola m agnetycznego porównywanych obwodów: a) dla sondy z magnesami trwałymi, b) dla odpow iednika w ym iarow ego sondy z elektromagnesem
Fig. 2. Distribution o f m agnetic field induction compared circuitry: a) for permanent magnets searcher, b) for dim ensional equivalent o f the searcher with electromagnet
m agnesy trwałe elektrom agnes
A nalityczne w yznaczanie param etrów m etrologicznych układów pom iarow ych z magnesami trw ałym i zostanie przeanalizow ane dw om a sposobami. Trudność analitycznego wyznaczania param etrów m etrologicznych układu pom iarowego sprawiła, że dalsze szczegółow e badania układu pom iarow ego prow adzono m etodam i sym ulacyjnym i.
4 . ID E N T Y FIK A C JA PA R A M E T R Ó W M E T R O L O G IC ZN Y C H UK ŁA D U
PO M IA R O W E G O Z M A G N E SA M I TR W A ŁY M I I M A G N E TO R EZ Y STO RE M W ykonany układ pom iarowy zastąpiono analogiem elektrycznym , którego schemat przedstaw iono n a rysunku 3.
I z
napięcie magnetyczne źródłaHm
/wHsls
napięcie m agnetyczne na szczelinieHn
4 napięcie m agnetyczne nazw orze sondyHP lP
napięcie m agnetyczne na próbceRys. 3. M odel elektryczny sondy Fig. 3. Electrical model o f searcher
Sonda pom iarow a posiada dw a m agnesy trw ałe o katologowej gęstości energii wm.
W celu uproszczenia obliczeń m agnesy zostaną zastąpione selenoidami o równow ażnej ener
gii. N apięciu m agnetycznem u m agnesów trw ałych przypisane zostanie napięcie m agnetyczne selenoidu. K atalogi m agnesów trw ałych podają w ym iary i gęstość energii. Energia magnesu opisana je s t zależnością:
R H
W = — -V (2)
2 gdzie V je st objętością m agnesu trwałego.
Podstaw iając w e w zorze (2) za natężenie pola m agnetycznego i indukcję m agnetyczną kolej
no:
H : I z oraz B = p0 p w H otrzym am y:
w = — Po Pw O z)2 s
(3)
(4)
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń.. 157
N apięcie m agnetyczne zam iennego rów now ażnego m agnesom źródła (selenoidu) je st równe:
,L m (5)
I-z =
2- W I S-Po ' Pw ■
Sum a napięć m agnetycznych obw odu nierozgałęzionego (jakim je st sonda pom iarowa) w yno
si zero:
2 H ml m + H nl „ + 2 H sls + H plp = 0 (6)
W prowadzając zależność (5) i przekształcając otrzym am y:
I • z = 2- W 1 n h i H I
magnesu = _ V Hj • 1, = - + Hs 1 f + —>J-
V s . p 0 . ^ w . t t ' ‘ l 2 5 s 2 (7)
gdzie: Hj, lj, -są odpow iednio natężeniem pola m agnetycznego i długości poszczególnych składow ych obw odu m agnetycznego.
W zam kniętym obw odzie m agnetycznym przy założeniu zerowego rozproszenia i pracy obw odu w liniowej strefie krzywej m agnesow ania (bez nasycenia) elem entów obw odu m a
gnetycznego, strum ień m agnetyczny O będzie stały w całym obw odzie m agnetycznym . Wzór (7) m ożna zapisać:
J
—2 • W • 1 = _ 4 , y - . = ^,n |s ' M -o ' M 'w ¡ « i * l -i j
1
( 2 ' S n p n s s p s 2 - s p - pp (8)
gdzie: lj, Sj, pi, są odpow iednio długością, przekrojem i przenikalnością m agnetyczną ele
m entów składow ych obwodu.
W yliczona z zależności (8) w artość strum ienia m agnetycznego posłuży do w yznaczenia pierw szego z istotnych param etrów m etrologicznych sondy pom iarowej, jakim je st zależność natężenia pola m agnetycznego w próbce od odległości ls (wielkości szczeliny powietrznej) sondy.
