7.4.2 Вихре токовые датчики
На рис. 7.11А показан датчик, состоящий из двух катушек, использующий вихревые токи для детектирования приближения объектов из немагнитных, но проводящих материалов. Одна из катушек является эталонной, а другая — чувствительной, реагирующей на вихревые токи, индуцируемые в проводящем объекте. Вихревые (круговые) токи формируют магнитное поле, направленное навстречу полю чувствительной катушки, приводящее к разбалансу между двумя катушками. Чем ближе объект придвигается к катушке, тем больше изменяется магнитное сопротивление. Толщина слоя, в котором циркулируют вихревые токи, определяется следующим выражением:
где f— частота, а σ— удельная проводимость объекта. Для эффективной работы датчика толщина объекта должна быть больше величины . Очевидно, что вихретоковые детекторы не следует применять для работы с металлизированными пленками и фольгой. Обычно зависимость между импедансом катушки и расстоянием до объекта х является нелинейной и температурочувствительной. Диапазон рабочих частот вихретоковых детекторов лежит в диапазоне 50 кГц... 10 МГц.
На рис. 7.11Б и 7.11В показаны две конфигурации вихретоковых датчиков: с экранированием и без. В состав экранированного датчика входит металлический кожух вокруг ферритового сердечника и катушек. Он фокусирует электромагнитное поле на переднюю часть датчика. Это позволяет встраивать датчики такого типа в металлические структуры без изменения диапазона измерений. Неэкранированный датчик обладает чувствительностью к перемещению не только с переднего конца, но и с боковых сторон. Поэтому диапазон измерения неэкранированного датчика несколько выше, чем у экранированного точно такого же диаметра. Для корректной работы в окружении неэкранированного датчика не должно быть металлических объектов.
Вихретоковые датчики могут не только определять положение объектов, но также измерять толщину материалов, толщину непроводящих покрытий, удельную проводимость и дефекты в изделиях. Дефектоскопия — это наиболее популярная область применения датчиков данного типа. В некоторых случаях используются не две, а большее число катушек: одна часть из них имеет очень маленький диаметр (2-3 мм), а другая - довольно большой (25 мм). Некоторые производители изготавливают вихретоковые детекторы с уникальными характеристиками под конкретные заказы (например, Staveley instruments, Inc.,Kennewick, WA). Главное достоинство таких электромагнитных детекторов заключается в том, что они не нуждаются в магнитных материалах, и за счет этого они могут работать достаточно эффективно при высоких температурах (значительно превышающих температуру Кюри для магнитных материалов), поэтому они часто применяются для измерения уровней расплавленных металлов и других проводящих жидкостей. Другое достоинство вихретоковых датчиков — отсутствие механической связи с объектом, поэтому нагрузка практически никак не влияет на их работу.
7.4.3 Поперечный индуктивный датчик
Другое устройство для определения положения объекта называется поперечным индуктивным датчиком приближения. Этот датчик применяется для измерения сравнительно небольших перемещений объектов из ферромагнитных материалов Как следует из названия, такой детектор определяет расстояние до объекта, оказывающего влияние на магнитное поле в катушке. Индуктивность катушки измеряется при помощи внешней электронной схемы (рис. 7.12). Принцип действия такого преобразователя основан на явлении самоиндукции.
При попадании ферромагнитного объекта в окрестность датчика приближения, его магнитное поле изменяется, что приводит к изменению индуктивности катушки. Поскольку взаимодействие с объектом осуществляется только через магнитное поле, этот преобразователь является бесконтактным устройством, что является несомненным его достоинством. К недостаткам таких датчиков относится то, что они могут работать только с ферромагнитными объектами и измерять лишь небольшие расстояния.