Назад: 3.3 Датчики активного сопротивления

3.4 Датчики реактивного сопротивления

К датчикам реактивного сопротивления относятся индуктивные, емкостные, трансформаторные и другие датчики.

Индуктивные датчики. Простейший индуктивный однотактный датчик представляет собой реактор с переменным воздушным зазором в магнитопроводе (прил.1, п.8). На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключенная к источнику переменного тока. Магнитный поток Ф 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 ее может происходить в вертикальном или горизонтальном направлении. Перемещение якоря 3 изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника 1, якоря 2 и воздушного зазора δ. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. Поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее комплексным сопротивлением. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление магнитопровода увеличивается, а индуктивность и индуктивное сопротивление уменьшаются. В диапазоне δ > δ₂ индуктивное сопротивление обмотки настолько уменьшается, что становится соизмеримым с активным сопротивлением обмотки, которое и ограничивает нарастание тока. Кроме того, при больших зазорах часть магнитного потока замыкается не через якорь, а непосредственно по воздуху.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индуктивных датчиков не превышает 4-5 мм. Для других типов датчиков диапазон изменения входного сигнала значительно больше и составляет до 10-15 мм.

С увеличением зазора чувствительность датчика резко уменьшается. При малой величине зазора можно получить большую чувствительность и значительный сигнал разбаланса моста схемы, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования усилителя на выходе моста.

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, пропорциональна производной магнитной энергии W_м по перемещению: F = –dW_м/dd.

Знак минус означает, что сила направлена в сторону, соответствующую уменьшению магнитной энергии. Энергия магнитного поля катушки с током:

W_м = 0,5LI².

Если активным сопротивлением пренебречь, то для электромагнитной силы, воздействующей на якорь, можно записать уравнение

F₀ = 0,5I²dL/dd = 1/(w² m₀ S_м) – (U/w)². (3.1)

Анализ уравнения (3.1) показывает, что в рабочем диапазоне входных перемещений при принятых допущениях электромагнитная сила притяжения не зависит от зазора δ. Эта сила пропорциональна квадрату напряжения питания и обратно пропорциональна частоте 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 напряжения индуктивные датчики имеют также и другие серьезные недостатки: при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала, т.е. датчик является однотактным, нереверсивным; диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик.

Указанные недостатки ограничивают область применения однотактных 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 и высокая надежность.

Дифференциальные реверсивные индуктивные датчики. Они представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Дифференциальные индуктивные датчики предназначены для получения реверсивной двухтактной статической характеристики и для компенсации электродвижущей силы притяжения якоря (прил.1, п.8).

Дифференциальный индуктивный датчик состоит из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между сердечниками якоря 3, способного перемещаться влево и вправо относительно среднего симметричного положения. Питание дифференциального датчика осуществляется от трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки. Сопротивление нагрузки R_н включается между этой средней и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении нагрузки можно представить как алгебраическую сумму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый контур состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, однотактного датчика и сопротивления нагрузки R_н, общего для обоих контуров. Направление контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке трансформатора индуцируется условно положительный полупериод напряжения: плюс – у левого зажима; минус - у правого. Полярность средней точки относительно левого зажима будет минусовая, а относительно правого – плюсовая.

Если принять за положительное направление тока во внешней цепи от плюса к минусу, тогда ток левого контура I₁ направлен сверху вниз, а ток правого контура I₂ – снизу вверх. Следовательно, эти токи вычитаются, а через нагрузку пойдет разностный ток. В следующий полупериод тока полярность изменится на противоположную. Соответственно изменится направление тока в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токов I₁ и I₂ (направление токов показано пунктирой линией). При среднем (симметричном) положении якоря 3 индуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи I₁ и I₂ равны, разность их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении нагрузки) равен нулю: I_н = I₁ – I₂ = 0.

При перемещении якоря вправо (примем его за положительный входной сигнал) индуктивность L₂ возрастает, поскольку воздушный зазор в однотактном индуктивном датчике 2 уменьшается, а индуктивность L₁ убывает, поскольку зазор в датчике I увеличивается. Следовательно, I₁ > I₂ и появляется выходной сигнал в виде тока нагрузки определенной полярности. При перемещении якоря влево (отрицательный входной сигнал) соответственно уменьшается L₂ и увеличивается L₁. Соотношение токов будет I₁ < I₂, и полярность тока нагрузки изменится. Поскольку речь идет о переменном синусоидальном токе, это означает, что фаза тока изменяется на 180°. Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика будет реверсивной, зависящей от знака входной величины. Дифференциальным датчик называется потому, что выходной сигнал формируется как разность сигналов двух одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом случае, но направлены они в противоположенные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие. Очень важной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю выходного сигнала при нулевом входном сигнале. В одинарном датчике выходной сигнал не равен нулю даже при нулевом воздушном зазоре.

Магнитоупругие датчики. Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте – физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала в зависимости от механических напряжений в нем (прил. 1, п.9). Магнитоупругие датчики используются для измерения силовых параметров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, механических напряжений и т.п.