¡2- W
/** "magnesu
Po.
S-Po-Pw (9)
. + _ A _ + . ‘p
2-sn p„ s s - ps 2-sp -p
N atężenie pola m agnetycznego w badanej próbce będzie zależne od ls i równe:
H p(l) - * (U (10)
P p Po - Sp
W sondzie pom iarowej odległość m agnetorezystora od powierzchni badanej próbki jest rów na wielkości szczeliny ls. W artość natężenia pola m agnetycznego m ierzona przez magne- torezystor będzie m alała w raz ze w zrostem ls. Zależność ta je st kolejną cechą m etrologiczną sondy pom iarow ej. W artość stycznej natężenia pola m agnetycznego H t dla bardzo m ałych odległości ls od ferrom agnetyka nasyconego strum ieniem m agnetycznym od m agnesów
trw ałych do natężenia Hpje s t w przybliżeniu rów na H, =Hp, . W przeprowadzonej analizie nie uw zględniono istotnego w pływ u w spółczynnika odm agnesow ania próbki.
Inny sposób w yznaczania pola m agnetycznego oparty na m etodzie G aussa stosowany do m agnesów stałych zakłada ułożenie próbki w zewnętrznym polu m agnetycznym w odległości 15 (szczelina) od źródła pola. Pod w pływ em zew nętrznego pola m agnetycznego równow ażne
go energii m agnesu trw ałego następuje m agnesow anie m ateriału m agnetycznego. Zastępuje
my m om ent m agnetyczny m agnesu trw ałego m m m om entem elektrom agnetycznym m cewki kołow ej:
m = z ł s (1 1 )
gdzie: z - ilość zwojów, I - prąd w uzw ojeniu,
s - przekrój objęty uzwojeniem.
Rozważm y przew odniki kołow e w ilości n o prom ieniu R, przez które płynie prąd elek
tryczny o natężeniu i. N atężenie pola m agnetycznego w zdłuż osi „z” leżącej w osi przewod
nika kołow ego (prostopadle do przew odów kołow ych), zgodnie z praw em B iota-Savarta od każdego elem entu dl w ynosi dH
dH = .1'dl~sin90° -n (]2 )
4 n r2
W ektor dH rozkładam y na składow ą styczną i norm alną do osi. Składow e norm alne dla peł
nego okręgu są równe zero. Dla składowej stycznej w zdłuż osi z dH z= dH cosa, mamy:
k c o so ^ dl (13)
po podstaw ieniu za cosa,:
otrzym am y kolejno:
co s a = — = R (14)
r V(r2 +z2)
dH = ---— , dl (15)
4h -(r2 +z2^
i s n
2n(R2+ z2) 2 0 27t(R2 + z 2)i 2h ( r2+ z2 )2 2t i ( r2+ z 2)
(16)
dla z » R natężenie pola m agnetycznego w pierw szym głów nym położeniu G aussa jest rów ne:
271-z3
M om ent elektrom agnetyczny m je st równy iloczynowi nam agnesow ania M i objętości V (m = M-V) to:
M • V 2- M ■ V
H2 = --- - , a dla dw óch m agnesów H z « — —— (18)
27T-Z 271-Z
M om ent elektrom agnetyczny m ożna w yrazić poprzez energie i param etry m agnesu trwałego:
2 - w- h s
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń.. 159
Dla dw óch elektrom agnesów :
2 - w- 2-
(20) 2 7t z
Pod w pływ em pola m agnetycznego rów now ażnego źródła następuje m agnesow anie materiału do wartości Hw:
= (2I)
gdzie: N - w spółczynnik odm agnesow ania, M m - m agnesow anie m ateriału
Składow a styczna H z na zewnętrznej powierzchni próbki je st rów na w artości H w. Składo
w a styczna pola m agnetycznego H z m ierzona przez m agnetorezystor M R przy powierzchni m ateriału badanego zależy od przenikalności m agnetycznej materiału. Przenikalność m agne
tyczna m ateriału zależy z kolei od nam agnesow ania M i stanu naprężeń o.
