Магнитоупругими материалами называются магнитные материалы (магнетики), у которых проявляется магнитоупругий эффект — явление, заключающееся в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформаций. Это явление иначе называют эффектом Виллари – по имени открывшего его в 1865 г. итальянского физика Э. Виллари.
Магнитоупругий эффект обратен магнитострикционному эффекту. Ферромагнетики, например, Ni, которые при намагничивании уменьшаются в размерах (отрицательный магнитострикционный эффект), при растяжении соответственно уменьшают свою намагниченность (отрицательный магнитоупругий эффект). Наоборот, ферромагнетики, например, сплав Ni (65 %) – Fe (35 %), которые при намагничивании увеличиваются в размерах (положительный магнитострикционный эффект), при растяжении соответственно увеличивают свою намагниченность (положительный магнитоупругий эффект). При сжатии знак магнитоупругого эффекта меняется на обратный.
В состоянии полного размагничивания ферромагнитный образец состоит из большого числа доменов, каждый из которых намагничен до насыщения, но при этом их векторы намагниченности Js направлены так, что суммарный магнитный момент образца равен нулю. Намагничивание в ферромагнетике заключается в переориентации векторов намагниченности доменов в направлении приложенного магнитного поля. Магнитоупругий эффект объясняется тем, что при действии механических напряжений изменяется доменная структура ферромагнетика, определяющая его намагниченность.
Магнитоупругие материалы применяются для создания магнитоупругих датчиков, действие которых основано на использовании зависимости магнитных характеристик магнитоупругих материалов (например, пермаллоя 45% Ni + 55 % Fe) от механических напряжений в них.
Рис. 1. Схема магнитоупругого датчика
На рис. 1 показана простейшая конструкция магнитоупругого датчика. Он представляет собой измерительный преобразователь механических усилий (деформаций) или давления в электрический сигнал. Рабочим элементом датчика является магнитопровод, на котором расположены обмотки. Магнитопровод укрепляется на поверхности детали в направлении действующих усилий или деформаций. Первичная обмотка питается переменным током, в результате чего магнитопровод намагничивается. Во вторичной (измерительной) обмотке возникает индукционный ток, который измеряется специальным прибором. Если деталь начнет деформироваться, то вместе с ней будет деформироваться и магнитопровод, что приведёт к изменению его намагниченности и, следовательно, индукционного тока во вторичной обмотке. По изменениям индукционного тока определяется величина и характер деформации, возникающей в испытуемой детали.
Магнитоупругие датчики наиболее эффективно применять для измерения малых деформаций в твёрдых телах, а также давлений жидкостей и газов, когда требуется высокая чувствительность измерений.
На рис. 2 показана конструкция датчика измерителя давления, предназначенного для непрерывного контроля давления промывочной жидкости в буровом насосе. Датчик с помощью тройника 11 устанавливается в напорную магистраль насоса и закрепляется гайкой 10. Датчик работает по схеме магнитоупругого датчика усилий:
F = рS,
где р – давление в напорной магистрали;
S – площадь дна сильфона 1, прижатого к торцу чувствительного (магнитоупругого) элемента 2.
Рис. 2. Датчик давления жидкости: 1 – сильфон; 2 – чувствительный элемент; 3 – компенсационный элемент; 4 – катушка; 5 – сильфон; 6 – магнитопровод; 7 – штепсельный разъем; 8 – катушка; 9 – магнитопровод; 10 – гайка; 11 – тройник
Элемент 2 является измерительным, элемент 3 – компенсационным. Катушки 8 (измерительная) и 4 (компенсационная) размещены внутри магнитопроводов 6 и 9, соединены между собой встречно и подключены к штепсельному разъему 7. Электрический сигнал от датчика подается через выпрямитель на измерительный прибор.
Достоинством магнитоупругих датчиков является высокая чувствительность, а также возможность измерять большие усилия (до нескольких тысяч тонн).