Линейный индуктосин

К семейству трансформаторных датчиков относятся линейные индуктосины, которые являются датчиками для измерения больших перемещений (до 10 метров) с высокой степенью точности. Обмотки линейных индуктосинов являются плоскими, изготовлены из плоских проводников и наносятся на поверхности двух параллельных плоскостей, взаимное перемещение которых L подлежит измерению. Эти плоскости расположены на расстоянии (0.1 ¸ 0.5) мм друг от друга, и при их перемещении это расстояние не изменяется. На рис. 77 показана конфигурация обмоток и их взаимное расположение.

Обмотки периодические, период  всех обмоток одинаковый, его значение зависит от максимального перемещения и требуемой точности измерений.

Обычно его выбирают в пределах от 1 мм до 10 мм. Сопротивление обмоток от 0.5 Ом до 10 Ом. В обмотку  пропускается переменный ток силой (0.1 ¸ 0.5) А и частотой (10 ¸ 20) кГц. ЭДС, наводящаяся на вторичных обмотках  и , равна (5 ¸ 20) мВ.

Из рисунка видно, что обмотка  сдвинута относительно обмотки  на расстояние, соответствующее углу p/2.

Сигналы ЭДС  и , возникающие на вторичных обмотках, поступают на вход электронной схемы, представленной на рис. 78.

Обозначим сдвиг первичной обмотки  относительно вторичных обмоток через X. Тогда коэффициент взаимной индуктивности между обмотками  и  зависит от их взаимного расположения и равен

.

Коэффициент взаимной индуктивности между обмотками  и

.

Ток в первичной обмотке  . При этом токе во вторичных обмотках индуцируются напряжения:

,

.

Фазовращатель сдвигает напряжение  на p/2, а сумматор складывает его с напряжением . Если усилители 1 и 2 отрегулированы так, что амплитуды их напряжений на выходе одинаковы, то после их суммирования с точностью до постоянного коэффициента получим:

.

Воспользовавшись формулой для косинуса суммы двух углов, свернем правую часть:

.

Мы получили переменное напряжение с частотой w и с фазовым сдвигом относительно первичного тока, зависящем от перемещения X, то есть пространственный сдвиг преобразовался в электрический фазовый сдвиг. Зависимость фазового сдвига от перемещения периодическая, ее период равен . Это означает, что измерение больших перемещений с помощью линейного индуктосина сводится к счету периодов, на которые переместилась подвижная обмотка относительно неподвижной, и затем уточнение дополнительного сдвига внутри периода обмоток . Данная процедура эквивалентна измерению длины средством измерения, снабженным нониусом. В этом случае в качестве нониуса служит значение фазового сдвига.

Этот фазовый сдвиг можно преобразовать в код методом, аналогичным описанному в п. 6.2.4, или измерить с помощью цифрового прибора, но это может занять недопустимо много времени, в течение которого можно пропустить один или несколько периодов перемещения. При быстрых перемещениях это может привести к катастрофической погрешности. Поэтому предпринимают аналоговое преобразование фазового сдвига в постоянное напряжение с помощью фазочувствительного выпрямителя. Для его работы необходимо подавать на его второй вход опорное напряжение, которое лучше всего получить из цепи первичной обмотки, как падение напряжения на сопротивлении . Фазовый сдвиг этого напряжения на 90° приведет к тому, что опорное напряжение станет равным . Усилитель этого опорного напряжения (усилитель 3 на рис. 78) играет роль формирователя напряжения прямоугольной формы. Такая форма опорного напряжения обеспечивает хорошую работу фазочувствительного выпрямителя.

В итоге на выходе получается пульсирующее напряжение, постоянная составляющая которого зависит от фазового сдвига между двумя входными напряжениями, то есть от перемещения подвижной обмотки относительно неподвижной внутри периода обмоток. Относительная точность такого измерения, конечно, при условии правильного счета периодов, весьма высока. Если, например, период обмоток равен 10 мм, то погрешность измерения смещения внутри него с точностью хотя бы 10% приводит к абсолютной погрешности измерения метрового перемещения, равной 1 мм, то есть 0.1%.Обычно точность измерения фазы гораздо выше, а величина периода обмоток может быть уменьшена. Поэтому подобные датчики позволяют достичь относительной погрешности в 0.01% и лучше. Существенный вклад в погрешность линейного индуктосина вносит различие между амплитудами напряжений  и  и отличие фазового сдвига, вносимого каждым из трех усилителей. Поэтому особенно тщательно нужно регулировать и стабилизировать коэффициенты усиления усилителей 1 и 2 и сдвиги по фазе, которые они вносят.

Наиболее эффективное применение такие датчики находят в станкостроении, в особенности, в станках больших размеров: токарных, фрезерных, строгальных.

Точно по такому же принципу действуют угловые индуктосины. В них обмотки наносятся на двух параллельных дисках, расположенных вблизи друг от друга. Один из них - неподвижный, другой вращается. На них расположены обмотки так же, как и в линейном индуктосине, но с учетом формы дисков - радиально. Угловые индуктосины позволяют измерять угол поворота с абсолютной погрешностью (3 - 10) угловых секунды.