Związki przenikalności m agnetycznej od naprężeń opisane są teoriam i m agnetom echa- nicznym i. W edług teorii dom enowej naprężeń Beckera przenikalność ferrom agnetyka podda
nego naprężeniom o opisana je st wzorem.
P w „ = 3 (22)
~ C0XS
-T t-P oW artość nam agnesow ania m ateriału odczytam y z krzywej zależności nam agnesow ania m ateriału w funkcji natężenia pola m agnetycznego. Przy ilościow ym ujęciu konieczna jest także znajom ość w spółczynnika X, dla badanego materiału. Pom iar je st procesem złożonym , jednak po skatalogow aniu m ateriałów ulegnie uproszczeniu.
Przeprowadzona analiza param etrów pom iarow ych sondy wykazuje, że w każdym z przykładów analitycznych ilość przybliżeń jest tak w ysoka, że przyjęcie m etody sym ulacyj
nej (też m etody przybliżonej) do pom iarów i oceny param etrów m etrologicznych sondy po
zw ala na uzyskanie dokładniejszych w yników w krótszym okresie czasu. Szybkość metod analitycznych um ożliw ia ocenę większej ilości przypadków i ułatw ia dokonanie w yboru.
U kład pom iarow y został ponadto zaprojektow any i zastosowany do badań w diagnostyce m aszyn, gdzie w ym agana je s t ocena jakościow a a nie ilościow a naprężeń w pracującym ele
m encie m aszyny. O cena jakościow a pracującego elem entu (najczęściej w irującego) wraz z obróbką sygnału F FT je s t w ystarczająca dla oceny aktualnego stanu m aszyny.
5. SYM U LA C Y JN A ID E N T Y FIK A C JA PA RA M ETR Ó W M ETR O L O G IC ZN Y C H U K ŁA D U PO M IA R O W E G O
Z punktu w idzenia zastosow ań ważne są zależności mierzonego natężenia pola m agne
tycznego w funkcji odległości od pow ierzchni badanego ferrom agnetyka. W pom iarach wy
konyw anych zbudow anym i sondami pom iarowym i stosowano odległości pom iarow e od 0 , 1
m m do 1 mm. O dległości m niejszych ze w zględu na m ożliw ość bicia osiow ego mierzonego elem entu nie przyjm ow ano. Poniew aż każdy pom iar zaw iera inform acje o odległości i cy
klicznych zm ianach odległości, w pływ ten m ożna w w ielu przypadkach dokładnie zinterpre
tować po dokonaniu cyfrow ej obróbki sygnału w FFT (Fast Fourier Transform ation). Sztyw ność m ocow ania sondy pom iarowej jest bardzo istotna. Spadek wartości sygnału m ierzonego w funkcji zm ian odległości od badanego elem entu oceniony zostanie sym ulacyjnie na przy
kładzie om awianej sondy z m agnesam i trw ałym i. Lokalizacja przetw ornika pom iarow ego MR je st także bardzo w ażna. Przetw ornik pom iarowy zależnie od położenia w stosunku do bada
nej pow ierzchni (prostopadle lub równolegle) mierzy składowe norm alne Hn lub składowe styczne Ht natężenia pola m agnetycznego. Zm iany m odułu natężenia pola m agnetycznego i jego składow ych w funkcji odległości od badanej powierzchni zam ieszczono na rysunku 4.
•SOflO
-10000
Rys. 4. W yliczone programem FEMM zm iany natężenia pola m agnetycznego w funkcji odległości sondy od pow ierzchni materiału
Fig. 4. Changes o f m agnetic field intensity searcher distance to materiał surface function enumerated with FEMM programme
N a rysunku 5 pokazano zm iany składowej Hn przy powierzchni rozciąganej próbki dla centralnego (sym etrycznego) i niesym etrycznynego usytuow ania m agnetorezystora.
