Такие сис­темы наиболее распространены. Электромагнитные датчики могут быть использованы для определения положения стыка без раздел­ки кромок, кромки верхнего листа нахлесточного соединения, скосов кромок; для измерения расстояния до поверхности свари­ваемых элементов, ширины зазора, величины превышения кро­мок; для определения положения начала и конца свариваемого изделия или прихваток.

Выбирая разные положения датчиков относительно поверхно­стей свариваемых элементов, можно использовать эти датчики при сварке разных соединений (рисунок 4.34).

Простейший электромагнитный датчик состоит из Ш-образной магнитной системы и трех обмоток (рисунок 4.35, а). Обмотка 2, расположенная на среднем стержне, питается от источника тока повышенной частоты. Переменное магнитное поле, создаваемое обмоткой, наводит в свариваемом изделии вихревые токи. Непро­водящий зазор между деталями разделяет вихревые токи на два контура (рисунок 4.35, б). Результирующее магнитное поле датчика создается не только током, протекающим в обмотке 2, но и вих­ревыми токами.

При симметричном относительно датчика расположении зазо­ра контуры вихревых токов равны, симметричны и I 1 =I 2 . Соот­ветственно равны магнитные потоки Ф 1 и Ф 2 и наводимые ими ЭДС в измерительных обмотках 1 и 3. При встречном включении обмоток 1 и 3 наводимые в них ЭДС компенсируются, и сигнал на выходе датчика равен нулю.

а - схема датчика; б, в - симметричное и несимметричное расположение вих­ревых токов относительно стыка; 1, 3 - измерительные обмотки; 2 - обмотка возбуждения; Ф 1 , Ф 2 - магнитные потоки; I 1 , I 2 - вихревые токи; Ε - ЭДС

Рисунок 4.35 – Принцип работы электромагнитного датчика

При несимметричном расположении датчика относительно сты­ка (рисунок 4.35, в) контуры вихревых токов оказываются различны­ми токи I 1 и Ι 2 . Это приводит к нарушению равенства магнитных потоков Ф 1 и Ф 2 и возникновению на выходе датчика ЭДС Е, сигнализирующей об отклонении средней плоскости датчика от плоскости стыка. Направление отклонения датчика от стыка вид­но по сдвигу фазы ЭДС относительно тока, протекающего в об­мотке 2. При изменении направления отклонения на противопо­ложное фазовый сдвиг ЭДС изменяется на 180°.

Электромагнитные датчики наиболее широко применяют для определения положения стыка при сварке стыковых соединений без разделки кромок.

На выходной сигнал датчика влияют координаты стыка; от­клонения геометрических параметров соединения, подготовлен­ного под сварку; качество подготовки заготовок; различия элект­рических и магнитных свойств материала заготовок, вызванные изменениями химического состава и условиями предварительной механической обработки; характеристики окружающей сре­ды и процесса.

При сварке стыковых швов значительное влияние на выход­ной сигнал датчика оказывает взаимное превышение кромок. Чтобы уменьшить погрешность датчика, возникающую при пре­вышении кромок, используют различные схемные и конструк­тивные способы компенсации. Один из них основан на различии фазы сигнала, получаемого от датчика, если он смещен относи­тельно стыка при отсутствии или при наличии превышения кро­мок. Для компенсации превышений фаза опорного сигнала, пода­ваемого на фазовый детектор, подбирается так, чтобы она отли­чалась на 90° от составляющей фазы выходного сигнала датчика, вызванной превышением кромок. При этом выходной сигнал дат­чика практически не зависит от величины превышения кромок.

В последние годы появляются системы со сканирующими элек­тромагнитными датчиками, которые (в сочетании с обработкой сигнала датчика средствами вычислительной техники) позволя­ют расширить возможности электромагнитного метода измерения.

Частота напряжения питания обмотки возбуждения электро­магнитных датчиков может быть от одного до нескольких десят­ков килогерц. Это позволяет свести к минимуму влияние на вы­ходной сигнал (датчика) электромагнитных полей промышлен­ной частоты и сделать датчики работоспособными на магнитных и немагнитных материалах.

Для реализации задач геометрической и технологической адап­тации сварочных автоматов и роботов наряду с решением задачи ориентации сварочного инструмента на стык необходимо также получать информацию о геометрических параметрах стыка. Решить эти задачи позволяет дифференциальный электромагнитный дат­чик, состоящий из двух параллельно расположенных стерж­невых прямоугольных ферритовых сердечников 1 (рисунок 4.36). На концах сердечников намотаны по одной секции генераторных ка­тушек 2, последовательно встречно подключенных к генератору синусоидального высокочастотного напряжения U on . Создаваемый ими переменный магнитный поток в магнитопроводах имеет про­тивоположное направление. Индикаторные катушки 4 и 5 закреп­лены соосно между полюсами магнитопровода, расположенными над свариваемым стыком. На нижних концах ферритового сердеч­ника намотаны две другие индикаторные катушки 3 и 6. Ось датчика располагается перпендикулярно плоскости стыка, образо­ванного деталями.

1 - сердечник; 2 - генераторная (возбуждающая) катушка; 3-6 - индикатор­ные катушки; 7 - разновысокие кромки; а - расстояние между кромками; h - расстояние от датчика до стыка; Δχ - смещение стыка относительно оси датчи­ка; ДА - превышение кромок; U on - опорное напряжение; U 1 - U 6 - напряже­ние на катушках

Рисунок 4.36 – Схема электромагнитного дифференциального датчика поло­жения свариваемого стыка

