6.2.5. Дифференциальные трансформаторные датчики

Речь идет о датчиках с великолепными линейностью, разреше нием и чувствительностью; кроме того, эти датчики пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды.

Они имеют ряд преимуществ перед схожей с ним системой дифференциального включения двух индуктивных датчиков с подвижным сердечником, такие, как:

• значительное упрощение схемы, поскольку не требуются составление и балансировка моста;

• независимость контура возбуждения от измерительного контура с появлением между ними гальванической изоляции, облегчающей устранение влияния разности статических потен циалов между ними и позволяющей обойтись в некоторых слу чаях без использования усилителей с гальванической развяз кой.

Пример дифференциального трансформаторного датчика изображен на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7 - Дифференциальный трансформаторный датчик

Для дифференциального трансформаторного датчика характерны высокая чувствительность, линейность статической характеристики, а следовательно, точность преобразования и измерения. Трансформаторные датчики позволяют, например, измерять перемещения от 0,01 до 20 мм и более.

При изменение зазора  сопротивление z₁=L₁₀₁² S/2 также меняется. Происходит перераспределение напряжений U₁ и U₂.

Для определения выходного напряжения воспользуемся уравнениями [1, c. 418]:

(6.7)

(6.8)

С некоторым приближением выходное напряжение U_вых можно найти с помощью уравнений (6.9-6.10):

(6.9)

(6.10)

(6.11)

Таким образом, выходное напряжение прямо пропорционально разности зазоров ₂ -₁.

6.2.6. Датчики с изменяемой площадью зазора.

Для работы при больших перемещениях применяются датчики с изменяемой площадью зазора. Здесь напряжение на выходе зависит от площади воздушного зазора, которая изменяется при перемещении. Пример такого датчика изображен на рисунок 6.8.

Рисунок 6.8 - Датчик с изменяемой площадью зазора

6.2.7. Датчики с поворотной рамкой.

Для изменения угла поворота используются датчики с поворотной рамкой. Пример такого датчика изображен на рисунок 6.9.

Рисунок 6.9 - Датчик с поворотной рамкой

Выходное напряжение в таком датчике пропорционально синусу угла поворота

(6.12)

где, _р – число витков рамки;

B_Р – максимальное значение индукции в рабочем зазоре, Т;

S_P – площадь рамки, м²;

 - угол поворота.

6.2.8. Датчик с распределенными магнитными параметрами

Преобразователь с распределенными магнитными параметрами (рисунок 6.10.) предназначен для измерения больших линейных пере мещений и состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки возбуждения 1 и подвижной обмотки 2. При перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5 индукти рованная в обмотке 2 ЭДС возрастает, причем зависимость прираще ния ЭДС от перемещения обмотки 2 оказывается практически линейной, если магнитное сопротивление участка 3—5

Рисунок 6.10 - Датчик с распределенными магнитными параметрами

Магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора. Преобразователи подобного типа относительно просто выполнить и с требуемой функциональной зависимостью, применив для этого профилирован ный магнитопровод (рисунок 6.10, б). Неподвижные обмотки преобразователя соединены так, чтобы их потоки в магнитопроводе были направлены встречно. Тогда в положении 0—0 ЭДС подвижной обмотка будет равна нулю. При смещении обмотки вправо или влево от нейт рали в ней наводится ЭДС, фаза которой отличается на 180°. Подробно вопросы расчета и конструирования преобразователей с распре деленными параметрами и функциональных преобразователей рас смотрены в работах Л. Ф. Куликовского и его учеников.

В трансформаторном преобразователе с подвижным сердечником необходимо обеспечить такой режим питания, чтобы МДС первичной обмотки, а, следовательно, и ток I₁ первичной цепи не изменялись при перемещении сердечника. Для этого в одинарных преобразователях необходимо включить в первичную цепь высокоомный добавочный резистор, а в дифференциальных преобразователях – последова тельно соединить первичные обмотки, сопротивления которых изме няются с обратным знаком.

