Индуктивные датчики

Индуктивные датчики входят в класс электромагнитных преобразователей и являются параметрическими датчиками. Эти датчики выполняют преобразование измеряемой величины в изменение индуктивности за счет изменения параметров магнитной цепи катушки индуктивности.

Индуктивность катушки, намотанной медным проводом и содержащей w витков, в общем случае равна

,

где  - комплексное магнитное сопротивление цепи, по которой замыкается магнитное поле катушки,  - компонента магнитного сопротивления, возникающая при наличии в магнитной цепи стали и вызванная потерями в стали на гистерезис и вихревые токи.

Магнитные цепи большинства индуктивных датчиков устроены таким образом, чтобы эти потери были минимальны. Кроме того магнитные цепи этих датчиков состоят, в основном, из магнитомягкого материала, имеющего высокую магнитную проницаемость , и одного или двух воздушных зазоров, магнитное сопротивление которых настолько велико, что оно, в основном, определяет магнитное сопротивление всей цепи. При зазоре, образованном двумя плоскими параллельными поверхностями, расстояние между которыми равно d, а площадь равна S, его магнитное сопротивление, а по вышесказанному, и магнитное сопротивление всей цепи равно

,

где  - магнитная проницаемость воздуха.

В результате начальная индуктивность реальных индуктивных датчиков с воздушными зазорами, площадь которых одинакова и равна S, а суммарная длина воздушного зазора равна d, выражается приближенной формулой

.

Приближенный характер формулы вызван влиянием полей рассеяния на краях воздушного зазора.

Из этой формулы видно, что на значение индуктивности катушки влияют только такие измеряемые величины, которые могут быть преобразованы в изменение площади S или величины зазора d, или, иными словами, в изменение магнитного сопротивления магнитной цепи датчика.

На первый взгляд, преимущество следовало бы отдать преобразованию измеряемой величины в изменении площади. Тогда преобразование было бы линейным. Но из-за краевых эффектов, вызванных рассеянием магнитного потока, линейность достигнута быть не может. Кроме того возникают конструктивные сложности организации подобного преобразования. Поэтому большинство индуктивных датчиков построены либо на изменении под действием измеряемой величины зазора, либо на изменении магнитного сопротивления всей цепи в целом за счет перемещения сердечника внутри катушки вдоль ее оси.

На рис. 75а и 75б схематически показаны два одиночных индуктивных датчика, работающих по указанным принципам. Первый из них - датчик с малым зазором, изменение которого составляет от 0.01 мм до 10 мм. Второй - датчик, реагирующий на значительные перемещения до 100 мм. Обоим этим датчикам свойственен серьезный недостаток, из-за которого датчики такой конструкции не имеют практического применения. В них на перемещаемую деталь действует значительная электромагнитная сила, зависящая от ее положения.

Влияние этой силы существенно снижается у дифференциальных индуктивных датчиков, конструкция которых и различные схемы включения показаны на рис. 75 в, 75 г и 75 д. Приведенные схемы включения могут быть применены к любому из индуктивных датчиков независимо от его конструкции. Эти

схемы представляют собой неравновесные мосты, позволяющие получать на выходе нулевой сигнал при нулевом значении измеряемой величины. При этом значении мосты должны быть уравновешены по двум составляющим, поскольку это мосты переменного тока (см. также п. 5.2.1). Реактивная составляющая катушек легко делается примерно одинаковой, ибо она определяется, в основном, количеством витков и частично - полями рассеяния, которые уравниваются конструктивными методами. Активная компонента сопротивления катушки индуктивности определяется неоднородностью сопротивления проволоки, которой она намотана. Для уравновешивания моста по этой активной компоненте в то плечо, в котором активное сопротивление оказалось меньше, включают сопротивление r, подгонкой которого мост уравновешивается. Отклонение измеряемой величины от нуля вызывает в измерительной диагонали появление выходного сигнала переменного напряжения, который при последующих преобразованиях усиливается, выпрямляется и фильтруется, после чего подается на вход АЦП, преобразуется в код и передается в компьютер для дальнейших стандартных преобразований и математической обработки.

Первичные преобразования измеряемых величин в изменение длины зазора аналогичны тем, которые выполняются в тензорезистивных и емкостных датчиках. Преобразование силы в малое перемещение выполняется с помощью подходящего упругого элемента с точно известной жесткостью W. Преобразование ускорения в силу происходит путем использования силы инерции, действующей на тело с точно известной массой m. Это тело крепится на перемещаемую часть упругого элемента датчика. Для преобразования давления в силу, а затем - в перемещение используется мембрана с точно известной площадью, жестко связанная с перемещаемым элементом.

Датчики, показанные на рис. 75б, 75д, используются только для измерения значительных перемещений L.

Из формулы для индуктивности видно, что преобразование длины зазора в индуктивность нелинейно. Существенного приближения к линейности достигают путем изменения конфигурации поверхностей, образующих зазор. Достижимые погрешности индуктивных датчиков составляют от 0.5% до 2%. Эти погрешности возникают из-за наличия движущихся элементов, полей рассеяния, потерь в сердечнике из-за гистерезиса и вихревых токов, действия электромагнитных сил, зависящих от положения перемещающего элемента.

Существенным достоинством индуктивных датчиков, которое оправдывает их промышленное применение, является значительная мощность выходного сигнала, которая существенно превышает мощность выходных сигналов емкостного, пьезоэлектрического и тензорезистивного датчиков.

Другой разновидностью индуктивных датчиков является датчик, магнитная цепь которого выполнена из сплошного магнитомягкого материала без воздушных зазоров. Будем считать, что с целью уменьшения потерь в магнитопроводе предприняты необходимые конструктивные и технологические меры. В этих условиях потери на гистерезис и вихревые токи отсутствуют. Кроме того будем считать , что площадь поперечного сечения магнитной цепи датчика постоянна по всей длине и относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода равна m. В этих условиях индуктивность датчика равна

,

где l - средняя длина магнитопровода.

Индуктивность такого датчика может изменяться путем изменения относительной магнитной проницаемости магнитопровода. Для этого магнитопровод изготавливается из материалов, магнитная проницаемость которых изменяется под действием механических напряений. Индуктивные датчики с таким магнитопроводом называются магнитоупругими. Для различных материалов относительное изменение магнитной проницаемости может составлять от 0.5% до 3% при изменении механического напряжения на 1 МПа. Этот эффект остается стабильным, если материал магнитопровода нагружается не больше, чем на 10% от допустимого предела упругих деформаций.

Магнитоупругие датчики применяются для измерения силы в пределах от 250 Н до  Н. Погрешность магнитоупругих датчиков зависит от многих факторов: механический гистерезис, нелинейность значения магнитной индукции в магнитопроводе, старение, нестабильность напряжения питания и др. В целом после механической тренировки магнитострикционного датчика с монолитным магнитопроводом может быть достигнута погрешность 2%.

Достоинствами магнитоупругого датчика является значительная мощность, развиваемая на выходе и его высокая надежность, поскольку он не содержит движущихся элементов.

Студентам рекомендуется в порядке упражнения самостоятельно изобразить цепочки измерительных преобразований, выполняемых с участием индуктивных и магнитоупругих датчиков с целью измерения малых перемещений, силы, давления и параметров виброускорения.