Лабораторная работа №5 изучение принципа действия индуктивного датчика перемещения

1. Цель работы

1.1. Изучить устройство и принцип действия индуктивного датчика.

1.2. Изучить схемы включения индуктивного датчика и экспериментально определить характеристики различных схем включения индуктивного датчика.

2. Краткая теория

2.1. Индуктивные датчики ли­нейного перемещения с переменной величиной воздушного зазора

Принцип работы индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом под воздействием раз­личных факторов. Они широко применяются при преобразовании линейных и угловых перемещений, при контроле изменения давле­ния, расходов жидкостей и газов и т. д. Индуктивность L катушки с магнитопроводом при наличии воздушного зазора δ равна:

где w – число витков катушки; R_м.ст = l_м/(μS_м), R_ = 2δ/(μ₀S_) – магнитные сопротивления стального магнитопровода и воздушного зазора, Гн^-1; l_м – средняя длина стального магнитопровода, м;  – длина воздушного зазора, м; μ, μ₀ – магнитные проницаемости стального магнитопровода и воздуха, Гн/м; S_м, S_ – площади по­перечного сечения стального магнитопровода и воздушного зазо­ра, м².

Согласно данному выражению индуктивные датчики можно построить на ис­пользовании изменения величин, входящих в это выражение. Наи­большее применение находят индуктивные датчики с переменными величинами воздушного зазора, площадью зазора или магнитной проницаемостью (магнитоупругие датчики).

На рис. 5.1, а изображен простейший индуктивный датчик ли­нейного перемещения с переменной величиной воздушного зазора , являющейся входной. Изменение воздушного зазора δ при пере­мещении якоря 1 относительно неподвижного магнитопровода 2 приводит к изменению индуктивности L катушки датчика 3. Магнитное сопротивление R_м цепи определяется сопротивлениями стального магнитопровода (сердечника и якоря) R_м.ст и двух воз­душных зазоров R_, т. е. R_м = R_м.ст + R_. Так как R_>> R_м.ст, то индуктивность катушки

.

Рис. 5.1

Отсюда видно, что индуктивность катушки обратно пропорциональна величине воздушного зазора. Ток в цепи катушки (рис. 5.1, а)

,

где R_к и х_к = ωL – активное и индуктивное сопротивления катуш­ки; R_н и х_н – активное и индуктивное сопротивления нагрузки.

При этом напряжение на выходе датчика

Обычно х_к>>R_к. При активной нагрузке Z_н = R_н, и при условии, что сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением катушки, вышеприведенное выражение можно представить в виде:

или U_вых=k,

где .

Таким образом, при принятых допущениях статическая характеристика U_вых=φ(δ) индуктивного датчика будет линейной (прямая 1, рис. 5.1, б). Реальная же характеристика будет иметь нелинейные участки при малых и больших зазорах  (кривая 2, рис. 5.1, б). При малых δ сказывается сопротивление R_м.ст, а при боль­ших  возрастают потоки рассеяния, которые не учитываются в вышеприведенном выражении.

Индуктивные датчики с переменной величиной воздушного за­зора применяют для измерений перемещений в диапазоне 0,11 мм. При больших величинах статическая характеристика датчика ста­новится нелинейной. Поэтому при перемещениях до 58 мм ис­пользуют индуктивные датчики с переменной площадью (рис 5.1, в), а при еще больших перемещениях (до 50 мм) – индуктив­ные датчики плунжерного типа (рис. 5.1, г). Для питания индук­тивных преобразователей применяется переменный ток как про­мышленной (50 Гц), так и повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяет уменьшить габариты датчиков.

К недостаткам простейших индуктивных датчиков относятся наличие тока I_х.х и, следовательно, напряжения U_ост на выходе при  = 0 (рис. 5.1, б), а также низкая чувствительность при малых перемещениях. Кроме того, эти датчики являются однотактными и поэтому не реагируют на изменение знака входной величины.

Отмеченные недостатки отсутствуют у двухтактных (реверсив­ных) индуктивных датчиков, обычно включаемых по дифференци­альной или мостовой схемам.