При отсутствии изделия создаваемый катушкой 2 магнитный поток замыкается через воздушный зазор у полюсов магнитопроводов, образуя замкнутый контур. Разностные сигналы ЭДС индикаторных катушек 4, 5 и 3, 6 равны нулю. Магнитный поток в датчике можно разделить на два зависящих один от другого потока: основной поток, который замыкается по полному кон­туру между торцами магнитопроводов, и поток рассеяния, кото­рый сосредоточен в основном между внутренними гранями у по­люсов. При введении изделия со стыком под датчик основной поток с торца входит в металл и вызывает в нем появление вих­ревых потоков, которые создают противодействующий (размаг­ничивающий) магнитный поток. Таким образом, основной по­ток с торцов магнитопроводов - это обратная функция размаг­ничивающего потока вихревых потоков, а поток рассеяния с внутренних граней - прямая функция. Если ось датчика распо­ложена в плоскости стыка, то дифференциальные сигналы ин­дикаторных катушек 4, 5 и 3, 6 равны нулю. Смещение стыка Δχ от плоскости симметрии датчика приводит к перераспределе­нию размагничивающего действия пластин под полюсами магнитопроводов и, следовательно, изменяется основной поток рассеяния (изменения их разнополярные). Поток магнитопровода, в сторону которого наблюдается смещение стыка, будет испы­тывать большее размагничивание в силу большей концентрации вихревых потоков под ним. Появятся разностные сигналы на индикаторных катушках 4, 5 и 3, 6.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для путеизмерения, автоматизированного контроля и управления движения. Цель изобретения - повышение точности электромагнитного датчика перемещения, который содержит два сердечника, обращенные один к другому своими стержнями и установленные с воздушным зазором один относительно другого, а также размещенные на них обмотки, соединенные последовательно - согласно. Имеется также постоянный магнит прямоугольного сечения, прикрепленный между торцами крайних стержней обоих сердечников. Другая пара крайних стержней обоих сердечников отделена воздушными зазорами от подвижного объекта контроля, который выполнен зубчатым, например, в виде ферромагнитной шестерни. Максимальная величина этого зазора меньше зазора между средними стержнями обоих сердечников. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для путеизмерения, автоматизированного контроля и управления движения.

Известно устройство для измерения перемещения (1), содержащее колесо с размещенными на нем стержневыми магнитами с прямоугольным сечением, измерительный преобразователь, выполненный из n пар встречно-параллельно соединенных катушек с ферромагнитными сердечниками, измерительные и компенсационные катушки, размещенные на неподвижном кронштейне с равным шагом по соответствующим дугам окружностей.

Недостатком известного устройства для измерения перемещения является сложность изготовления специального колеса с множеством стержневых магнитов и неподвижного кронштейна с множеством пар катушек индуктивности, что значительно усложняет конструкцию этого устройства.

Наиболее близким техническим решением является дифференциальный трансформаторный датчик перемещения, содержащий два Ш-образных сердечника, обращенных один к другому своими стержнями, размещенную на среднем стержне одного из них первичную обмотку и соединенные встречно-последовательно две секции вторичной обмотки и якорь, размещенный в зазоре между сердечниками, выполненный в виде нескольких ферромагнитных пластин (2).

Недостатком данной конструкции является необходимость специального подвижного якоря, ферромагнитные пластины которого расположены специальным образом, и кроме того, необходимость питания обмотки возбуждения, что, как следствие, ведет к усложнению конструкции, так как это требует большого количества деталей и низкой точности измерения.

Целью изобретения является упрощение конструкции, обеспечение универсальности и повышение точности.

Указанная цель достигается тем, что в электромагнитном датчике перемещения содержатся два сердечника, обращенных один к другому своими стержнями, установленными с воздушным зазором друг относительно друга, с размещенными на них обмотками, соединенными последовательно, сердечники которого согласно изобретению выполнены F-образными и снабжены постоянными магнитами прямоугольного сечения, прикрепленными к торцам крайних стержней и ориентированных к ним одноименными полюсами, а обмотки размещены соответственно на полюсах обоих сердечников и соединены между собой согласно-последовательно, причем полюса сердечников установлены с воздушным зазором относительно подвижного элемента привода контролируемого устройства, например, ферромагнитной шестерни или зубчатой рейки, при этом максимальный зазор между полюсами сердечников и впадиной зубчатки меньше величины зазора, образованного средними стержнями сердечников. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый электромагнитный датчик отличается от известного тем, что сердечники выполнены F-образными и снабжены постоянными магнитами прямоугольного сечения, прикрепленными к торцам крайних стержней и ориентированных к ним одноименными полюсами, а обмотки размещены соответственно на полюсах обоих сердечников и соединены между собой согласно-последовательно, причем полюса сердечников установлены с воздушным зазором относительно подвижного элемента привода контролируемого устройства, например, ферромагнитной шестерни или зубчатой рейки, при этом максимальный зазор между полюсами сердечников и впадиной зубчатки меньше величины зазора, образованного средними стержнями сердечников. Таким образом, заявляемый электромагнитный датчик соответствует критерию "новизна". Анализ известных технических решений в области измерительной техники показал, что некоторые введенные в заявляемое решение признаки, например, два сердечника, обращенные один к другому своими стержнями и установленные друг относительно друга с воздушным зазором, с размещенными на них обмотками, соединенными последовательно, известны. Однако их применение в этих датчиках в сочетании с другими признаками не обеспечивает датчикам такие свойства, которые они проявляют в сочетании с дополнительными признаками в заявляемом решении, а именно: значительное уменьшение шага дискретизации до расстояния между соседними зубьями ферромагнитной шестерни или зубчатой рейки и, как следствие, повышение точности, упрощение конструкции и обеспечение универсальности. Фактически заявляемый датчик (cчетчик зубьев) может работать с любой ферромагнитной шестерней или рейкой, которая обычно является элементом конструкции привода контролируемого устройства, а не специальным подвижным элементом датчика, что обеспечивает его универсальность. Таким образом, данная совокупность признаков придает электромагнитному датчику новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид датчика; на фиг.2 - вид сверху (обмотки 5 и 7 не показаны).

Электромагнитный датчик состоит из двух постоянных магнитов 1 и 2, установленных на торцах крайних стержней двух, обращенных друг к другу F-образных сердечников 3 и 4. На полюсах А и Б сердечников 3 и 4 размещены обмотки 5 и 7, соединенные согласно-последовательно. Средние стержни обоих сердечников образуют зазор . Рабочий переменный зазор образуется между полюсами А и Б и зубьями ферромагнитной зубчатки 6, являющейся элементом конструкции привода контролируемого устройства.