Конструктивно магнитоупругие датчики представляют магнитопровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопротивление сердечника R_м = ℓ/(Sμ), где ℓ и S – длина и площадь сечения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F₀, то магнитная проницаемость μ изменится. Следовательно, изменятся магнитное сопротивление сердечника и индуктивность обмотки на сердечнике. Как видно, прослеживается аналогия с индуктивными датчиками, В индуктивных датчиках также происходит изменение магнитного сопротивления, но за счет длины или сечения воздушного зазора. В магнитоупругих датчиках зазор не нужен, сердечники могут быть замкнутыми.

Так же, как и индуктивные, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных, трансформаторных, дифференциально-трансформаторных.

Зависимость магнитной проницаемости от механических напряжений имеет нелинейный характер. Связанно это как с нелинейностью кривой намагничивания, так и с нелинейной зависимостью деформаций от усилия. Нелинейность магнитоупругого эффекта выражена очень сильно. Например, в слабых магнитных полях магнитная проницаемость под действием механических напряжений возрастает, а в сильных полях уменьшается. Однако при определенных значениях напряженности магнитного поля в сердечнике можно получить изменения магнитной проницаемости Δμ сердечника от относительной деформации Δℓ/ℓ или нормального механического напряжения σ в зоне линейной деформации, близкой к линейной зависимости. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пермаллоевых (железокобальтовых и железоникелевых) сплавах. Относительная деформация в зоне упругих деформаций связана с механическим напряжением через модуль упругости Е: Δℓ/ℓ = Eσ.

Чувствительность магнитоупругого датчика может достигать значений 200-300. К достоинствам магнитоупругих датчиков следует отнести высокую чувствительность и возможность измерения больших усилий (до нескольких тысяч тонн). В то же время магнитоупругие датчики имеют и следующие недостатки: наличие температурной погрешности, вызванной влиянием температуры окружающей среды на магнитные свойства сердечника, наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механического, связанного с остаточной деформацией), наличие погрешности, вызванной колебаниями напряжения питания. Необходимо отметить, что в магнитоупругих датчиках имеет место и еще одно физическое явление – магнитострикционный эффект. Его действие обратно магнитоупругому эффекту. Ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, изменяет свои геометрические размеры, т.е. в нем появляются механические деформации.

В переменном магнитном поле и деформации будут переменными. А так как знак деформации не зависит от напряжения магнитного поля, то частота колебаний деформации будет в два раза выше частоты переменного тока. На этом принципе работают, например, магнитострикционные излучатели ультразвуковых колебаний.

Емкостные датчики. Представляют собой конденсатор, емкость которого изменяется под влиянием какой-нибудь неэлектрической величины, функционально связанной с одним из параметров, определяющих емкость конденсатора (прил.1, п.7).

Чувствительность датчика непостоянна в диапазоне возможных перемещений х. Она максимальна при малых входных сигналах (когда пластины расположены близко друг к другу) и значительно уменьшается при удалении пластин.

При включении емкостного датчика в измерительную мостовую схему переменного тока чувствительность измерения можно увеличить повышением напряжения питания моста. Для повышения чувствительности измерительной схемы с емкостным датчиком необходимо повышать частоту питающего напряжения. Однако при этом необходимы специальные меры по экранированию схемы и подводящих проводов для уменьшения погрешности измерения, вызванной токами утечки и токами наводки.

Для повышения точности и чувствительности, а также с целью уменьшения механических сил емкостный датчик выполняют дифференциальным и включают в мостовую схему. Датчик представляет собой плоский конденсатор с металлической обкладкой 1, на которую действует измеряемая сила F. Обкладка 1 закреплена на упругой подвеске 6 и под действием силы F перемещается параллельно самой себе. Две неподвижные обкладки 2 и 3 изолированы от корпуса специальными прокладками 4 и 5. При отсутствии силы F обкладка занимает симметричное положение относительно неподвижных обкладок 2 и 3. При этом емкость конденсатора, образованного пластинами 1 и 2, равна емкости конденсатора, образованного пластинами 1 и 3: С_1-2 = С_1-3 = С. Под действием измеряемой силы F, преодолевающей противодействие упругой подвески 6, обкладка 1 перемещается, и емкость верхнего и нижнего конденсаторов получает приращения разных знаков:

С_1-3 = С + ΔС; С_1-2 = С-ΔС.

Поскольку эти емкости включены в смежные плечи мостовой схемы, чувствительность измерительной схемы возрастает вдвое. Силы, действующие между парами обкладок, направлены противоположно друг к другу, т.е. взаимно компенсируются.

Питание моста осуществляется от генератора высокой частоты в несколько килогерц. Напряжение в измерительной диагонали моста ΔU зависит от измеряемой силы. При изменении направления силы действия изменяется фаза выходного напряжения на 180°.

Емкостные датчики применяются в системах автоматического измерения толщины различных материалов и покрытий в процессе их изготовления и САР толщины выпускаемой продукции, влажности, загазованности и т.д.

Достоинством емкостных датчиков является простота конструкции, малая масса и небольшие размеры. Основные недостатки емкостных преобразователей – малая емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обуславливает другой недостаток – сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерений зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

Далее: 3.5. Генераторные датчики