КР_ИАТК_Синяк
.pdf
JH
J1,2
J1 J2
JH
δ1,2
x
Рисунок 8 – Статическая характеристика двухтактного индуктивного датчика.
Статическая характеристика имеет практически линейный участок при малых значениях x, но к краям диапазона перемещения (± δ0) существенно отклоняется от линейной зависимости. Поэтому в зависимости от требуемой точности приходится ограничивать величину рабочего перемещения якоря. Считается, что для обеспечения точности преобразования в пределах (1 ÷ 2) %
рабочий диапазон перемещения x ( 0 ,2 0 ,5 ) . 0
Более точно вид статической характеристики и, соответственно, величина погрешности может быть получена на этапе проверочных расчетов за счет более подробного учета изменения магнитного сопротивления при перемещении якоря или экспериментально при исследовании макетного образца датчика.
Индуктивный датчик может использоваться и в других схемах включения. Так в схеме, показанной на рисунке 7 можно поменять местами подключение напряжения питания и нагрузочного сопротивления. В этом случае токи J1 и J2 будут синфазными, но ЭДС в выходной обмотке, наводимые этими токами, будут в противофазе, что обеспечит формирование двухтактной статической характеристики датчика такой же, как на рисунке 8.
Другим способом включения двух дифференциально изменяющихся индуктивностей L1 и L2 является мостовая схема (рисунок 9). В нее кроме индуктивностей включены два постоянных резистора с одинаковым сопротивлением R. К одной из диагоналей моста приложено напряжение питания U0, а с другой диагонали снимается выходной сигнал UH.
11
В исходном состоянии (при среднем положении якоря) индуктивности L1 и L2 равны между собой, следовательно, равны их реактивные и полные сопротивления и мост сбалансирован. Напряжение на выходе моста равно нулю. При смещении якоря на величину x произойдет разбаланс моста и на выходе появится напряжение, соответствующее величине перемещения. Фаза выходного напряжения будет определяться направлением смещения, т.е. статическая характеристика будет двухтактная, аналогичная показанной на рисунок 8.
L1 L2
UН
R R
U0
Рисунок 9 – Мостовая схема включения обмоток индуктивного датчика.
При разомкнутой цепи нагрузки (RH → ∞) напряжение в выходной диагонали моста (UH) (с учетом допущения 5) будет равно
|
|
|
L 2 |
|
1 |
(15) |
U H |
= U |
0 |
( |
− |
) |
|
|
|
|
L1 + L 2 |
|
2 |
|
Используя соотношение (7), получим
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
w |
2 |
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
U |
|
= U |
|
( |
|
|
|
|
2 ( |
0 |
− |
|
x ) |
|
|
|
− |
1 |
= U |
|
( |
|
|
|
0 |
− |
x |
|
|
− |
1 |
= U |
|
|
x |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
||||||||||
|
H |
|
0 |
|
w |
2 |
|
|
S |
|
|
|
|
|
w |
2 |
|
|
S |
|
2 |
|
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
0 |
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
0 |
B |
|
+ |
|
|
|
0 |
B |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
0 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 ( |
0 |
+ |
|
x ) |
|
|
2 ( |
0 |
− |
x ) |
|
|
|
|
0 |
+ |
x |
|
|
|
0 |
− |
x |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(16)
Более точное выражение для статической характеристики можно получить, учитывая активное сопротивление обмоток RD, используя более точный математический аппарат для расчета магнитного сопротивления датчика и влияние сопротивления нагрузки RH, включенной в выходную диагональ моста. При этом статическая характеристика станет нелинейной, но сохранит при малых x линейный участок. Наиболее достоверная статическая
12
характеристика может быть получена при экспериментальном исследовании макета спроектированного датчика.
Индуктивные датчики обладают большой конструктивной гибкостью. На рисунке 10 показан датчик угловых перемещений, полученный из рассмотренного (рисунок 7) датчика линейных перемещений. При угловых перемещениях якоря вокруг оси изменяются воздушные зазоры и, соответственно, индуктивности правой и левой обмотки. Датчик может быть включен в схемы, показанные на рисунке 7, 9, и будет иметь двухтактную статическую характеристику, подобную показанной на рисунке 8. Поскольку в соответствии с допущением 3 толщина зазора должна быть достаточно малой по сравнению со сторонами «а» (рисунок 4), диапазон измеряемых углов может составлять единицы или доли градуса. Следует отметить, что рабочий воздушный зазор в рассматриваемом датчике в общем случае не является плоским. Для предварительного расчета можно применить формулу (5), используя в ней среднее значение величины зазора.