6.2.9 - Индуктосины

Для точного измерения угла поворота применяются круговые индуктосины с печатными обмотками. Принцип действия кругового индуктосина иллюстрируется рисунок 6.11

Рисунок 6.11 - Устройство индуктосина

На торцевых по верхностях, обращенных друг к другу и разделенных малым воздуш ным зазором (0,1—0,2 мм) (рисунок 6.11, а), ротор и статор несут печатные обмотки, имеющие вид радиального растра. Обмотка статора, к кото рой подводится напряжение питания высокой частоты (около 10 кГц), показана на рисунок. 6.111, б; обмотка ротора, в которой наводится ЭДС е_вых – на рисунок 2.11, в. На рисунок 2.11, г изображено сечение обмо ток и магнитное поле статора, напряженность которого Н_у меняется вдоль оси к. Максимальная ЭДС наводится в обмотке ротора, когда ее витки находятся под витками статора. При смещении обмотки на угол φ= /p, где p — число полюсных шагов статорной обмотки, угол сдвига индуктированной ЭДС изменяется на 180°. Симметрия ЭДС, наводимых в обмотке ротора в положениях а и б, нарушается из-за того, что электромагнитную связь имеют не только радиально рас положенные проводники обмоток, но и их лобовые части, расположен ные по окружности. ЭДС, индуктируемая в лобовых частях обмоток, не зависит от углового перемещения обмоток и дает постоянное сме щение. Для того чтобы это смещение исключить, применяется сек ционная обмотка, отдельные секции которой смещены относительно друг друга на угол /p и включены встречно, как показано на рисунок 6.11, в. При таком включении ЭДС радиальных участков обмотки складываются, а ЭДС дуговых участков вычитаются. Для однозначного определения направления поворота подвижного диска в пределах одного периода повторения кривой ЭДС вторичная обмотка выполняется многофазной, в простейшем случае — двухфаз ной, как показано на рисунок 6.11, в. Фазовые обмотки смещаются отно сительно друг друга на угол (2+ 1) /(2р). Тогда при смещении ро тора относительно некоторого положения, в котором ЭДС обмотки 1 считаем условно положительной, ЭДС е₁ и е₂ в обмотках 1 и 2 вдоль угла повороту диска будут меняться так, как показано на рис. 2.10, д. Значение е₁ определяет угол поворота, а угол сдвига е₂ относительно е₁ определяет направление угла поворота. Выходной величиной индуктосина может служить как ЭДС, индуктируемая во вторичной обмотке, так я ее фаза. Однако в том и другом случае измеряемое угловое пе ремещение не должно превышать полюсного деления, т. е.  = = ±/р. Для того чтобы измерять большие углы поворота, индуктосин дополняется датчиком грубого отсчета угла, который также может быть выполнен с применением печатных обмоток.

Технологически представляется достаточно сложным выполнить печатную обмотку так, как показано на рисунок 6.11, б, поскольку в ней шаг между проводниками неравномерный. Для того чтобы избежать этих технологических трудностей, обе обмотки ротора и статора выпол няются с равномерным шагом, но с разным числом витков. Причем эта разность подбирается таким образом, чтобы на части ротора занимаемой одной секцией обмотки первой фазы, набегало угловое смещение между обмотками ротора и статора, равное /(2р). Тогда ЭДС следующей секции, которая принадлежит второй фазе, будет сдвинута относительно ЭДС первой секции на электрический угол /2 ЭДС третьей секции, включаемая встречно с ЭДС первой, будет сдви нута относительно первой секции на угол л и т. д. Таким образом осуществляются те же сдвиги, что и в обмотках, показанных на рисунок 6.11, в. Вследствие веерного разнесения векторов ЭДС, индукти руемых в радиальных проводниках каждой секции, в пределах угла /2 их суммарная ЭДС падает на 10%.

Полюсный шаг в существующих индуктосинах составляет 0,5 – 1,5 мм, сопротивление обмоток небольшое (0,5 – 5 Ом), ток питания статорной обмотки 0,1 – 0,5 А, выходная ЭДС 5 – 10 мВ.

Основными источниками погрешностей индуктосинов являются неточность выполнения обмоток по углу, неплоскостность токопроводящих слоев ротора и статора и радиальные эксцентриситеты обмоток, вызванные несовпадением геометрических осей вращения обмоток с реальной осью вращения. Суммарная погрешность измерения углов с помощью индуктосинов составляет 3 – 10».