2.6. Электромагнитные преобразователи

Электромагнитный преобразователь (ЭМ) представляет собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, протекающими по контурам, так и внешними источником. Одноконтурный ЭМ преобразователь характеризуется током i через контур, потокосцеплением = Li, противо-ЭДС e = – d /dt, энергией электромагнитного поля W_м = i/2, индуктивностью L. Выходной величиной одноконтурного ЭМ преобразователя может быть: индуктивность L, электромагнитная сила F_эм и индуцируемая в контуре ЭДС е_инд.

У ЭМ преобразователя с ферромагнитным сердечником изменение индуктивности происходит при изменении положения сердечника. Здесь входной величиной является перемещение, такой преобразователь называется индуктивным. Индуктивность L может зависеть от тока, протекающего через преобразователь и создающего собственное магнитное поле, и от параметров внешнего магнитного поля.

Преобразователи, принцип действия которых основан на использовании зависимости L = f(B), называются магнитомодуляционными. При деформации ферромагнетиков также меняется их магнитная проницаемость. Этот эффект называется магнитоупругим, используется в магнитоупругих преобразователях для измерения сил и давления.

Электромагнитная сила F_эм действует на контур с током, находящийся во внешнем магнитном поле (пропорциональное току i и индукции B), стремясь сместить или развернуть его так, чтобы суммарная индукция магнитного поля была минимальной. Если поддерживать ток постоянным, то по значению электромагнитной силы можно определить индукцию магнитного поля B. И наоборот, поддерживая B постоянным (постоянный магнит) по величине силы можно судить о величине тока i. Такие преобразователи называются магнитоэлектрическими.

Ферромагнитный сердечник втягивается в контур с током так, чтобы индуктивность контура была максимальной. В этом случае электромагнитная сила пропорциональна квадрату тока. Такие преобразователи называются электромагнитными и используются в измерительных механизмах электромеханических приборов.

Индуцированная ЭДС e_инд возникает в контуре, находящимся во внешнем магнитном поле, при изменении потокосцепления. Преобразователь, представляющий собой неподвижную катушку, может быть использован для измерения переменной магнитной индукции.

В постоянном магнитном поле ЭДС индуцируется только в движущемся контуре и для измерения индукции B контуру задают движение, например, вращение с постоянной скоростью. Возможно использовать преобразователь для решения обратной задачи определения по значению выходной ЭДС скорости при движении контура в поле с известной индукцией B. Преобразователи, выходной величиной которых является ЭДС e_инд, называются индукционными. Преобразователи, содержащие два или несколько контуров, называют трансформаторными или взаимоиндуктивными.

2.6.1. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики служат для преобразования углового или линейного механического перемещения в электрическое напряжение переменного тока [11]. Принцип действия таких датчиков основан на изменении индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником (собственно индуктивные датчики) или взаимоиндуктивности системы таких катушек (трансформаторные индуктивные датчики) при изменении величины измеряемого перемещения. Индуктивные датчики относятся к числу параметрических преобразователей сигнала и по принципу действия требуют питания от источника переменного тока.

Простейший индуктивный датчик с переменными величинами воздушного зазора (рис. 2.24, а) представляет собой катушку 1, размещенную на сердечнике 2 из ферромагнитного материала и включенную в цепь переменного тока последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. Якорь датчика 3 связан с источником измеряемого перемещения и может поступательно перемещаться относительно сердечника 2.

а б в Рис. 2.24. Простейший индуктивный датчик: а – принципиальная схема; б – зависимость индуктивности обмотки датчика от величины воздушного зазора; в – статическая характеристика датчика (1 – идеальная; 2 – реальная)

Индуктивность L катушки 1 с магнитопроводом 2 при наличии воздушного зазора δ равна:

, (2.29)

где w – число витков катушки; R_м.ст = l_м / (μS_м), R_ = 2δ / (μ₀S_) –магнитные сопротивления стального магнитопровода и воздушного зазора, Гн^-1; l_м – средняя длина стального магнитопровода, м;  – длина воздушного зазора, м; μ, μ₀ – магнитные проницаемости стального магнитопровода и воздуха, Гн/м; S_м, S_ – площади поперечного сечения стального магнитопровода и воздушного зазора, м².