A nalizow ano zm iany natężenia pola m agnetycznego w środkowej strefie ( 8 m m ) sondy w układzie pom iarow ym (sondzie pom iarowej). Pom iar składowej H n m ożliw y je st dla asym e
trycznej lokalizacji przetw ornika m agnetorezystancyjnego. Z apew nia ona regulację progu pom iarow ego sondy w przypadku pom iaru składowej Hn natężenia pola m agnetycznego jak rów nież um ożliw ia pom iar składowej H t. W artośi składowej Hn oraz H t są zależne od para
m etrów m agnesów trw ałych zastosow anych w układzie pom iarow ym . Przetw orniki pom ia
rowe m agnetorezystancyjne m ostkowe produkowane s ą w zakresach pom iarow ych od 0,5kA /m do 7,5kA/m . Do pom iaru składowej Hn pow inny być m ontowane z niew ielką asym etrią w stosunku do m agnesów trw ałych. Inne usytuow anie przetwornika pow oduje jego przesterow anie.
12000
11000
10000
oooo oooo
Rys. 5. Zmiany natężenia składow ych natężenia pola m agnetycznego Fig. 5. Changes o f m agnetic field intensity com posites
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń. 161
W raz ze zm ianam i natężenia pola m agnetycznego na pow ierzchni próbki od naprężeń rozcią
gających zm ieniają się param etry m agnetyczne m ateriału oraz wartość indukcji magnetycznej w próbce. A nalizując program em sym ulacyjnym zm iany indukcji m ateriału badanej próbki ze stali ST3, przeprow adzono w yliczenia indukcji m agnetycznej w odległości 0,5 mm pod bada
nym w ycinkiem pow ierzchni próbki dla trzech stanów naprężeń. W yniki sym ulacji zam iesz
czono w tabeli 2.
Tabela 2 Zm iany indukcji magnetycznej m ateriału pod w pływ em naprężeń
W artość indukcji m agnetycznej 0,5 m m pod b ad an ą pow ierzchnią: stal ST3
o0 [MPa] oi [MPa] o2 [MPa]
0 1 2 0 240
Indukcja [T] 0,2622 0,2887 0,3184
Zm iany m agnetyzacji (m agnesow ania) badanej program em sym ulacyjnym próbki są dobrze widoczne na przykładzie przebiegu linii sił pola m agnetycznego i indukcji. Pod wpływem naprężeń linie sił pola m agnetycznego są w ciągane w m agnesowany obszar próbki. N a obra
zie zm ian indukcji w idoczne je st zaciem nienie obszaru pom iędzy m agnesam i sondy, związa
ne ze w zrostem indukcji m ateriału od naprężeń ja k na rysunku 6.
R y s . 6 . W i z u a l i z a c j a z m i a n r o z k ł a d u s t r u m i e n i a m a g n e t y c z n e g o i in d u k c ji m a g n e t y c z n e j o d n a p r ę ż e ń F ig . 6. V i s u a l i s a t i o n o f c h a n g e s m a g n e t i c f l u x a n d m a g n e t i c in d u c t i o n d i s t r i b u t i o n i n f l u e n c e d b y
s t r e s s e s
6. Z A STO SO W A N IE SO NDY PO M IAR O W E J Z M A G N E TO R EZ Y STO R E M I M A G N E SA M I T R W A ŁY M I DO PO M IARU SIŁ I N A PR Ę ŻEŃ W STALI ST3
Badania prow adzono na próbkach znorm alizowanych przygotow anych do badań w ytrzy
m ałościow ych [4,5,6].