Электромагнитный датчик работает следующим образом. При прохождении полюсами А и Б впадины зубчатки 6 магнитный поток замыкается по наименьшему сопротивлению через зазор . Поток Ф 1 при этом минимален. При дальнейшем движении зубчатки 6 зазор между каждым полюсом и набегающим зубом убывает, магнитный поток Ф 1 , пронизывающий обмотки 5 и 7 возрастает и, когда скорость нарастания потока достигнет максимального значения, ЭДС на клеммах С и Д также становится максимальной, минус на клемме Д и плюс на клемме С. Над вершиной зуба скорость нарастания потока равна нулю, поток Ф 1 максимальный и ЭДС равна нулю. При прохождении вершины зуба зазор, образованный полюсами сердечников и впадиной зубчатки, начинает возрастать, магнитный поток Ф 1 убывает, и когда скорость убывания потока Ф 1 cтанет максимальной, ЭДС достигает также максимального значения, но полярность при этом будет обратной, минус на клемме С, и плюс на клемме Д. Над впадиной магнитный поток Ф 1 будет минимальным, а скорость изменения потока равна нулю, ЭДС также равна нулю. В дальнейшем весь цикл повторяется, т.е. когда магнитный поток Ф 1 в рабочем зазоре максимален, поток Ф о в зазоре минимален и,. наоборот, когда магнитный поток Ф 1 в рабочем зазоре минимален, поток Ф o в зазоре максимален. Поток Ф, создаваемый магнитной системой, изменяется мало.

Таким образом, при прохождении зубчатки 6 мимо полюсов А и Б датчика магнитный поток Ф 1 изменяется от максимального (в случае, когда зазор минимальный) до минимального (когда полюса над впадиной и зазор максимальный). Изменяющийся магнитный поток Ф 1 наводит в обмотках 5 и 7 электродвижущую силу ЭДС, которая на клеммах С и Д суммируется, так как обмотки 5 и 7 соединены согласно-последовательно. Суммарная ЭДС при нарастании потока проходит максимум одного знака, а при убывании потока проходит максимум другого знака. В результате чего на клеммах С и Д возникает переменная ЭДС с частотой, равной количеству зубьев, проходящих мимо полюсов А и Б за единицу времени F = n/t. Максимальный эффект достигается тогда, когда зазор () меньше максимального зазора между полюсами А и Б и впадиной зубчатки 6. Форма пластин 3 и 4, а также наличие зазора (), образованного средними стержнями сердечников, предохраняет магнитную систему М от размагничивания при остановке зубчатки 6 впадиной против полюсов А и Б, а также при хранении датчика отдельно от подвижной системы.

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, содержащий два ферромагнитных сердечника с обращенными один к другому стержнями, торцы которых отделены один от другого воздушными зазорами, и размещенные на сердечниках две обмотки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен постоянным магнитом прямоугольного сечения, закрепленным в зазоре между торцами двух крайних стержней обоих сердечников, а обмотки соединены между собой согласно последовательно и размещены на параллельных участках этих сердечников, которые предназначены для взаимодействия своими торцами с ферромагнитным объектом контроля.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что торцы параллельных участков сердечников предназначены для установки с зазором относительно объекта контроля, имеющего зубчатую поверхность.

3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что максимальная величина зазоров между торцами параллельных участков сердечников и объектом контроля превышает зазор между средними стержнями обоих сердечников.

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и имеет целью повышение точности емкостного измерителя расстояния до токопроводящей поверхности, который содержит трехэлектр.одный емкостный датчик, включенный в два смежных плеча трансформаторного измерительного моста с двумя другими индуктивно-связанными его плечами

Электромагнитные датчики получили широкое распространение в различных областях науки и техники. По своим функциональным возможностям они не уступают резисторным датчикам и значительно превосходят датчики других типов, например, емкостные, пьезоэлектрические, гальваномагнитные и т.д. С их помощью можно измерять практически любую механическую величину, в том числе линейное и угловое перемещение, скорость, ускорение; давление, силу, момент силы; расход жидкости и газа; толщину электропроводящих и диэлектрических покрытий. Кроме механических величин ЭМД позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля, электрические токи, электропроводность жидких и твердых тел, основные характеристики ферромагнетиков. На их основе реализованы магнитный и вихретоковый дефектоскопы, предназначенные для обнаружения структурных дефектов твердотельных объектов, а также разнообразные металле детекторы.

По принципу действия датчики делятся на две группы. Первую группу составляют параметрические ЭМД, реализующие две основные разновидности функций преобразования:

где L - индуктивность обмотки одноконтурного измерительного преобразователя (датчика), имеющего w витков; М - взаимная индуктивность обмоток двухконтурного преобразователя, имеющего w и w2 витков соответственно; ReZm - действительная часть магнитного

сопротивления Zm:

где интегрирование ведется по замкнутому контуру магнитной цепи,

имеющей площадь поперечного сечения S и магнитную проницаемость // .

Принято выделять в этой группе индуктивные, трансформаторные,

вихретоковые и магнитоупругие датчики.

Вторую группу составляют датчики генераторного типа, в основу работы которых положен закон электромагнитной индукции:

Выходной величиной таких датчиков является ЭДС индукции, а входной - скорость изменения магнитного потока, сцепленного с w витками измерительной катушки. Изменение выходного сигнала осуществляется обычно за счет перемещения катушки в магнитном поле или постоянного магнита относительно неподвижной катушки, а также за счет изменения магнитного сопротивления измерительного преобразователя. К этой группе относятся индукционные и магнитомодуляционные датчики.

Индуктивные датчики

Принцип действия индуктивных датчиков основан на преобразовании изменений магнитного сопротивления, вызванных воздействием измеряемой величины, в электрический сигнал. Обычно изменение магнитного сопротивления цепи датчика обусловлено изменением геометрических размеров воздушных зазоров магнитопровода. На рис. 2.1 приведены типичные конструкции индуктивных датчиков.

Таким образом, чувствительность обратно пропорциональна квадрату величины воздушного зазора. Поэтому индуктивные датчики особенно чувствительны при малых зазорах и способны регистрировать изменения зазоров около 0,1... 0,5 мкм. При увеличении зазора зависимость L=f(8) становится нелинейной. Поэтому для измерения перемещений величиной несколько миллиметров используют датчики с регулируемой площадью (рис.2. 16), которые имеют более линейную функцию преобразования по сравнению с предыдущей конструкцией. Повысить линейность функции преобразования и точность измерений можно, используя дифференциальную схему включения датчиков (рис.2. 1 в).

При измерении относительно больших перемещений (порядка нескольких десятков миллиметров) довольно широкое распространение получили индуктивные датчики соленоидального типа с разомкнутой магнитной цепью (рис.2.1г). В этих датчиках изменение индуктивности обмоток вызывает перемещение в катушке ферромагнитного сердечника, причем увеличение индуктивности одной из них сопровождается уменьшением индуктивности другой, что обеспечивает линейность функции преобразования в широком диапазоне перемещений.

