КР_ИАТК_Синяк

Индуктивные датчики механических перемещений

Однотактный индуктивный датчик перемещения

Воснове большинства индуктивных датчиков лежит принцип преобразования амплитуды колебаний контура в дискретный сигнал, подаваемый на выходной ключевой усилитель. В результате в зависимости от степени воздействия контролируемого объекта на сенсор (расстояния между объектом и сенсором) на выходе датчика можно получить только два типа сигнала: включено - выключено. Этого достаточно для ситуаций, когда необходимо определить наличие или отсутствие объекта, количество объектов, провести их сортировку, выбраковку, оперативно отключить, например, двигатель или механизм.

Однако на производстве иногда возникает необходимость определить не только присутствие объекта в зоне чувствительности датчика, но также определить вектор его движения, скорость, расстояние до него, характер поверхности. Дискретные датчики этого сделать не смогут.

Использование датчиков с аналоговой схемой в выходном каскаде, индуктивных преобразователей перемещения (ИПП) эти задачи решает. Постоянно снимаемый с чувствительной поверхности сигнал несёт информацию о пространственно-временных изменениях, происходящих с контролируемым объектом. После прохождения через детектор и усилитель из сигнала можно выделить информационную составляющую и подать её на специальное устройство или прибор для наглядного отображения.

При выборе аналогового датчика учитывают такие важные технические характеристики как рабочий зазор, линейная зона рабочего зазора и линейность.

Рабочий зазор показывает минимальное и максимальное расстояние от объекта воздействия до чувствительной поверхности датчика. Для разных видов аналоговых датчиков он может составлять от 0,8 мм до 30 мм при ширине чувствительной зоны от 4,2 мм до 25 мм.

Веё границах существует участок, где зависимость величины выходного

сигнала (Iвых или Uвых) от расстояния контролируемого объекта до чувствительной поверхности датчика пропорциональна. Его называют линейной зоной рабочего зазора.

"Качество" линейной зоны, то есть степень отклонения её от прямой, учитывается показателем "линейность". Он составляет 3 - 5 %, чем ниже значение, тем точнее зависимость.

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности обмотки при механических перемещениях элементов магнитной цепи датчика. На рисунке 1 представлена схема однотактного индуктивного датчика. Датчик состоит из неподвижного сердечника 1, на котором размещена обмотка 2, и подвижного якоря 3. Последовательно с обмоткой включено сопротивление нагрузки RH, с которого снимается

2

допустимой потере точности результатов расчета значительно упростить их выполнение.

К таким магнитным системам относятся, в частности, системы с концентрацией магнитного поля в малой рабочей области воздушного зазора как в рассматриваемом случае. Основное допущение, принимаемое для таких магнитных систем, состоит в учете только потока через область рабочего воздушного зазора, считая, что именно в этой области проходит 90 – 95% общего магнитного потока, остальные части магнитного потока, не замыкающиеся через рабочий воздушный зазор, называют потоками утечки (рассеяния) и исключают из модели (рисунок 3).

B

Рисунок 3 – Магнитное поле без учета потоков утечки.

В этом случае считается, что практически весь магнитный поток проходит через рабочий воздушный зазор и незначительная его часть выходит за пределы этого зазора (явление «выпучивания» магнитного поля за пределы зазора). Вблизи границы рабочего воздушного зазора магнитное поле плавно ослабевает до нуля. Ширина переходной области соизмерима с величиной воздушного зазора в рабочей части зазора (рисунок 3).

Если ширина «а» (рисунок 4) рабочего воздушного зазора (в обоих направлениях) значительно больше величины δ (рисунок 3), можно пренебречь явлением выпучивания и считать, что все магнитное поле сосредоточено в пределах рабочего воздушного зазора (рисунок 4). В случае равномерного зазора магнитное поле в зазоре будет равномерным на всей площади зазора. Для такого случая магнитное сопротивление воздушного промежутка можно определить по формуле

5

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов (отношение В/Н) при малых значениях индукции В имеет величину 103 - 105, поэтому магнитное сопротивление ферромагнитных участков магнитной цепи, несмотря на большую их длину, может быть существенно меньше магнитного сопротивления воздушных зазоров. Это позволяет в процессе предварительного расчета пренебречь магнитным сопротивлением участков магнитопровода, что значительно упрощает выполнение расчета. На последующих этапах расчета и проектирования устройства с магнитопроводами следует обеспечить значения индукции В в участках магнитопровода не приближающееся к области насыщения. Ориентировочно область допустимых магнитных режимов выделена пунктиром на рисунке 5.

Для выполнения предварительного расчета индуктивного датчика, показанного на рисунке 1 введем следующие допущения:

1 – величина индукции в магнитопроводах датчика (сердечник и якорь) мала по сравнению с индукцией насыщения, относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала имеет большое значение, следовательно, магнитным сопротивлением этих участков магнитной цепи можно пренебречь (Rmi<<RВ);

2 – магнитные потоки рассеяния пренебрежимо малы по сравнению с рабочим магнитным потоком;

3 – толщина рабочего воздушного зазора много меньше его ширины, что позволяет не учитывать выпучивание магнитного поля на границах зазора;

4 – величина воздушного зазора δ постоянна по всей его площади, что позволяет считать поле в рабочем воздушном зазоре равномерным, следовательно, можно воспользоваться формулой (5);

5 – активное сопротивление обмотки датчика много меньше его индуктивного сопротивления (RD<<XD);

6 – нагрузка, включенная в цепь датчика чисто активная, и ее сопротивление много меньше сопротивления обмотки (RH<<XD).

С учетом допущений 1, 2, 3, 4 RmΣ = RВ, для которого li=2 δ получим, соответственно,

0 S B

Подставляя найденное значение L в (2) и учитывая допущения 5 и 6, получим

7

δ2

δ1

±x

Тр

UПИТ

Рисунок 7 – Дифференциальная схема включения индуктивного

датчика.

направлены встречно (в противофазе) и результирующий ток в нагрузке равен их разности.

Величина каждого из контурных токов зависит от индуктивности соответствующего однотактного датчика как рассмотрено выше (8). Воздушный зазор в магнитных цепях определяется начальным зазором δ0 и смещением якоря x (рисунке 7)

Подставляя (8) в (12) с учетом (13), получим

где U0 – напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Графически построение статической характеристики двухтактного индуктивного датчика показано на рисунок 8.

10