3. Датчики реактивного сопротивления

К датчикам реактивного сопротивления относятся индуктивные и емкостные датчики.

Индуктивные датчики работают на переменном токе. Принцип действия их основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом при перемещении якоря. Если к якорю прямо или косвенно присоединить рабочий механизм, то величину его перемещения можно определить по величине воздушного зазора  между якорем и сердечником электромагнита. Индуктивность контура обратно пропорциональна величине , поэтому при увеличении  увеличивается ток в катушке датчика вследствие уменьшения индуктивного сопротивления контура.

; ; , (30)

где r, x_L, z – активное, индуктивное, полное сопротивление контура;  - угловая частота; f – частота питающей сети.

При постоянных U, R, f ток датчика зависит только от :

, (31)

где k – коэффициент чувствительности датчика по току.

Статическая характеристика индуктивного датчика нелинейна в области малых и больших . Большинство датчиков рассчитывают для работы при частотах питающей сети до 5000 Гц, поскольку при высоких частотах значительно возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление. Область применения – измерение линейных и угловых перемещений объекта, а также давления.

Рисунок 36 – Схемы индуктивных датчиков

Индуктивные датчики используются в четырех основных исполнениях (рис.2): с подвижным якорем (а); с подвижным сердечником (б); с поворотным якорем (в); магнитоупорного типа (г).

Датчик с подвижным якорем имеет два сердечника с двумя симметрично расположенными катушками индуктивности и якорем, связанным с измеряемым объектом. При нулевом положении якоря воздушные зазоры ₁ и ₂ с обеих сторон равны, как и индуктивные сопротивления катушек. Следовательно, токи I₁ и I₂, проходящие по резисторам R₁ и R₂ , равны и направлены встречно. Выходное напряжение, снимаемое с резисторов, равно нулю. При смещении якоря нарушится баланс токов, поэтому появится выходное напряжение, пропорциональное величине перемещения якоря с учетом знака (фазы) перемещения. Такой датчик можно назвать двухтактным или реверсивным. Если использовать половину датчика (с одним сердечником), то можно получить следующее соотношение тока от перемещения δ:

, (32)

где μ₀ – магнитная проницаемость воздушного зазора; S_δ – активная площадь электромагнита.

Датчик с подвижным сердечником имеет две симметричные катушки индуктивности цилиндрической формы, которые расположены на одной оси. Внутри катушек вдоль их оси перемещается сердечник, связанный с измеряемым объектом. Принцип действия аналогичен датчику с подвижным якорем, но с меньшей точностью. Оба датчика используют для измерения линейных перемещений.

Для измерения угловых перемещений применяется датчик с поворотным якорем – трансформаторный датчик. Он является реверсивным и учитывает не только величину углового перемещения, но и его знак. Когда якорь находится в нулевом положении (симметричен относительно сердечника), то наведенные в обмотках w₁ и w₂ электродвижущие силы равны по величине и направлены встречно друг другу. Напряжение U_вых = 0. При разбалансе якоря , где  – угол поворота якоря (вала).

Магнитоупругий датчик используется для измерения давления в среде. Индуктивность датчика изменяется вследствие изменения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов под действием механических напряжений. Имеет большую погрешность.

Рисунок 37 – Типы емкостных датчиков

Емкостные датчики применяют для измерения линейных и угловых перемещений. На рисунке 37 показаны типы емкостных датчиков. Простейшим из них является датчик на плоском конденсаторе (рисунок 37,а), емкость которого равна

, (33)

где  - диэлектрическая проницаемость; S – активная площадь пластин конденсатора;  - расстояние между пластинами.

Одна из пластин должна быть подвижной и связанной с объектом, линейные перемещения которого измеряются. Емкость датчика от 10 до 100 пФ при частоте выше 1кГц, а точность – 0,1…0,01 мкм. Форма пластин может быть цилиндрической. Тогда емкость равна

, (34)

где r₁ и r₂ – радиусы внутреннего и наружного цилиндров;

На рисунке 3б изображен датчик с переменной S как датчик углового перемещения. Это воздушный конденсатор с набором параллельных пластин, часть которых способна поворачиваться на некоторый угол. Емкость датчика определяется по соотношению

, (35)

где α – угловое перемещение; S – активная площадь конденсатора при α = 0.

Датчик с переменной диэлектрической средой (рисунок 3в) представляет собой трубу, изолированную с внутренней стороны. В трубе расположен изолированный стержень, который вместе с трубой используется как электроды конденсатора. Датчик может быть использован для определения уровня жидкости, если поместить трубу в резервуар с жидкостью. Образуется коаксиальный конденсатор, емкость которого пропорциональна объему жидкости в трубе.Как и индуктивные емкостные датчики могут выполняться однотактными и двухтактными.