Датчик, изображенный на рис. 2.1д, предназначен для точного измерения больших перемещений . На поверхности магнитопровода и якоря выфрезерованы пазы, в результате чего воздушный зазор приобретает зубчатый характер. При перемещении якоря относительно магнитопровода выходной сигнал будет иметь периодический характер,

причем период сигнала однозначно связан с шагом зубцов. Измерив количество периодов выходного сигнала, можно получить грубую оценку перемещения в единицах шага зубцов. Для более точной оценки необходимо учесть поправку, определяемую согласно градуировке по значению величины выходного сигнала. Получаемая при этом погрешность примерно одинакова для всего измеряемого диапазона перемещений.

К достоинствам индуктивных датчиков следует отнести большую выходную мощность сигнала, достаточную во многих случаях для измерения параметров без усилительных устройств, высокую чувствительность, сравнительную простоту конструкций. Недостатком является трудность регулировки нуля, то есть компенсации выходного напряжения при отсутствии внешнего воздействия. Кроме того, для уменьшения помех они, как правило, нуждаются в тщательной экранировке, что увеличивает их габариты и массу. Невысока и точность измерений, особенно это относится к устройствам, не использующим дифференциальную схему включения, или какие-то другие схемы, компенсирующие негативное влияние внешних факторов.

Трансформаторные датчики

Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэффициента взаимоиндукции М между возбуждающей и измерительной обмотками, вызванном изменением магнитного сопротивления Zm магнитной цепи. Простейший вариант конструкции трансформаторного датчика представлен на рис.2.2а. Переменный ток /, протекающий по обмотке возбуждения w создает магнитный поток Ф:

пронизывающий витки измерительной катушки, что приводит к возникновению в ней ЭДС индукции, амплитудное значение е которой равно:

e=w2Ф=Iw1w2/Zm=IM.

Изменение расстояния  между датчиком и ферромагнитным объектом или якорем, жестко связанным с объектом, приводит к изменению магнитного сопротивления и, как следствие, к изменению амплитуды выходного напряжения. Для того, чтобы ток обмотки возбуждения не менялся при

изменении Zm, к источнику последовательно с обмоткой возбуждения подключается большое сопротивление, то есть реализуется режим источника тока.

Рис. 2.2. Примеры конструкций трансформаторных датчиков

Трансформаторный датчик с одной измерительной обмоткой обладает невысокой точностью и нелинейной зависимостью е=/[^). Поэтому, как правило, используется дифференциальная схема включения (рис.2.2б), в которой имеется одна обмотка возбуждения w и две измерительные обмотки w2, включенные встречно. При нейтральном (симметричном) положении якоря относительно измерительных обмоток напряжение на выходе равно нулю. Смещение якоря относительно нейтрального положения приводит к появлению выходного напряжения, причем его фаза при переходе через нейтральное положение должна меняться на 180°. Реально выходное напряжение в нейтральном положении не достигает нуля по двум причинам . Первая причина обусловлена влиянием высших гармоник, возникающих вследствие нелинейности кривой намагничивания магнитопровода, вторая - наличием емкостной связи между первичной и вторичной обмотками.

К трансформаторному типу относятся так называемые датчики с распределенными параметрами , которые предназначены для измерений относительно больших линейных перемещений (до одного метра и выше). Конструктивно эти датчики выполнены таким образом, чтобы получить достаточно длинные участки с заданным распределением магнитных или электрических параметров. Датчик с распределенными магнитными параметрами (рис.2.2в) состоит из магнитопровода с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения w и подвижной измерительной обмотки vv2. При перемещении измерительной

обмотки меняется индуцированная в ней ЭДС, причем зависимость ЭДС от перемещения практически линейна, если магнитное сопротивление рабочих участков магнитопровода значительно меньше магнитного сопротивления воздушного зазора.

Датчик с распределенными электрическими параметрами (рис.2.2г) имеет распределенную на рабочем участке магнитопровода измерительную обмотку. Подвижный магнитный сердечник, перемещающийся параллельно оси измерительной обмотки, шунтирует магнитный поток, вызывая тем самым изменение индуцированной в ней ЭДС. Зависимость между амплитудой выходного напряжения и перемещением магнитного шунта линейна в широком диапазоне перемещений.

Вихретоковые датчики

Принцип действия вихретоковых датчиков основан на изменении их параметров, вызванном взаимодействием поля вихревых токов, возбужденных этим датчиком в электропроводящем объекте, с полем самого датчика. Влияние поля вихревых токов, возникающем в близкорасположенном объекте, проявляется в изменении активного и реактивного сопротивлений датчика: активное сопротивление увеличивается за счет роста потерь в электропроводящем объекте, а реактивное сопротивление уменьшается из-за ослабления магнитного потока, пронизывающего витки датчика. Величина изменений активного и реактивного сопротивлений, кроме расстояний между датчиком и объектом, зависит от многих факторов, главным образом, от частоты питающего датчик напряжения, электропроводности объекта и его толщины, пока последняя не превысит существенно глубину проникновения электромагнитного поля в материал объекта Глубина проникновения, в свою очередь, зависит от частоты со электромагнитного поля и свойств

материала. Ее можно оценить по формуле:

где Z0>05 - глубина, на которой интенсивность волны составляет 5\% от интенсивности волны на границе раздела; //и а- относительная магнитная проницаемость и удельная электропроводность материала.

На рис.2.3 представлены примеры некоторых типичных конструкций вихретоковых датчиков, а именно накладная (рис.2.За), экранная (рис.2.3б) и щелевая (рис.2.3в) . В основном вихретоковые датчики используются для определения толщины электропроводящих покрытий или толщины диэлектрических слоев на металлической основе, для обнаружения поверхностных и приповерхностных дефектов (микротрещин, включений второй фазы) и оценки их пространственного положения и размеров, для бесконтактного измерения удельного сопротивления электролитических жидкостей.

Рис. 2.3. Примеры конструкций вихретоковых датчиков

В целом чувствительность вихретокового датчика к перемещению объектов примерно в 5...20 раз ниже, чем у такого же по габаритам индуктивного датчика, изображенного на рис.2.1г . Кроме того, вихретоковые датчики имеют большие погрешности, обусловленные в основном температурным изменением электропроводности объектов контроля.

Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте, проявляющемся в изменении магнитных свойств ферромагнитных материалов под воздействием механических напряжений. Относительная чувствительность магнитоупругого материала характеризуется отношением относительного изменения магнитной проницаемости А////к

соответствующему механическому напряжению сг:

31

Для различных магнитоупругих материалов воздействие механического напряжения 1 МПа вызывает относительные изменения магнитной проницаемости на уровне 0,5...3 \%. Этого вполне достаточно, чтобы использовать магнитоупругие датчики для измерения сил, давлений и крутящих моментов. При этом отличительной особенностью таких датчиков является их высокая надежность, поскольку они не имеют подвижных частей, перемещающихся под воздействием измеряемой величины.

При довольно большом разнообразии конструктивных форм, вызванных различными условиями практического применения, магнитоупругие датчики по принципу действия можно разбить на две группы: датчики дроссельного типа (рис.2.4а) и датчики трансформаторного типа (рис.2.4б, в, г). В датчиках дроссельного типа воздействие механического напряжения приводит к изменению магнитной проницаемости материала магнитопровода и, как следствие, к изменению индуктивности датчика и его магнитного сопротивления. Датчики этого типа достаточно просты в конструктивном отношении, они обладают удовлетворительной линейностью функции преобразования в рабочем диапазоне, погрешность измерений составляет для разных конструкций величину порядка 2...5 \%.

В магнитоупругих датчиках трансформаторного типа в качестве величины, являющейся функцией приложенной силы, используется взаимная индуктивность. Поэтому датчики этого типа являются по существу измерительными трансформаторами с переменным коэффициентом трансформации. Амплитудное значение ЭДС во вторичной обмотке зависит от величины приложенного к магнитопроводу механического напряжения (рис.2.46).

б В Г Рис. 2.4. Примеры конструкций магнитоупругих датчиков

Более сложная конструкция магнитоупругого датчика трансформаторного типа представлена на рис.2.4в. В средней части магнитопровода, набранного из пластин электротехнической стали, имеется четыре отверстия для размещения первичной и вторичной обмоток. Поскольку плоскости витков обеих обмоток взаимно перпендикулярны, а материал магнитопровода в отсутствие внешнего воздействия является изотропным, то ЭДС во вторичной обмотке равна нулю. В нагруженном состоянии вследствие появления анизотропии магнитных свойств материала магнитное поле обмотки возбуждения деформируется и появляется составляющая магнитного потока, сцепляющаяся с витками измерительной обмотки. В результате в ней наводится ЭДС, пропорциональная приложенному механическому напряжению.

Датчик, представленный на рис.2.4г, предназначен для измерения крутящего момента Мкр . Его принцип действия основан на том, что при воздействии крутящего момента на ферромагнитный стержень, вдоль которого протекает переменный ток, кроме кругового магнитного потока, возникает продольный магнитный поток, наводящий в намотанной на стержень обмотке ЭДС, пропорциональную крутящему моменту.

К недостаткам магнитоупругих датчиков следует отнести негативное влияние магнитного гистерезиса, что при статической нагрузке дает дополнительную погрешность около 4\%, а при динамической нагрузке - около 1\% . Относительно велика дополнительная погрешность, обусловленная изменением температуры - примерно 1,5...2\% на каждые

10°. Для многих магнитоупругих материалов проявляется эффект старения, приводящий к временному изменению его магнитной проницаемости, что в итоге также увеличивает погрешность измерений.

Индукционные датчики

Принцип действия индукционных датчиков основан на явлении электромагнитной индукции. Согласно закону Фарадея ЭДС индукции в катушке индуктивности определяется выражением:

где Ф - магнитный поток, пронизывающий витки катушки; w - число витков катушки.

В отличие от рассмотренных ранее параметрических датчиков индукционные датчики относятся к генераторному типу датчиков, так как под воздействием входной величины они способны генерировать электрическую энергию. Всех их можно разделить на две подгруппы . Первую составляют датчики, в которых изменение магнитного потока, пронизывающего витки катушки, осуществляется либо перемещением последней в постоянном поле магнита (рис.2.5а,б), либо перемещением магнита относительно неподвижной катушки (рис.2.5в). В датчиках второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а ЭДС индуцируется посредством изменения магнитного потока из-за колебаний магнитного сопротивления цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного

зазора в этой цепи (рис.2.5г).

а б в г д

Рис. 2.5. Примеры конструкций индукционных датчиков

Индукционные датчики используются главным образом для измерения линейных перемещений и скоростей, в частности, параметров вибраций, а также угловых перемещений и частоты вращения, постоянных и переменных магнитных полей, расхода электропроводящих жидкостей и других величин . Измерение параметров вибраций часто осуществляют с помощью датчика, изображенного на рис. 2.5а.. Поскольку выходной сигнал датчика пропорционален скорости перемещения катушки относительно полюсов магнита, то для нахождения виброперемещений или виброускорений используют дифференцирующий или интегрирующий усилитель. Обычно с помощью индукционного датчика можно измерять вибрации, максимальная частота которых не превышает 500 Гц .

Измерение частоты вращения осуществляют тахогенераторами, изображенными на рис.2.56 и рис.2.5г. В первом случае значение ЭДС е на выходе тахогенератора, содержащего w витков площадью сечения S, будет равно e=a>BwS sin со t, где В - индукция поля между полюсами магнита. Во втором случае частота переменного сигнала в обмотках тахогенератора будет пропорциональна произведению измеряемой частоты вращения и количеству зубцов на валу.

Для измерения индукции переменного магнитного поля используют датчики с неподвижными обмотками, в которых наводится ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Измерение индукции постоянного магнитного поля часто осуществляют с помощью датчиков с принудительным изменением магнитного потока. Это можно осуществить выключением источника поля, удалением датчика из магнитного поля или поворотом датчика на 90°. Все это приводит к возникновению на выходе датчика импульса тока, который можно измерить, например, с помощью интегратора.

Измерение параметров постоянного магнитного поля осуществляют также с помощью датчиков с вращающимися или вибрирующими чувствительными элементами, создающими переменный поток, пронизывающий витки измерительной катушки. К недостаткам таких устройств следует отнести высокий уровень шума коллектора и наводками электродвигателя в цепи питания. Свободным от этих недостатков является датчик магнитного поля, изображенный на рис.2.5д . Основу его составляет тонкостенный цилиндрический вибратор из сегнетокерамики PbZrCb с металлизированными внутренней и внешней поверхностями. Внутренний электрод имеет продольный разрез, а внешний представляет собой короткозамкнутый виток, на котором находится вторичная многовитковая обмотка. Датчик помещается в измеряемое магнитное поле, направленное параллельно оси цилиндра. Переменное напряжение вследствие явления электрострикции возбуждает радиальные вибрации датчика, сопровождающиеся периодическим изменением его диаметра. Это приводит к изменению магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки, в результате чего в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная индукции магнитного поля.

