Индуктивные датчики

метки: Индуктивный, Датчик, Применение, Схема, Изменение, Область, Принцип, Действие

В современном производстве все большую роль играют технические измерения. В современной технике производственных измерений наибольшую долю занимают электронные измерительные устройства для линейных измерений. Среди последних наибольшее распространение получили индуктивные измерительные устройства.

Индуктивные измерительные устройства, использующие преобразование измеряемой величины в изменение параметров катушки индуктивного датчика, применяются для измерения и контроля разнообразных параметров технологических процессов. Однако наиболее распространенными и совершенными с метрологической точки зрения являются индуктивные измерительные устройства для линейных перемещений. Именно последние и будут являться основным предметом дальнейшего рассмотрения.

В нашей стране индуктивные измерительные устройства для линейных измерений получают все более широкое распространение. Отечественные инструментальные заводы за последние годы освоили серийный выпуск весьма совершенных индуктивных измерительных приборов и систем для автоматизации высокоточных линейных измерений. Индуктивные измерительные устройства имеют высокую точность измерений, позволяют получить унифицированный электрический сигнал, пропорциональный результатам измерений, в аналоговой или цифровой форме для использования в автоматизированных системах управления; имеют возможность автоматического управления исполнительными объектами по результатам контроля, в том числе непосредственно в процессе выполнения технологической операции.

Большое распространение индуктивные измерительные устройства получили и за рубежом, где они занимают ведущее место в производственных программах инструментальных фирм как по номенклатуре, так и по объему.

Характерной особенностью индуктивных измерительных устройств зарубежных фирм является выпуск измерительных приборов во многих вариантах для решения разнообразных измерительных задач, например в исполнении для визуального отсчета; с управляющими командами при их различном количестве; для контроля погрешности формы; с вычислением статистических характеристик из результатов измерений и т. д. В состав гаммы индуктивных измерительных устройств входит или отдельный самописец или индуктивный самопишущий прибор. Приборы имеют возможность использования в автоматизированных системах обработки информации. Значительное внимание уделяется приборам управляющего контроля в процессе обработки, которые выпускаются в нескольких модификациях.

Визуальный и измерительный контроль сварных соединений

... а — измерение размера притупления кромки; б — измерение зазора в соединении. Порядок выполнения визуального и измерительного контроля сварных соединений (наплавок) Послойный визуальный контроль в ... и измерительный контроль проводят невооруженным глазом и (или) с применением визуально-оптических приборов (луп, микроскопов). Поверхности материалов и сварных соединений (наплавок) перед контролем ...

Для зарубежных индуктивных измерительных устройств характерно значительное число моделей индуктивных датчиков, как правило, используемых со всеми индуктивными устройствами данной фирмы. Все большее распространение получают приборы с цифровым отсчетом.

Несмотря на широкое распространение индуктивных измерительных устройств в технике производственных измерений, в их разработке в настоящее время господствует экспериментальный подход, при котором выбор конструктивных и схемных решений индуктивного устройства в основном базируется на опыте разработчика и данных экспериментальных исследований. В результате конструктивные и схемные решения устройств различных разработчиков (а порой и одного разработчика) существенно отличаются друг от друга при близких технических и эксплуатационных характеристиках устройств.

Наибольшую сложность при разра ботке индуктивного измерительного устройства представляет оптимизация конструкции индуктивного датчика. Применяемые для расчета последних выводы электромагнитной теории цепей не учитывают метрологическую сущность индуктивного датчика и не устанавливают в очевидной форме связь его конструктивных и метрологических характеристик. Это приводит к возможности осуществления для индуктивного датчика лишь приближенного проверочного расчета градуировочной характеристики при его известной конструкции.

Необходимо отметить, что задача синтеза индуктивного измерительного устройства является эвристической задачей, решаемой методом «предвидеть — подтвердить» и имеющей целью создание индуктивного преобразователя с наилучшими метрологическими характеристиками. Решение этой задачи наиболее сложно для индуктивного датчика перемещений ввиду существования большого числа различных конструктивных вариантов датчика, обеспечивающих требуемые метрологические характеристики.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ИХ РАЗНОВИДНОСТИ

Принцип действия индуктивных датчиков заключается в преобразовании величины измеряемого размера в полное сопротивление катушки индуктивности. Такой датчик представляет собой катушку индуктивности или взаимной индуктивности того или иного вида.

