4. Индуктивные измерительные преобразователи. Принцип действия. Однотактный индуктивный датчик.

Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.

Индуктивные датчики отличает ряд достоинств: простота и прочность конструкции, надежность в работе, отсутствие скользящих контактов, большая величина мощности на выходе (до нескольких десятков ватт), высокая чувствительность (до 100 В/мм).

Рассмотрим работу однотактного индуктивного преобразователя (рис. 5.7, а). Выходной сигнал получают в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки R_H, включенного в цепь обмотки 2, помещенной на сердечнике 1. Питание осуществляется переменным напряжением U c частотой от 50 до нескольких тысяч герц. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяется зазор 5. Выходное напряжение датчика

Среднее значение тока в рабочей цепи преобразователя

где R - суммарное активное сопротивление цепи, R = R_H + R₀; R₀ - сопротивление обмотки - реактивное сопротивление цепи; ω - круговая частота.

Индуктивность обмотки L является функцией размера зазора с магнитным сопротивлением r_δ:

где w - число витков обмотки; μ₀ - магнитная проницаемость воздуха в зазоре; S - площадь поперечного сечения зазора.

Учитывая, что на практике для индуктивных преобразователей выполняется условие R << X_L и подставляя выражение (5.6) в (5.5), получаем

Коэффициент преобразования K = UR_H/(wμ₀Sw²) - величина постоянная, поэтому статическая характеристика U_Bblx = f(δ) должна представлять собой прямую, проходящую через начало координат под углом α = arctgK к оси абсцисс (рис. 5.7, б, штриховая линия). Реальная характеристика преобразователя, показанная на рисунке сплошной линией, отличается от идеальной. Это объясняется тем, что при малых значениях δ допущение r_m << r_δ становится неверным, так как магнитное сопротивление ферромагнитного участка магнитной цепи r_т становится соизмеримым с магнитным сопротивлением зазора r_δ; при больших значениях 5 падает индуктивность обмотки L и реактивное сопротивление X_L становится соизмеримым с активным сопротивлением магнитной цепи, т.е. R ≈ X_L. Это несоблюдение принятых в начале рассмотрения допущений и приводит к искажению статической характеристики.

Анализ принципа действия и статической характеристики однотактного измерительного индуктивного преобразователя позволяет выявить следующие его недостатки: фаза выходного сигнала не зависит от направления перемещения якоря; для измерения перемещения в обоих направлениях необходим начальный зазор δ₀, что приводит к наличию остаточного (начального значения) напряжения U_вых0 (см. рис. 5.7, б); на якорь постоянно действует электромагнитная сила, стремящаяся притянуть его к ярму. При большой мощности сигнала выходной цепи она может принимать существенные значения, что требует введения компенсирующих сил, создаваемых противодействующими пружинами, а это значительно усложняет устройство.