4.3 Трансформаторные (индукционные) датчики

Особенностью рассмотренных индуктивных датчиков является то, что для создания схемы включения, обеспечивающей двухтактность работы, требуется дополнительный дифференциальной трансформатор (рис. 44), имеющий свой магнитопровод (сердечник) и обмотки, что усложняет реализацию датчика. При использовании мостовой схемы включения (рис. 46) дополнительный трансформатор не требуется, но выходные (сигнальные) цепи гальванически связаны с источником питания, что может создать трудности для реализации последующих электронных цепей. Свободны от указанных недостатков датчики, в которых магнитные системы трансформатора и собственно датчика объединены. Такие датчики получили название трансформаторные или индукционные датчики. Один из вариантов трансформаторного датчика линейных перемещений показан на рис.51а. У этого датчика на всех трех стержнях магнитопровода размещены обмотки.

Рассмотрим эквивалентную электрическую схему, моделирующую процессы в магнитной системе датчика (рис.51б). Обмотка, размещенная на среднем стержне, подключается к источнику переменного тока. Ток, протекающий по этой обмотке создает намагничивающую силу J₀W₀, которая возбуждает магнитный поток Ф₀, разделяющийся на два потока Ф₁ и Ф₂ замыкающиеся по магнитопроводу.

а б

Рис. 51

Трансформаторный (индукционный) датчик .

Магнитный поток Ф₀ преодолевает магнитное сопротивление среднего стержня R_CT0 и сопротивление среднего воздушного зазора R_В0. Поток Ф₁ преодолевает магнитное сопротивление участка якоря R_Я1, левого воздушного зазора R_В1 и сопротивление левого стержня сердечника R_CT1. Поток Ф₂ преодолевает магнитное сопротивление участка якоря R_Я2, левого воздушного зазора R_В2 и сопротивление правого стержня сердечника R_CT2.

Если во вторичных обмотках протекают токи J₁ и J₂, то в левом и правом стержнях сердечниках действуют магнитодвижущие силы J₁W₁ и J₂W₂ , направленные навстречу потокам Ф₁ и Ф₂ соответственно.

В соответствии с допущениями 1 – 4 магнитными сопротивлениями ферромагнитных участков магнитной цепи в первом приближении можно пренебречь. Если рассматривать работу датчика на холостом ходу (сопротивление нагрузки равно бесконечности, токи во вторичных обмотках отсутствуют) то эквивалентная схема упрощается (рис.52).

Рис. 52

Эквивалентная схема магнитной цепи трансформаторного датчика.

Запишем для двух контуров и одного узла в соответствии с законами Кирхгофа:

(37)

Представим эти соотношения в виде системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных Ф₀, Ф₁ и Ф₂.

, (38)

где

, ,(39)

Для решения этой системы уравнений удобно воспользоваться правилом Крамера

,

где Δ – определитель матрицы А, а Δ_i - определитель матрицы А, в которой i-й столбец заменен на вектор В.

Раскрыв определители, найдем

Используя найденные определители, получим

(40)

Магнитные сопротивления воздушных зазоров (с учетом допущений 2,3,4) можно записать:

, ,, (41)

где b –толщина сердечника и якоря.

Подставляя (41) в (40), найдем

(42)

Если магнитная система линейна (ферромагнетик имеет постоянную магнитную проницаемость) и ток в обмотке возбуждения J₀=J_MSin(ωt), то магнитные потоки в стержнях сердечника также синусоидальны и имеют амплитуды Ф₀,Ф₁ и Ф₂ соответственно.

Переменные (синусоидальные) потоки Ф₁ и Ф₂ наводят в обмотках W₁ и W₂ ЭДС

В качестве выходного сигнала датчика принимаем разность Е₂-Е₁, для чего сигнальные обмотки включаем встречно:

(43)

где .

Статическая характеристика датчика показана на рис.53. Чтобы оставались справедливыми допущения 2,3,4 перемещение х не должно превышать а₀₀.

Рис. 53

Статическая характеристика трансформаторного датчика.

Если сопротивление нагрузки конечное, то по сигнальным обмоткам будет протекать ток нагрузки и его надо учитывать при расчете характеристики датчика.

Трансформаторные датчики могут иметь разнообразные магнитные схемы в зависимости от решаемой задачи – величины и вида перемещения (линейное или угловое).

При конструировании индуктивных датчиков необходимо принимать специальные меры, уменьшающие величину активных потерь в магнитопроводе, вызываемых токами Фуко, поскольку магнитный поток переменный. Для этого магнитопроводы индуктивных датчиков выполняют шихтованными (набранными из тонких листов или стержней ферромагнитного материала электрически изолированных друг от друга) или применяют специальные ферромагнитные материалы с большим удельным электрическим сопротивлением (ферриты, карбонильное железо и т.п.).

Достоинства индуктивных датчиков

- отсутствие электрических цепей на подвижной части датчика и скользящих контактов, что обеспечивает высокую надежность и срок службы;

- большая амплитуда и мощность выходного сигнала;

- конструктивная гибкость, позволяющая создавать датчики для измерения как малых, так и больших линейных и угловых перемещений;

- высокая устойчивость к перегрузкам, вибрации и ударам;

- устойчивость к климатическим воздействиям – температуре, давлению и влажности среды;

- устойчивость к воздействию проникающей радиации.

Недостатки индуктивных датчиков

- большой вес и габариты;

- существенное обратное воздействие;

- работа только на переменном токе.