Наиболее часто в качестве датчиков размера используются катушки индуктивности с ферромагнитными сердечниками. Индуктивность такой катушки при малых величинах немагнитных зазоров в магнитопроводе описывается формулой

где µ ₀ =4π·10^-7 — магнитная постоянная; ω — число витков катушки; l_c , s_c , µ_c — длина, площадь сечения и относительная магнитная проницаемость участков ферромагнитного сердечника соответственно; l_з , s_з — длина и площадь немагнитных зазоров в сердечнике.

Из формулы следует, что при изменении длины l _з или площади s_з немагнитных зазоров в сердечнике изменяется индуктивность катушки. Этот принцип и используется в индуктивных датчиках с переменным зазором (а) и переменной площадью (б).

Пусть с изменением измеряемого размера связано изменение длины немагнитного зазора l_з (а).

Катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы

... Измерителем индуктивности называется прибор для измерения индуктивности катушек, дросселей, обмоток трансформаторов, а также сопротивления активных потерь катушек. Наиболее широкое применение находят измерители индуктивности, работа ... до десятков Гн. Другие основные параметры катушки индуктивности: добротность Q (отношение индуктивного сопротивления к активному), собственная емкость, механическая ...

В этом случае при изменении зазора l_з произойдет относительное изменение индуктивности L:

Поскольку для катушки с сердечником обычно µ _c >>1 и s_c ≈s_a , то последнее выражение можно представить в виде

С помощью электрических методов можно измерить δL= 0,1 ÷ 0,01%, что эквивалентно относительному изменению δl _з = 0,001 ÷ 0,0001. Если мы используем катушку индуктивности, для которой l_з =0,5 мм, то минимальные изменения размера, которые удается измерить, будут составлять 0,5 — 0,05 мкм. Таким образом, представляется возможным создание на базе катушки индуктивности высокочувствительного измерительного преобразователя перемещений и размеров.

На рисунках а и б приведены схемы контактного датчика размера с катушкой индуктивности, имеющей ферромагнитный сердечник. Сердечник катушки разделен на две части — неподвижную, называемую собственно сердечником и несущую катушку индуктивности, и подвижную, закрепленную на измерительном стержне и называемую якорем. Изменение размера детали или ее перемещение приводит к перемещению якоря относительно сердечника и к изменению немагнитного зазора в магнитопроводе катушки. Последнее вызывает изменение индуктивности катушки и, следовательно, изменение ее полного сопротивления:

где R _п — активное сопротивление потерь катушки; ω=2πf — круговая частота питающего катушку тока; f — частота питающего тока.

Рис.1. Принципиальные схемы индуктивных датчиков

Можно построить и бесконтактный индуктивный датчик, используя схему, приведенную на рис. 1 а и б. В этом случае якорем служит сама контролируемая деталь, и через нее замыкается магнитный поток, создаваемый катушкой в сердечнике. Изменение размера детали ведет к изменению зазора l _з и к изменению индуктивности катушки L. По бесконтактной схеме можно контролировать как ферромагнитные, так и неферромагнитные металлические детали. В последнем случае датчик работает с использованием эффекта вихревых токов.

Индуктивный датчик может быть построен по схеме с перемещением в магнитном поле катушки ферромагнитного разомкнутого сердечника рис. в. Такие датчики называют соленоидными.

Разновидности индуктивных датчиков

Существует много различных типов индуктивных датчиков перемещений.

По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные.

Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный — две. В дифференциальном датчике при изменении сверяемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком (зеркально).

Принципиальная схема одинарного индуктивного датчика показана на рис. 2:

Рис.2. Принципиальные схемы индуктивных датчиков:

одинарный (а) и дифференциальный (б).

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис.26) состоит из двух одинаковых простых преобразователей. Под действием входной величины ΔL полное сопротивление обоих преобразователей изменяется зеркально, т. е. на одну и ту же величину, но с разным знаком. Схема включения дифференциального преобразователя реагирует на алгебраическую разность полных сопротивлений, за счёт чего у дифференциального преобразователя чувствительность повышается в 2 раза по сравнению с одинарным. Последнее справедливо при одинаковых конструктивных параметрах преобразователей.

Датчики управления двигателем автомобиля

... индуктивных устройств (рис. 1ш, щ) -- недорогие и чрезвычайно надежные, они не требуют потребления энергии, дефицит которой становится все более серьезной проблемой новых автомобилей. Датчики ... датчики скорости Delphi; р -- модульные датчики нулевой скорости MHS Honeywell Сегодня индустрия полупроводниковых датчиков уже использует второе поколение активных сенсорных технологий, включающих схемы ...