Rys. 7. Widok stanowiska pomiarowego: od góry - zamocowana próbka w m aszynie w ytrzym ałościo
wej z sondą pomiarową, urządzenia pomiarowo - rejestrujące
Fig. 7. V iew o f measurement post - fixed sample with searcher, measure-recording devices
Badania polegające na pom iarze pola m agnetycznego przy pow ierzchni próbki za pom ocą układu pom iarow ego om ów ionego w poprzednim punkcie były potw ierdzeniem możliwości ilościowej oceny zm ian zw iązków m agnetom echanicznych. Badaniom poddano kolejno na
stępujące próbki:
• I - płaska ze stali ST3 o grubości 4 mm i powierzchni przekroju 80 m m 2,
• II- płaska ze stali ST3 o grubości 8 m m i pow ierzchni przekroju 160 m m 2,
• III- płaska ze stali o podwyższonej w ytrzym ałości o grubości 4 mm i pow ierzchni 72 m m 2,
• IV- okrągła ze stali ST3 o średnicy 10 mm i przekroju 78.5 m m 2.
Stanowisko pom iarow e w raz z oprzyrządowaniem przedstawiono na zdjęciu (rys. 7). N a za
m ieszczonych fotografiach przedstaw iono stanowisko pomiarowe, na którym testowano układ pom iarowy. Zasadnicze badania prowadzono na m aszynie w ytrzym ałościow ej M TS sterow a
nej elektronicznie. Badane próbki obciążano przebiegami wolno zm iennym i od 0,1 Hz aż po granicę param etrów technicznych m aszyny, to jest do 50 Hz. W yniki pom iarów układem po
m iarowym z m agnetorezystorem zam ieszczono na rysunkach 8 +9.
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń.. 163
Rys. 8. Pomiar sondą pom iarow ą sił cyklicznie naprężających próbkę Fig. 8. M easurement o f periodical tensile forces
W yniki pom iarów w ykazały, że dla obciążeń nie przekraczających 30% granicy spręży
stości Re (dla stali ST3) w ystępuje liniowa zm iana m agnetyzacji od naprężeń. Liniow ość ta traci sym etrię pom iędzy ściskaniem i rozciąganiem ju ż od siły 5 kN (dla próbki o przekroju 87.5 m m 2)
SPO SÓ B OBCIĄŻANIA PR Ó B K I
Rys. 9. Pomiar częstotliwości obciążeń sondą pomiarową Fig. 9. Measurement of tension frequency done
Badania potw ierdziły m ożliw ość zastosow ania układu pom iarowego do pom iaru bezsty- kowego częstotliw ości drgań, a także pom iaru siły (z w arunkiem skalow ania układu pom ia
rowego dla konkretnego gatunku stali).
W iększość ferrom agnetyków cechuje liniowość zm ian param etrów m agnetycznych w stosunku do naprężeń w dolnych zakresach naprężeń sprężystych. Param etry obciążeń gra
nicznych dla stali St3 zam ieszczono na rysunku 10.
■+/-4KN 20Hz
+/-1KN 50 Hz
P R U S E
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń.. 165
Rys. 10. Krzywa rozciągania Fig. 10. Stretching curve
Podstaw ow ym i param etram i charakteryzującym i rozciąganą próbkę są:
granica proporcjonalności Rp, - granica sprężystości Rs,
granica plastyczności Rq,
- granica w ytrzym ałości na rozciąganie Rr, punkt rozerw ania próbki Z,
e w ydłużenie jednostkow e,
- Ep w ydłużenie dla zakresu proporcjonalności, - er wydłużenie maksymalne.
C harakterystyki otrzym ane z badań m agnetom echanicznych dla próbki o przekroju okrągłym w ykonane na stanow isku M TS za pom ocą sondy pom iarowej zam ieszczono na rysunku 11 C zęstotliw ościow ą charakterystykę zm ian m agnetom echanicznych zam ieszczono na rysunku
1 2.
