5. Индуктивные измерительные преобразователи. Принцип действия. Двухтактный индуктивный датчик. Дифференциальная и мостовая схема.

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.

Дифференциальная схема включения индуктивного измерительного преобразователя требует использования трансформатора со средней точкой (рис. 5.8). Оба сердечника идентичны по своим конструктивным и магнитным характеристикам. Расположенные на них обмотки w₁ и w₂ имеют также одинаковые параметры и включены последовательно-встречно. Сопротивление нагрузки R_H включается между средней точкой трансформатора и средней точкой обмоток преобразователя.

В такой схеме ток I_вых, протекающий по сопротивлению нагрузки, равен разности токов правой и левой половин схемы. В векторной форме это равенство примет следующий вид:

а выходное напряжение

При отсутствии входного сигнала зазоры δ₁ и δ₂ между якорем и ярмом одинаковы: δ₁ = δ₂ = δ₀. Равны и индуктивности L₁ и L₂ обеих половин датчика, определяемые размерами зазоров. Следовательно, выходное напряжение преобразователя U_вых равно нулю (рис. 5.9, а).

При перемещении якоря на расстояние X зазоры δ₁ и δ₂ становятся неравными:

Изменение зазоров приводит к изменению индуктивностей: увеличение δ₁ ведет к уменьшению L₁ а уменьшение δ₁ - к увеличению L₂. Изменение индуктивностей плечей датчика приводит к дисбалансу токов I₁ и I₂, в результате чего через сопротивление нагрузки потечет ток I_н = I_вых, и появится выходное напряжение (рис. 5.9, б).

Если изменяется направление перемещения якоря, фаза выходного напряжения сдвигается на 180° относительно напряжения питания, являющегося опорным (рис. 5.9, в).

Принцип действия мостовой схемы индуктивного преобразователя (рис. 5.10) аналогичен принципу действия дифференциальной схемы. Выходное напряжение мостовой схемы

В исходном состоянии при δ₁ = δ₂ = δ₀, L₁ = L₂ = L_o, Uвых = 0, так как l₁ = l₂. Перемещение якоря вправо на расстояние X приводит к изменению зазоров: δ₁ = δ₀ + X; δ₂ = δ₀ - X, а также индуктивностей плечей моста:

Считая, что активное сопротивление обмоток мало по сравнению с их индуктивным сопротивлением, можно записать комплексные выражения величин l₁ и l₂ в следующий алгебраической форме:

где j - мнимая единица.

Тогда разность токов

На основании выражения (5.8) можно записать: L₂ – L₁ = 2ΔL; L₂ + L₁ = 2L₀; L₂L₁ = L₀² - ΔL² = ΔL². При малых изменениях зазора 5 функция L = f(x) практически линейна, и для нее справедливо отношение ΔL = (L₀/δ₀)X; соответственно выражение (5.9) будет иметь вид

Умножив и разделив последнее выражение на (R – jwL₀)² и выделив действительную и мнимую части, получим модуль разности токов I₁ и I₂:

а выходное напряжение согласно формуле (5.7) запишем в виде

Так как все параметры за исключением X являются постоянными, то выражение (5.10) можно привести к виду

где K = 2UwL₀R/[δ₀(R² + w²L₀²)] -коэффициент преобразования индуктивного датчика.

Таким образом, статическая характеристика двухтактного индуктивного измерительного преобразователя представляет собой функцию вида U_вых= KX₁ что соответствует прямой, проходящей через начало координат под углом α = arctg K (рис. 5.11).

Как видно из рисунка, при изменении направления перемещения входной величины X фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Кроме того, с увеличением входного сигнала наблюдается отклонение выходной характеристики от линейной, что объясняется уменьшением индуктивного сопротивления wLи приближением его значения к сопротивлению нагрузки. В связи с этим значение ΔX для реверсивных индуктивных датчиков не должно превышать (0,3...0,4)δ₀. В этом случае выходную характеристику можно считать линейной.