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Схема включения индуктивного датчика перемещений осуществляет его согласование с электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электрические вторичные измерительные преобразователи индуктивных измерительных устройств являются общими для самых разнообразных электрических устройств, предназначенных для измерения различных неэлектрических величин. Такие преобразователи достаточно подробно рассмотрены в литературе. Поэтому ниже мы ограничимся рассмотрением только схем включения индуктивных датчиков перемещений, нашедших применение в современных индуктивных измерительных устройствах.

В любую схему включения индуктивный датчик размера может входить либо непосредственно, либо в составе резонансного контура параллельного или последовательного. Применение включения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев повысить чувствительность измерения и улучшить линейность характеристики датчика. С этой точки зрения все схемы включения индуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в которых индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резонансные, в которых индуктивный датчик входит в схему в составе колебательного контура.

Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения индуктивных датчиков:

1)последовательную (схема генератора тока);

2)схему делителя напряжения;

3)мостовую;

4)частотную;

5)трансформаторную.

Применяемый тип схемы зависит от того, какой датчик применяется — индуктивный или взаимоиндуктивный. Кроме того, вид схемы одного и того же типа изменяется при включении простого и дифференциального датчика.

Последовательные схемы включения. Варианты последовательных схем показаны на рис.3:

Рис.3. Последовательные схемы включения индуктивных датчиков.

Индуктивный датчик L _Д питается переменным напряжением U_П . Величина тока в датчике при постоянной величине питающего напряжения будет зависеть от его сопротивления.

Схема чувствительна к изменению напряжения питания U _П и частоты питающего тока f.

Таким образом, в последовательной схеме включения относительное изменение тока в цепи равно относительному изменению полного сопротивления индуктивного преобразователя, а относительная нестабильность тока равна сумме относительных нестабильностей напряжения питания и частоты питающего тока.

Используя простую последовательную схему включения индуктивного датчика, нельзя получить высокую чувствительность и точность измерений.

Последовательная схема может быть безрезонансной (рис. 3а) и резонансной (рис. 3б).

В резонансной схеме ток в цепи будет определяться сопротивлением резонансного контура, состоящего из индуктивности датчика L _Д и конденсатора С. При изменении L_Д это сопротивление меняется, вызывая изменение тока. Если частота питающего напряжения f совпадает с собственной частотой колебательного контура , то сопротивление последовательного колебательного контура (рис. 3б) минимально, а параллельного (рис. 3в) — максимально. При изменении индуктивности датчика L_Д равенство частот будет нарушено, и сопротивление последовательного контура будет увеличиваться, а параллельного — уменьшаться. Соответствующим образом будет изменяться и ток в цепи. Чувствительность резонансной последовательной схемы в несколько раз выше чувствительности безрезонансной последовательной схемы.

Электрические датчики неэлектрических величин

... Существуют множество схемы включения датчиков. Некоторые из них приведены ниже. Рисунок 3. Схемы включения резисторных датчиков. Наиболее простой является реостатная схема (рис. 3, ... Индуктивный датчик с изменяющимся зазором Рисунок 6. Индуктивный датчик с изменяющейся площадью зазораЕсли пренебречь магнитным сопротивлением стали, потоками рассеяния и выпучивания, то индуктивность обмотки равна: Ток ...

Вариант последовательной схемы для включения дифференциального датчика показан на следующем рисунке:

Рис.4. Последовательная схема включения дифференциального датчика.

Каждая половина датчика L _Д ‘ и L_Д » питается переменным током с напряжением U_П . При изменении измеряемого размера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается на одну и ту же величину. Соответствующим образом изменяются токи в цепях обмоток датчиков. Эти токи i₁ и i₂ выпрямляются диодами Д₁ —Д₄ и Д₅ —Д₈ и во встречной полярности протекают через измеритель тока А. Измеритель тока будет показывать разницу токов в цепях обмоток L_Д ‘ и L_Д » ΔI=i₁ – i₂ . При равенстве полных сопротивлений Z_д ‘ = Z_д » токи в их цепях будут равны, и амперметр А покажет нуль. При изменении измеряемого размера равенство сопротивлений нарушится, и показания амперметра будут отличаться от нуля.