4.8. Индуктивные датчики

4.8.1. Индуктивный датчик на дросселе

Индуктивные датчики относятся к классу параметрических. Индуктивные датчики основаны на изменении индуктивного сопротивления электромагнитного дросселя при перемещении одной из подвижных частей (обычно якоря). Их применяют для измерения малых угловых и линейных перемещений.

Рис. 34. Схема индуктивного датчика для измерения перемещения

Рис. 34. Схема индуктивного датчика для измерения перемещения

Индуктивный датчик на рисунке представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором между якорем и сердечником, на котором расположена обмотка, включенная последовательно с нагрузкой Rн. Такой датчик имеет высокую чувствительность и реагирует на изменение зазора d в диапазоне 0,1-0,5 мкм. При измерении больших перемещений используют датчики с переменной площадью зазара или разомкнутой магнитной цепью.

При малом зазоре рассеяние мало, поэтому  отсюда индуктивного сопротивления дросселя -  для дросселя выполняется соотношение .

Выходное напряжение датчика:

Рис. 35. Характеристика индуктивного датчика

Рис. 35. Характеристика индуктивного датчика

На рис. 35 показана статическая характеристика датчика.  - рабочий участок. Особенности характеристики:

  1. характеристика имеет 2 нелинейных участках (верхний и нижний загибы);
  2. нижний участок обусловлен тем, что при очень малых зазорах магнитное сопротивление сердечника и якоря того же порядка, что и сопротивление зазора и пренебрегать ими нельзя;
  3. верхний участок обусловлен наличием активного сопротивления обмотки, который ограничивает нарастание тока в цепи. Активные сопротивления становятся сравнимыми с индуктивным  при больших зазорах.

Чувствительность датчика. ,

где  - начальный воздушный зазор, характеризующий выбор рабочей точки.

Достоинства: Простота и прочность конструкций, надежность в работе (т.к. отсутствуют скользящие контакт), возможность подключения к источникам промышленной частоты, относительно большая величина мощности на выходе преобразователя (несколько десятков ватт), поэтому можно подключать контрольный прибор непосредственно преобразователю

Недостатки:  Ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения; возможность работы только на относительно низких частотах до 3000 - 5000 Гц, т.к. на высоких резко растут потери в стали на перемагничивание и вихревые токи; необходимо устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, начальный ток I; значительная нелинейность; есть напряжение холостого хода.

4.8.2. Дифференциальные индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики (ДИД) представляют собой совокупность двух нереверсивных датчиков. Выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Рис 36.

Рис. 36. Дифференциальный индуктивный датчик с фазочувствительным выпрямителям

Рис. 36. Дифференциальный индуктивный датчик с фазочувствительным выпрямителям

Элементы схемы ДИД: 1 - якорь; 2 - сердечники; 3 - катушки; 4 - выпрямитель; 5 - измерительная обмотка; 6 - трансформатор питания; 7 – измерительный прибор.

Рис. 37. Характеристика ДИД: 1 и 2 - характеристики нереверсивных датчиков; 4 – характеристика ДИД

Рис. 37. Характеристика ДИД:  1 и 2 - характеристики нереверсивных датчиков; 4 – характеристика ДИД

При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить реверсивную характеристику с нулевой отметкой по середине шкалы. При симметричном положении якоря в обмотках воздушные зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления одинаковы, значит и величины токов в катушке одинаковы . В итоге результирующий ток . разностной магнитный поток не создается, в измерительной обмотке ЭДС не индуктируется.

При смещении якоря от нейтрального положения магнитное сопротивление от одной из обмоток, например, увеличивается, другой уменьшается, в сердечнике создается разностный магнитный поток, в измерительной обмотке наводится переменный ЭДС, фаза зависит от направления смещения. ЭДС подается на выпрямитель, прибор показывает величину и направление смещения якоря. Рассмотренные ДИД применяются для измерения перемещения порядка долей и десятых долей миллиметра. Минимально возможно воздушный зазор  по конструктивным условиям выбирается порядка 0,2 - 0,5 мм.

Достоинства ДИД: большой линейной участок, рабочее перемещение увеличивается до ; чувствительность схемы в 2 раза больше;. большой коэффициент усиления; компенсируются погрешности) от притяжения, колебаний питающего напряжения и температуры окружающей среды

Недостатки:  Большая инерционность, большие размеры, небольшой кпд.

4.8.3. Трансформаторные датчики

Это - датчики генераторного типа. Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении индуктивности катушек при перемещении якоря.

Особенность трансформаторных датчиков - отсутствует электрическая связь между цепью питания (возбуждение) и измерительной цепью, это позволяет получить любое напряжение на выходе нагрузки независимо от величины напряжения источника питания.

Наибольшее распространение  получили дифференциальные трансформаторные датчики (ДТД), представляющие собой 2 трансформатора с общим подвижным якорем. Рис.38.

Рис. 38. Дифференциальный трансформаторный датчик.

Рис. 38. Дифференциальный трансформаторный датчик

При симметричном положении якоря в выходной обмотке  от обмоток Т1  и Т2 наводятся одинаковые и противоположные по знаку ЭДС.

При смещении якоря от нейтрального положения ЭДС от одной из обмоток, , увеличивается, а другой уменьшается, на выходе создается разностная ЭДС, фаза которой зависит от направления смещения.

Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругого датчика основан на явлении изменения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов в зависимости от величины механических напряжений, возникающих в них. Если к сердечнику приложить сжимающее, растягивающие, изгибающие, скручивающие усилия, то под действия этих усилий произойдет изменение магнитной проницаемости μ - сердечника, что вызывает изменение магнитного сопротивления Rм сердечника, при этом изменяется индуктивность катушки, помещенной на сердечник и ее полное сопротивление.

Магнитоупругих датчики могут быть индуктивными, трансформаторными и индукционными, т.е. в качестве выходной величины могут быть изменения индуктивности и взаимоиндуктивности и выполняются как из сплошного материала, так и из наборных сердечников. Эти датчики имеют высокую чувствительность, но необходимо компенсировать температурную погрешность и  погрешности из-за гистерезиса.

Наряду с магнитоупругим эффектом существует магнитострикционный эффект; это явление обратное магнитоупругому эффекту состоит в том, что внешнее магнитное поле вызывает механические деформации ферромагнитного материала.

Технические средства автоматизации и управления


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.