Рисунок 10 – Двухтактный индуктивный датчик угловых перемещений.
Действие индуктивного датчика основано на изменении реактивного сопротивления обмотки, которое в свою очередь зависит от изменения магнитного сопротивления при перемещении подвижной части датчика. На величину магнитного сопротивления можно влиять не только изменением величины воздушного зазора δ, но и изменением площади зазора SB (5). Это дает возможность создания других конструктивных схем индуктивных датчиков, одна из которых показана на рисунке 11.
13
Х
Рисунок 11 – Двухтактный индуктивный датчик линейных перемещений.
Магнитное сопротивление левого допущений 1-6 описываются формулами
R B 1 |
= |
|
|
|
, |
|
b ( a 00 |
+ |
|||
|
|
0 |
x ) |
||
|
|
|
|
|
и правого
R |
|
= |
|
|
B 2 |
|
|
||
|
|
|
b ( a 00 |
|
|
|
0 |
||
|
|
|
|
зазоров в условиях
, |
(17) |
− |
x ) |
Магнитные потоки левого и правого зазоров преодолевают еще средний воздушный зазор с магнитным сопротивлением
R B 0 |
= |
|
|
. |
|
b |
|||
|
|
0 |
a 0 |
|
|
|
|
|
Соответственно индуктивности левой и правой обмоток
|
|
w |
2 |
|
|
b |
|
|
|
|
w |
2 |
|
|
b |
|
L1 |
= |
|
0 |
|
, |
L 2 |
= |
|
0 |
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
( |
|
|
|
+ |
) |
|
|
|
( |
|
|
|
+ |
) |
|
|
a 00 |
+ |
x |
|
a 0 |
|
|
|
a 00 |
− |
x |
|
a 0 |
||
(18)
(19)
При включении этих обмоток в схему, показанную на рисунке 7 или на рисунке 9 получаем двухтактный индуктивный датчик с перемещением якоря поперек силовых линий магнитного поля, обеспечивающего перемещение значительно больше по величине, чем рассмотренные выше датчики (рисунок 1 или рисунок 7) с перемещением якоря вдоль силовых линий.
Существенным недостатком индуктивного датчика является наличие большого «обратного воздействия» - электромагнитного усилия притяжения якоря к сердечнику. Это усилие действует на устройство, перемещение подвижной части которого должен измерять датчик. В некоторых случаях, например в гироприборах, такое воздействие может вредно влиять на работу прибора. Для снижения обратного воздействия можно использовать симметричную схему магнитной системы индуктивного датчика,
14
представленную на рисунке 12. В этой схеме используются четыре обмотки с попарно дифференциальным изменением индуктивности. Эти четыре обмотки можно включить последовательно по две в известные дифференциальные схемы (рисунок 7 или рисунок 9), а можно составить из них мостовую схему (рисунок 9 с заменой резисторов R на сопротивление двух дополнительных обмоток), которая дает практически вдвое больший коэффициент передачи (чувствительность) датчика.
Рисунок 12 – Сбалансированный двухтактный индуктивный датчик линейных перемещений.
Магнитные системы индуктивных датчиков с перемещением якоря поперек силовых линий можно приспособить для измерения угловых перемещений, придав якорю форму цилиндрического сектора (рисунок 13а и
13б).
а |
б |
Рисунок 13 – Двухтактный индуктивный датчик угловых перемещений.
15
Изменение магнитного сопротивления воздушного зазора индуктивного датчика можно реализовать за счет введения в воздушный зазор пластины из проводящего немагнитного материала. Поскольку в индуктивном датчике возбуждается переменное магнитное поле, в проводящей пластине возбуждаются вихревые токи (токи Фуко), создающие собственное магнитное поле, направление которого противоположно возбуждающему магнитному полю. В результате в области воздушного зазора, занятой проводящей пластиной результирующее магнитное поле существенно ослабляется, т.е. проводящая пластина экранирует переменное магнитное поле в части воздушного зазора. Это приводит к изменению рабочей площади и магнитного сопротивления этого зазора и, соответственно, к изменению индуктивности обмотки. Дополнительный эффект от введения проводящей пластины в воздушный зазор вызывается увеличением активных потерь в магнитной цепи за счет энергии, рассеиваемой токами Фуко в пластине. Это приводит к увеличению результирующего активного сопротивления обмотки датчика.
16