Магнитное сопротивление R_м цепи определяется сопротивлениями стального магнитопровода (сердечника и якоря) R_м.ст и двух воздушных зазоров R_, т. е. R_м = R_м.ст + R_. Так как R_ >> R_м.ст, то индуктивность катушки (рис. 2.24, б)

.

Таким образом, индуктивность катушки обратно пропорциональна величине воздушного зазора. При этом напряжение на выходе датчика

(2.30)

где R_к и ωL – активное и индуктивное сопротивления катушки; R_н  – активное сопротивления нагрузки.

Обычно L >> R_к. Тогда при условии, что сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением катушки, выражение (2.30) можно представить в виде:

или U_вых = k, (2.31)

где – коэффициент передачи (чувствительность) индуктивного датчика.

Таким образом, при принятых допущениях статическая характеристика U_вых = φ(δ) индуктивного датчика будет линейной (прямая 1, рис. 2.24, в). Реальная же характеристика будет иметь нелинейные участки при малых и больших зазорах  (кривая 2, рис. 2.24, в). При малых δ сказывается сопротивление R_м.ст, а при больших  возрастают потоки рассеяния, которые не учитываются в выражении (2.31).

Индуктивные датчики с переменной величиной воздушного зазора применяют для измерений перемещений в диапазоне 0,01  1 мм. При больших величинах статическая характеристика датчика становится нелинейной.

Так как индуктивный датчик представляет собой амплитудный модулятор, то частота питающего напряжения выбирается, исходя из соотношения , в котором _mах обозначает максимально возможную частоту изменения измеряемого перемещения. В системах автоматического регулирования максимальная частота изменения входного сигнала

Гц. (2.32)

Поэтому для питания индуктивных датчиков обычно используют источники напряжения повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяет также значительно уменьшить габариты датчиков.

К недостаткам простейших индуктивных датчиков относятся наличие тока холостого хода и, следовательно, напряжения U_ост на выходе при  = 0, а также низкая чувствительность при малых перемещениях. Кроме того, эти датчики являются однотактными и поэтому не реагируют на изменение знака входной величины.

Отмеченные недостатки отсутствуют у двухтактных (реверсивных) индуктивных датчиков, обычно включаемых по дифференциальной или мостовой схемам.

На одну диагональ моста подается питающее напряжение U_пит, а в другую диагональ включено сопротивление нагрузки. Параметры схемы выбираются таким образом, что при среднем положении якоря мост сбалансирован и выходное напряжение датчика U_вых = 0. Это положение якоря датчика принимается за нуль отсчета величины измеряемого перемещения (рис. 2.25, а). При отклонении якоря от среднего положения равновесие моста нарушается и на сопротивлении нагрузки появляется напряжение, величина которого зависит от величины измеряемого перемещения l_х, а фаза изменяется на 180° при изменении знака l_х.

Достоинством дифференциальных датчиков является также меньшая (по сравнению с однотактными схемами) чувствительность датчика к колебаниям окружающей температуры вследствие того, что изменение сопротивления обмоток, расположенных в двух соседних плечах моста, не вызывает его разбаланса.

а б

Рис. 2.25. Дифференциальный индуктивный датчик: а – принципиальная схема; б – статическая характеристика

Отметим, что при l_х = 0 выходное напряжение дифференциального датчика равно нулю только в идеальном случае, при наличии полной электрической и магнитной симметрии обоих плеч датчика. Реальные датчики, вследствие неидентичности параметров магнитных сердечников и обмоток, всегда имеют некоторое остаточное напряжение (порядка единиц и десятков милливольт).

Для измерения больших перемещений (единицы и десятки миллиметров) используются дифференциальные индуктивные датчики соленоидного типа (рис. 2.26). Эти датчики состоят из двух катушек 1 и 2, заключенных в общий кожух и включенных в мостовую схему.

Измеряемой величиной является перемещение ферромагнитного сердечника 3, общего для обеих катушек. Принцип действия датчика аналогичен принципу действия датчика, изображенного на рис. 2.25, а, и не требует пояснений.