Магнитомодуляционные датчики

Магнитомодуляционные датчики работают на принципе модуляции магнитной проницаемости сердечника датчика . Модуляция осуществляется периодическим перемагничиванием ферромагнитного сердечника до насыщения магнитным полем, представляющим собой векторную сумму намагничивающего поля Н„ , изменяющемуся по гармоническому закону с частотой со, и измеряемого поля //внеш. Обычно Магнитомодуляционные датчики используют для измерений слабых магнитных полей и вклад второй составляющей поля //ВНеш в процесс намагничивания сердечника значительно меньше первой составляющей //_. На рис.2.6а показаны временные зависимости намагничивающего поля I-L и вызываемые этим полем изменения магнитной проницаемости // В интервалы времени, когда выполняется условие //_>//нас, сердечник намагничен до насыщения, магнитная проницаемость его практически постоянна и примерно равна единице. Если же выполняется условие

//~

изображенная на рис.2.6а.

а б

Рис. 2.6. Временные диаграммы, поясняющие работу магнитомодуляционных датчиков (а), и пример конструкции дифференциального феррозондового преобразователя (б)

В дифференциальном датчике (рис.2.66) намагничиваются два сердечника, причем намагничивающие поля Н~ в них сдвинуты по фазе на

180°, поскольку обмотки возбуждения включены последовательно, но встречно. В измерительной обмотке, охватывающей оба сердечника, в отсутствие внешнего магнитного поля ЭДС индукции равна нулю. Если датчик помещен во внешнее поле Нтеш, то намагничивание каждого из сердечников происходит по разному и в результате в измерительной обмотке возникает ЭДС индукции, пропорциональная внешнему магнитному полю.

В качестве информативного параметра обычно используют вторую гармонику выходной ЭДС. Для выделения сигнала второй гармоники используют селективные усилители. С целью расширения диапазона измерений и улучшения метрологических характеристик в измерительных устройствах используют цепь обратной связи, сигнал с которой подается на обмотку датчика, создавая тем самым дополнительное поле, компенсирующее измеряемое . Это позволяет достичь нижнего предела измерений на уровне 0,05...0,1 нТл. Верхний предел измерений ограничен нарушением линейности функции преобразования и как правило не превышает 500 мкТл. Возможности измерений переменных магнитных полей также не велики и ограничены диапазоном 0... 100 Гц.

Электромагнитные датчики предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного сопротивления R М магнитной цепи датчика при перемещении сердечника. Если перемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки.

Таким образом , изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны:

перемещением элемента магнитной цепи (сердечника или якоря);

перемещением элемента электрической цепи (обмотки).

В результате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки L или ее взаимоиндуктивность М с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто называют индуктивными .

Электромагнитные датчики обычно рассматривают как параметрические, поскольку величины L и М зависят от перемещения х: L = ƒ(x ), М = ƒ(х ). Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т.е. Е = ƒ(х ).

Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может происходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к изменению магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.

Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие электромагнитные датчики называют трансформаторными . Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку – как вторичную.

К генераторным датчикам относятся и индукционные датчики, в обмотках которых генерируется ЭДС в зависимости от скорости перемещения: Е = ƒ(dx/dt).

С помощью электромагнитных датчиков можно автоматически измерять :

механические силы;

давление;

температуру;

свойства магнитных материалов;

определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия);

толщину немагнитных покрытий на стали;

расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.

Достоинства электромагнитных датчиков :

простота и дешевизна;

механическая прочность;

высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала без скользящих контактов;

возможность питания от промышленной сети частотой 50 Гц;

возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала;

возможность работы как в диапазоне малых (доли мм), так и больших (метры) перемещений.

Недостатки электромагнитных датчиков :

влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения;

возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков, рассматриваемых ниже).

3.2 Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рисунке 1 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики.

Рисунок 1

На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 2. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном направлении (рисунок 1, а) или в горизонтальном направлении (рисунок 1, б).

Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора δ. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления уменьшаются (рисунок 2, а).

Рисунок 2

Следовательно, ток в обмотке увеличивается (рисунок 2, б). Полагая ток I в обмотке за выходной сигнал, а перемещение х - за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде графика I = ƒ(х) .

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на рисунке 1, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению зазора δ, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока I от зазора δ: I = ƒ(δ).

Пусть обмотка датчика включена на напряжение питания:

, где

U – действующее значение напряжения; ω – угловая частота, рад/с. По закону Ома, действующее значение тока в обмотке

, гдеZ – полное сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и индуктивного X L сопротивлений:

. Индуктивное сопротивление Х L пропорционально индуктивности L и частоте питания ƒ:

. После подстановки имеем

.

Индуктивность обмотки датчика с числом витков W

,

где Ф – магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток проходит через воздушный зазор, т.е. потоки рассеяния отсутствуют. Тогда

.

Здесь: R M – магнитное сопротивление магнитопровода датчика, (Гн) -1 .

Это сопротивление слагается из сопротивления стали сердечника и якоря R СТ и сопротивления воздушного зазора R δ:

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора δ, поскольку магнитный поток проходит через воздушный зазор дважды:

,

где S M – поперечное сечение воздушной части магнитопровода, равное активной площади поперечного сечения сердечника в зоне воздушного зазора, м 2 ; μ 0 = 4π∙10 -7 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха.

После подстановок получим

.

Выражение для индуктивности

.

Индуктивное сопротивление

.

Полное сопротивление обмотки

.

Анализ последней формулы показывает, что с увеличением воздушного зазора (а следовательно, и перемещения) полное сопротивление уменьшается, стремясь в пределе к величине активного сопротивления обмотки R.

Зависимость полного сопротивления обмотки от величины воздушного зазора показана на рисунке 2,б. Ток в обмотке датчика

.

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения при δ = 0 в сторону увеличения зазора, то формула для тока после замены δ на х представляет собой статическую характеристику одинарного индуктивного датчика , т.е. I = ƒ(х ).