Rys. 11. Przebieg napięcia sondy pomiarowej w funkcji naprężeń Fig. 11. Course o f instrument stalk tension in the stress function
Rys. 12. W pływ częstotliw ości obciążeń na napięcie w yjściow e sondy pomiarowej Fig. 12. Influence o f frequency on characteristics o f instrument stalk conversion
Przetw orniki pom iaru sił i naprężeń.. 167
7. W N IO SK I
Przedstaw ione analizy sym ulacyjne układu pom iarow ego z m agnesam i trw ałym i i magne- torezystoerem potw ierdzają słuszność w yboru m etod elem entów skończonych (FEM M ) w analizie pola m agnetycznego układu pom iarowego. M etody sym ulacyjne znacznie przyspie
szają proces badania i w eryfikacji w yników pom iarów stanowiskow ych. Zastosow anie prze
tw orników pom iarow ych param etrycznych, jakim i są m agneto- rezystancyjne mostkowe przetw orniki pom iarow e upraszczają układy pom iarowe i sam proces pom iaru. Zam ieszczone w yniki badań przeprow adzonych n a m aszynie w ytrzym ałościow ej potw ierdzają użyteczność sondy pom iarowej.
Literatura
1. Etienne du Trem olet de Lacheisserie, Theory and A pplications o f M agnetoelasticity, CRC PRESS - Boca Raton, A nn Arbor, Boston, London 1992.
2. H inz G., V oigt H., Sensors.: A com prehensive survey - M agnetoelastic sensors, Vacuum- schm elze Gm bH , Edited by V CH V erlagsgesellschaft GmbH FRG 1990, s 99-102, s. 131.
3. ŻU REK Z.H .: U żyteczność w ybranych m etod i narzędzi pom iarow ych w diagnostyce technicznej. X X VII O gólnopolskie Sym pozjum D iagnostyka M aszyn, Politechnika Śląska -W ęg iersk a G órka 2000.
4. ŻU REK Z.H .: Przetw orniki m agnetorezystancyjne pola m agnetycznego w badaniach sta
nów naprężeń m echanicznych próbki stalowej. Politechnika Śląska, N ow e technologie i materiały w m etalurgii i inżynierii m ateriałowej, VIII Sem inarium N aukow e, Katowice 2000.
5. ŻU REK Z.H.: Cienkow arstw ow e czujniki m agnetorezystancyjne jako narzędzia pom iaro
we w diagnostyce technicznej. Politechnika W rocławska, XXXVI M iędzynarodow e S ym pozjum N aukow e M aszyn Elektrycznych, SM E ’ 2000.
6. ŻU REK Z.H .: Pom iary sił i naprężeń w stalach w ęglow ych w oparciu o m agnetom echa- niczny efekt V illariego. Politechnika Śląska, N ow e technologie i m ateriały w metalurgii i inżynierii m ateriałow ej, IX Sem inarium Naukow e, Katow ice 2001.
7. ŻU R EK Z.H .: Efekty m agnetyczne użyteczne w diagnostyce technicznej. Politechnika Śląska, X X X V II M iędzynarodow e Sym pozjum M aszyn Elektrycznych, S M E ’ 2001.
8. TU M A ŃSK I S.: Cienkow arstw ow e czujniki m agnetorezystancyjne. O ficyna W ydawnicza P olitechniki W arszawskiej, W arszaw a 1997.
9. BO ZO RTH Richard M.: Ferrom agnetism , The Institute o f Electrical and Electronics En
gineers. IEEE M agnetics Society, Sponsor, Inc., N ew York 1993.
10. ŻU REK Z.H.: Sonda defektoskopu m agnetycznego. Zgłoszenie patentow e P 344 955.
Politechnika Śląska, G liwice 2000.
Recenzent: Prof, dr hab. Jó z ef Rasek
A bstract
The paper presents the sim ulation analysis o f m easuring system w ith perm anent magnet and m agneto- resistor. The analysis proved that FEM M M ethods (Finite Elem ent M ethods) in m agnetic field analysis o f m easuring system should be chosen. The sim ulation m ethods has
ten and facilitate the process o f research and stand m easurem ents results verification. U sing o f m agnetoresistant - bridge - m easuring transducers sim plifies the m easuring system s and the m easuring process. The usefulness o f m easuring probe is confirm ed by presented results o f the strength m achine research.
