7.4 Индуктосин
Дальнейшее увеличение электрической редукции стало возможным с созданием нового типа датчика, получившего название индуктосин. Принципиальное отличие индуктосина от многополюсного СКВТ и редуктосина заключается в отказе в конструкции датчика от магнитопроводов из ферромагнитных материалов и применении печатных обмоток на роторе и статоре. Индуктосин представляет собой воздушный трансформатор с распределенными обмотками. Он состоит из двух плоских пластин или дисков из изоляционного материала, на которых нанесены печатные проводники. Внешний вид такого диска показан на рис.73.
Рис. 73.
Вид ротора индуктосина.
На рис.74 показано сечение статора и ротора плоскостью перпендикулярной направлению печатных проводников.
Обмотка статора подключена к источнику переменного тока и по ней протекает синусоидальный переменный ток. В соседних печатных проводниках статора ток протекает в противоположных направлениях, что отмечено знаками «х» и «.» на рис.73.
Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг себя магнитное поле. Это поле наводит в проводниках ротора ЭДС, величина которой зависит от расстояния между проводниками
(49)
Здесь eij – ЭДС, наведенная в j-м проводнике ротора током, протекающим по i – му проводнику статора. Суммарная ЭДС в j-м проводнике ротора обусловлена воздействием всех проводников статора, но фактически только несколькими ближайшими проводниками, т.к. с увеличением расстояния между проводниками rij их взаимодействие ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
Величина и фаза суммарной ЭДС всей роторной обмотки складывается из ЭДС отдельных проводников ротора и существенно зависит от положения ротора относительно статора.
Рис.74
Формирование сигнала в индуктосине.
Если проводники ротора расположены точно над проводниками статора, величина суммарной ЭДС в роторе будет максимальной, а фаза ЭДС будет определяться направлением тока в ближайшем проводнике статора. Если проводники ротора расположены точно посередине между проводниками статора, то амплитуда суммарной ЭДС в обмотке ротора будет равна нулю.
Зависимость амплитуды ЭДС в обмотке ротора от перемещения ротора относительно статора показана на рис.75. Изменение знака амплитуды соответствует фазы напряжения на 1800. Зависимость близка к синусоидальной, период равен d – двойному шагу проводников статора и ротора. Недостатком индуктосина является малая величина полезного сигнала. Типичное значение максимальной величины амплитуды ЭДС в роторной обмотке – порядка 20÷50 милливольт, что требует применения усилительных звеньев, увеличивает ошибку преобразования сигналов и влияние шумов на точность измерения.
Рис.75.
Зависимость выходного сигнала индуктосина от угла поворота ротора.
Оценим возможное число пар полюсов индуктосина, которое равно числу пар печатных проводников ротора или статора. Это число определяется размером (диаметром) ротора (статора) и минимальным шагом размещения проводников d/2. Современные технологии позволяют изготовлять печатные проводники с шагом в десятые доли миллиметра. Примем, что средний диаметр ротора Dср=50 мм, а минимальный шаг печатных проводников d/2=0,2 мм. В этом случае число пар полюсов индуктосина будет равно
Современные технологии позволяют изготавливать индуктосины с числом пар полюсов до нескольких сотен, что дает возможность иметь точность измерения углов поворота в единицы и доли градуса.
Ограничение по числу пар полюсов (количеству печатных проводников) индуктосина определяется не только возможностью изготовления печатных проводников с малым шагом (в микросхемах расстояние между проводниками доходит до долей микрометра) но и тем, что расстояние Δ между дисками (ротором и статором) (рис.74) должно быть значительно меньше шага печатных проводников d (рис.74). Амплитуда синусоидального сигнала индуктосина сильно зависит от соотношения Δ и d. С увеличением Δ амплитуда результирующего сигнала в обмотке индуктосина уменьшается пропорционально примерно квадрату увеличения этого отношения, поскольку уменьшается разность расстояний между ближайшими проводниками ротора и статора.
Если проводники ротора и статора располагаются точно друг над другом, то расстояние от проводника ротора до соседних проводников статора составит
.
Поскольку ЭДС в обмотке ротора от этих
проводников находится в противофазе с
ЭДС от ближайшего проводника, то при
суммарная ЭДС будет равна нулю.
При уменьшении размера Δ уменьшаются допуски на отклонения от плоскостности поверхности дисков, на соосность сопряжения отверстия диска и поверхности вала, эксцентриситет вала и его опор, повышаются требования к допустимым перекосам диска при установке его на вал и другие конструктивные и технологические параметры. Это приводит к усложнению конструкции и существенному увеличению стоимости датчика.
Сигналы индуктосина получают большие искажения от воздействия внешних магнитных полей, что снижает достижимую точность измерения.
Дальнейшее увеличение коэффициента электрической редукции (числа пар полюсов) с целью повышения точности измерения угловых и линейных перемещений требует использования других физических явлений, поскольку возможности использования явления электромагнитной индукции практически исчерпаны.