Индуктивные датчики

Основные положения

Уравнение, определяющее индуктивность обмотки, имеет следующий вид:

L = ω2μА /l (2)

где ω — число витков;

А — площадь поперечного сечения магнитной цепи;

l — ее длина;

μ — магнитная проницаемость.

Из уравнения (2) следует, что изменения индуктивности L, можно достичь изменением длины l (воздушного зазора), поперечного сечения А или магнитной проницаемости μ. Длина и сечение магнитопровода являются геометрическими размерами; магнитная проницаемость может быть изменена, например, путем приложения механических усилий, для магнитоупругих чувствительных элементов.

Чувствительные элементы с подвижным якорем

При перемещении железного якоря в катушке перераспределяется число силовых линий, проходящих внутри якоря или по воздуху, что вызывает изменение магнитного сопротивления, а следовательно, индуктивности L. Изменение индуктивности зависит от перемещения якоря нелинейно, поэтому чаще применяют дифференциально-включенные системы. В этом случае при ходе якоря индуктивность одной катушки увеличивается на +ΔL, а индуктивность другой уменьшается на равное значение -ΔL. С помощью, например, мостовой схемы разность изменений индуктивностей может быть преобразована в электрическое напряжение.

В отличие от описанных индуктивных элементов, выходной величиной которых является изменение индуктивности, преобразуемое затем с помощью электрической схемы в напряжение, чувствительные элементы, основанные на дифференциально-трансформаторном принципе, позволяют непосредственно получить в качестве выходной величины напряжение.

Чувствительный элемент состоит из первичной катушки, к которой приложено переменное напряжение, и двух вторичных катушек, в которых при симметричной конструкции и среднем положении якоря индуцируются одинаковые напряжения. Вторичные катушки включены дифференциально, и раз¬ность напряжений на выходных клеммах равна нулю. При смещении якоря возникает разность напряжений, линейно зависящая от хода якоря.

Характеристика индуктивных элементов с подвижным якорем:

-входная величина: линейное перемещение, угол отклонения;

-выходная величина: изменение индуктивности, переменное напряжение;

-диапазон измерения: 80 % длины катушки;

-погрешность от нелинейности: 1—3 %;

-частотный диапазон: 0—104 Гц;

-преимущества: высокая чувствительность, простота конструкции, отсутствие износа, применимость при больших перемещениях якоря.

Датчики данных систем имеют существенные недостатки – это нелинейность характеристики и чувствительность к внешним магнитным полям.

Чувствительные элементы с поперечным перемещением якоря

Индуктивный чувствительный элемент с поперечным перемещением якоря предназначен для измерения малых перемещений и их изменений. Для достижения возможно большей чувствительности и линейной характеристики чувствительный элемент выполняют в виде сдвоенных катушек с воздушными зазорами. Катушки одинаковы, якорь расположен между двумя магнитопроводами с зазорами.

При перемещении якоря на расстояние Х изменяются индуктивности L1 и L2 обмоток. В зависимости от направления перемещения одна из индуктивностей увеличивается, а другая уменьшается. На выходе формируются два сигнала, направленных навстречу друг другу. Разность этих сигналов поступает в измерительный канал, состоящий из преобразователей и измерительного прибора. Наличие двух дифференциально включенных индуктивностей не только обеспечивает удвоенную чувствительность по сравнению с одно-катушечной системой и улучшенную линейность характеристики, но и одновре¬менно компенсирует влияние изменений температуры и потоков рассеивания. Так как погрешности, вызванные влияющими величинами, взаимно компенсируются, а реакция на изменение неэлектрической величины гораздо сильнее. Данное свойство относится ко всем типам дифференциальных датчиков.

Характеристика элементов с поперечным перемещением якоря.

-входная величина: перемещение;

-выходная величина: индуктивность;

-диапазон измерения: до 1 мм;

-погрешность от нелинейности: 1—3 %;

-частотный диапазон: 0—104 Гц;

-преимущества: крайне высокая чувствительность, конструктивная простота;

-недостатки: нелинейность, незначительный диапазон измерений, чувствительность к внешним магнитным полям, большое измерительное усилие.