Одинарные индуктивные датчики имеют ряд существенных недостатков :

на его якорь действует сила притяжения к сердечнику. Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить;

при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т.е. датчик не является реверсивным);

диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик.

Применение :

в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значительные перестановочные усилия.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Назначение. Типы электромагнитных датчиков

Электромагнитные датчики предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного сопротивления Ам -- магнитной цепи датчика при перемещении сердечника. Если пepемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки. Таким образом, изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны как перемещением элементов магнитной цепи (сердечника или якоря), так и перемещением элемента электрической цепи (обмотки). В результате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки L или ее взаимоиндуктивность М с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто называют индуктивными.

Электромагнитные датчики обычно рассматривают как параметрические, поскольку величины L и М зависят от перемещения х: L=f(x), M=f(x). Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т. е. Е=f(x).

Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие электромагнитные датчики называют трансформаторными. Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку -- как вторичную. К генераторным относятся и индукционные датчики, в обмотках которых генерируется ЭДС в зависимости от скорости перемещения:-- E-f(dx/dt).

С помощью электромагнитных датчиков можно автоматические измерять механические силы, давление, температуру, свойства магнитных материалов, определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия). Толщину немагнитных покрытий на стали, расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.

Электромагнитные датчики имеют следующие достоинства: простота и дешевизна конструкции, механическая прочность, высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала безскользящих контактов, возможность питания от промышленной сети частотой 50 Гц, возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала, возможность работы как в диапазоне малых (доли мм), так и больших (метры) перемещений.

К недостаткам электромагнитных датчиков следует отнести влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения, а также возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков).

Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может происходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к изменению магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.

Электромагнитные датчики (индуктивные, трансформаторные, индукционные, магнитоупругие) получили широкое распространение в системах автоматики.

2. Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 1 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики. На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 1. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном (рис. 1, а) или в горизонтальном направлении (рис. 1, б). Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора 5. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. Поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления уменьшаются (рис. 1, а). Следовательно, ток в обмотке увеличивается (рис. 1, б). Полагая ток / в обмотке за выходной сигнал датчика, а перемещение х -- за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде графика I=f(х).

Рис. 1. Характеристики индуктивного датчика

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на рис. 1, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению зазора 5, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока I от зазора д: I=f(д).

Пусть обмотка датчика включена на напряжение питания; и = v2U sin щt, где U -- действующее значение напряжения, щ-- угловая частота, рад/с. По закону Ома, действующее значение тока в обмотке:

где z -- полное сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и индуктивного XL сопротивлений:

z = vR2 + Х2 L.

Индуктивное сопротивление XL пропорционально индуктивности L и частоте питания f. XL = 2nfL = wL. (Напомним, что щ = 2f.) После подстановки имеем:

Индуктивность обмотки датчика с числом витков w:

где Ф -- магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток проходит через воздушный зазор, т. е. потоки рассеяния отсутствуют. Тогда:

Здесь RM -- магнитное сопротивление магнитопровода датчика, Гн-1.

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора д, поскольку магнитный поток проходит через воздушный зазор дважды:

где sM -- поперечное сечение воздушной части магнитопровода, равное активной площади поперечного сечения сердечника в зоне воздушного зазора, м2; Гн/м -- магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная).

После подстановки получим выражение для магнитного потока:

Выражение для индуктивности получаем подстановкой:

Индуктивное сопротивление обмотки:

Полное сопротивление обмотки:

Анализ формулы показывает, что с увеличением воздушного зазора (а следовательно, и перемещения) полное сопротивление уменьшается, стремясь в пределе к величине активного сопротивления обмотки R. Зависимость полного сопротивления z от величины зазора 8 показана на рис. 1, а. Ток в обмотке датчика:

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения при 8 = 0 в сторону увеличения зазора (по рис. 1, а), то формула после замены 8 на х представляет собой статическую характеристику одинарного индуктивного датчика, т.е. 1=/(х). График статической характеристики показан на рис. 1, б. Как видно из анализа формулы и графика, зависимость I=f(x) имеет нелинейный характер. Однако на графике можно выделить участок АБ, на котором соблюдается прямая пропорциональность между входным и выходным сигналами. Этот участок называется рабочим, датчик используется именно в диапазоне входных сигналов от хА до хБ. Следовательно, датчик всегда имеет некоторый воздушный зазор, не меньший хА. В большинстве конструкций индуктивных датчиков магнитопровод ненасыщен и магнитная проницаемость материала сердечника весьма велика. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора (уже при 8 = хА) значительно больше магнитного сопротивления стального сердечника, т е.

Пренебрегая величиной RсТ в формуле, получаем упрощенное выражение для индуктивного сопротивления (с учетом Гн/м):

В этом же диапазоне изменения воздушного зазора от хА до хБ активное сопротивление R значительно меньше индуктивного сопротивления:

Пренебрегая величиной R, получаем приближенное выражение статической характеристики индуктивного датчика:

где К -- коэффициент передачи, определяемый напряжением и частотой питания, конструктивными размерами сердечника и числом витков обмотки датчика:

Таким образом, в некотором диапазоне изменения входного сигнала хА < х < хБ статическая характеристика индуктивного датчика является линейной с постоянным коэффициентом передачи.

График такой статической характеристики имеет вид прямой линии (штриховая линия 1 на рис. 1, б). Это идеальная характеристика датчика. Реальная характеристика (сплошная линия 2 на рис. 1 б) совпадает с идеальной на рабочем участке АБ. Проанализируем причины отклонения реальной характеристики от идеальной.

В зоне х < хА воздушный зазор очень мал и его магнитное сопротивление становится соизмеримым с магнитным сопротивлением стальных сердечника и якоря. Реальная характеристика начинается не от нуля, поскольку даже при д = 0 индуктивное сопротивление не может быть равно бесконечности. Следовательно, некоторый ток будет протекать по обмотке, выполненной даже на замкнутом магнитопроводе. Для уменьшения значения начального тока /0 используют для сердечника и якоря индуктивного датчика материалы с высоким значением магнитной проницаемости.

