Индуктивные датчики

ВВЕДЕНИЕ

 

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.

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 разработке 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 µ₀=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). 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.

 

 

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.

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.