В зоне х > хь индуктивное сопротивление обмотки уже настолько уменьшается, что становится соизмеримым с активным сопротивлением обмотки, которое и ограничивает нарастание тока. Следует также отметить, что при больших зазорах часть магнитного потока уже не замыкается через якорь, а замыкается непосредственно по воздуху.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индуктивных датчиков по рис. 1, а не превышает 4--5 мм. Значительно больший диапазон изменения входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рис. 1, б. Такие датчики имеют близкую к линейной статическую характеристику при перемещениях якоря до 10--15 мм.

Величину начального воздушного зазора д0 (т. е. исходное положение якоря, при котором входной сигнал равен нулю) рекомендуется выбирать в середине линейного участка статической характеристики датчика. Оценим чувствительность индуктивного датчика при включении его в одно плечо мостовой измерительной схемы в качестве переменного сопротивления. Питание моста осуществляется напряжением переменного тока. В этом случае чувствительность представляет собой относительное изменение сопротивления, деленное на приращение величины воздушного зазора:

где?д -- приращение величины воздушного зазора, вызывающее изменение полного сопротивления обмотки датчика z на?z.

Пренебрегая R « XL, имеем z = щL. Возьмем производную полного сопротивления по перемещению при а = const:

или, переходя к конечным приращениям,

Поделив на, получим выражение для чувствительности:

С увеличением зазора чувствительность датчика резко уменьшается. А при выборе в качестве начальной точки малой величины зазора можно получить большую чувствительность и значительный сигнал разбаланса мостовой схемы, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования усилителя на выходе моста. Например, при д0 = 1 мм и?5 = 0,1 мм чувствительность Sa = 1/10-3 = 1000 1/м и относительное изменение сопротивления?z/z = SД?д = 1000 * 10"4 = 0,1, т.е. при изменении зазора на 0,1 мм сопротивление датчика изменяется на 10 %.

Одним из недостатков одинарного индуктивного датчика является то, что на его якорь действует сила притяжения к сердечнику. Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить. Индуктивный датчик представляет собой электромагнит, тяговая сила которого, как известно из электротехники, пропорциональна производной магнитной энергии WM по перемещению:

Знак минус означает, что сила направлена в сторону, соответствующую уменьшению магнитной энергии.

Если сделать те же допущения, что и при выводе уравнения статической характеристики датчика, то для электромагнитной силы, воздействующей на якорь, можно записать уравнение:

Анализ уравнения показывает, что в рабочем диапазоне входных перемещений при принятых допущениях электромагнитная сила притяжения не зависит от зазора д. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения питания и обратно пропорциональна квадрату частоты питания. Повышение частоты питания снижает силу притяжения, но ухудшает точность работы датчика, поскольку возрастают потери в стали из-за вихревых токов.

Кроме наличия электромагнитной силы притяжения индуктивные датчики имеют также и другие серьезные недостатки: при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т.е. датчик не является реверсивным); диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик.

Указанные недостатки ограничивают область применения одинарных индуктивных датчиков. На практике они нашли применение в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значительные перестановочные усилия. В таких схемах автоматики наиболее полно проявляются достоинства одинарных индуктивных датчиков: простота конструкции и высокая надежность.

электромагнитный датчик индуктивный дроссель

Литература

1. Гальперин М.В. Автоматическое управление. - М.: ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2007- 224с.

2. Горошков Б.И. Автоматическое управление.- М.: 2003 - 304с.

3. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления.- М.:ФОРУМ: ИНФРА - М, 2007 - 384с.

4. Головенков С.Н., Сироткин С.В. Основы автоматики и автоматического регулирования станков с программным управлением. - М.: Машиностроение. - 288с.

5. Немцов М.В., Светлакова И.И. Электротехника. - Ростов-н/Д: Феникс, 2004-567с.

6. Шурков В.Н. Основы автоматизации производства и промышленные роботы. - М.: Машиностроение - 240с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Структурная схема, характеристики и режимы работы микросхемы преобразователя Угол-Код для обработки сигналов индуктивных датчиков типа СКВТ (синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы). Ее сравнение с зарубежными аналогами и модулями на их основе.

статья , добавлен 28.01.2015


Виды и использование датчиков автоматического контроля режимных параметров технологических процессов химического производства. Принцип действия измеряемых датчиков, регуляторов температуры, модульных выключателей. Средства защиты электроустановок.

дипломная работа , добавлен 26.04.2014


Датчик - элемент управляющего устройства, первичный преобразователь контролируемой величины в удобный сигнал: принцип работы, схемы подключения к микроконтроллеру (МК). Общая характеристика емкостных датчиков со звуковым индикатором, расчет параметров.

курсовая работа , добавлен 04.12.2011


Понятие и принцип работы датчиков, их назначение и функции. Классификация и разновидности датчиков, сферы и возможности их применения. Сущность и основные свойства регуляторов. Особенности использования и параметры усилителей, исполнительных устройств.

реферат , добавлен 28.03.2010


Понятие и общие свойства датчиков. Рассмотрение особенностей работы датчиков скорости и ускорения. Характеристика оптических, электрических, магнитных и радиационных методов измерения. Анализ реальных оптических, датчиков скорости вращения и ускорения.

курсовая работа , добавлен 14.01.2016


Особенности применения электрохимических датчиков в составе мультисенсорных пожарных извещателей. Сравнение технических характеристик. Конструкция, принцип действия электролитических датчиков. Перспективы развития технологий изготовления извещателей.

курсовая работа , добавлен 09.12.2015


Принцип действия датчиков сейсмического типа, предназначенных для проведения исследований влияния ускорений и вибрационных нагрузок на элементы радиоэлектронной аппаратуры. Разработка схем приборов, расчет статических и динамических характеристик.

курсовая работа , добавлен 10.01.2014


Проектирование вычислительного модуля, состоящего из 2 датчиков давления и 4 датчиков температуры (до +125 и до +400). Составление схемы подключения датчиков. Написание демонстрационных программ для работы с устройствами DS18B20, АЦП DS2450 и MPX2010.

курсовая работа , добавлен 24.12.2010


Ограничения на конструкцию, параметры и методы преобразования разработанного датчика. Анализ методов преобразования силы в электрический сигнал. Выбор измерительной цепи и типа преобразователя. Расчёт частотного диапазона и коэффициента деформации.

курсовая работа , добавлен 30.05.2014


Основные типы и принцип работы резистивных преобразователей. Область применения датчиков контактного сопротивления, реостатных преобразователей и датчиков температуры. Резистивные преобразователи контактного сопротивления: тензорезисторы и пьезорезисторы.