дое зубчатое колесо возвращается в начальное положение. Такой датчик позволяет измерять углы поворота в диапазоне 0…180°.

Датчик LWS 5 является датчиком угла поворота рулевого колеса, в котором используются ГМР-магниточувствительные элементы. Из-за более высокой чувствительности ГМР-элементов по сравнению с АМРэлементами датчик LWS 5 может работать с менее мощным магнитом и большим воздушным зазором. Угловой диапазон в 360° отдельного ГМР-элемента (для АМР-элемента типичным является диапазон 180°) позволяет в модели LWS 5 использовать зубчатые кольца меньшего размера. Поэтому ему необходимо значительно меньшее монтажное пространство, по сравнению с моделью LWS 3. Кроме того, он дает большой диапазон измерений углов поворота (от ±90° до ±780°).

Вышеназванные датчики используются в некоторых моделях автомобилей BMW и других автопроизводителей.

§ 8.5. Индукционные датчики

Индукционные датчики относятся к датчикам генераторного типа. Принцип их работы основан на возникновении ЭДС под действием изменяющегося магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения постоянного магнита относительно неподвижной катушки. К устройствам этого типа можно отнести датчики, измеряющие угловые и линейные перемещения, магнитометры, приемные антенны для связи малого радиуса действия и др.

Основное отличие индукционных датчиков от индуктивных заключается в использовании не переменного магнитного поля (питание индуктивных датчиков осуществляется переменным током), а постоянного магнитного поля. Постоянное магнитное поле в индукционных датчиках создается с помощью постоянных магнитов или катушки с протекающим в ней постоянным током.

Индукционные датчики линейных и угловых перемещений

служат для определения линейной или угловой скорости перемещения, а также частоты вращения. Рис. 8.15, а иллюстрирует принцип действия датчика, у которого силовые линии магнитной индукции замыкаются через немагнитную среду (воздух). В кон-

298

струкцию такого датчика входят магнитопровод, изготовленный из электротехнической стали, катушка и постоянный магнит. Рассмотрим работу датчика при измерении скорости вращения зубчатого колеса, изготовленного из ферромагнитного материала. Датчик устанавливается так, что между его чувствительным элементом (магнитопроводом с катушкой) и вершиной зуба образуется небольшой зазор. При повороте зубчатого колеса зазор резко изменится при прохождении зубом чувствительного элемента. В результате в катушке возникнет переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна скорости вращения:

где ω – угловая скорость вращения зубчатого колеса.

Рис. 8.15. Принцип действия индукционных датчиков с замыканием силовых линий магнитной индукции: а – через немагнитную среду; б – через зазор

При вращении зубчатого колеса, имеющего п зубьев, частота переменного напряжения в п раз больше частоты вращения колеса. Форма выходного сигнала близка к синусоидальной, что облегчает его обработку системами контроля и управления. К недостаткам датчиков такого типа можно отнести:

–наличие пороговой частоты срабатывания (при меньших частотах амплитуда сигнала недостаточна для индикации вращения);

–большое число витков катушки (для автомобильных датчиков 10…15 тыс.), что связано с необходимостью обеспечения достаточного уровня сигнала;

–низкая помехоустойчивость;

–сложность конструкции, связанная с необходимостью точного позиционирования при монтаже.

299

Другое конструктивное исполнение датчика такого типа приведено на рис. 8.15, б. Его конструктивная особенность заключается в том, что основной магнитный поток проводится магнитопроводом и замыкается через немагнитный зазор, размер которого изменяется при вращении зубчатого колеса, резко уменьшаясь при прохождении зубьев. По сравнению с конструкцией, изображенной на рис. 8.15, а, такая конструкция отличается:

–большим значением амплитуды выходного сигнала (при одинаковом числе витков катушки), что объясняется прохождением большего магнитного потока (меньше потоки рассеяния);

–более высокой помехоустойчивостью.

Основной недостаток датчика связан с формой и амплитудой выходного сигнала, который обычно отличается от синусоидального, что связано с изменением геометрии зазора как при прохождении зуба, так и при прохождении впадины зубчатого колеса.

Датчик такого типа можно использовать для измерения линейного перемещения профилированных объектов (например, зубчатой рейки).

Датчик Виганда относится к индукционным датчикам, при помощи которых можно измерять линейное перемещение, угол поворота или частоту вращения. Принцип его действия основан на изменении потока рассеяния, образующегося в продольно намагниченном до насыщения проволочном стержне, перемагничивание середины (внутренней области) и периферии (внешней области) которого происходит при разных значениях напряженности внешнего магнитного поля.

Чувствительным элементом такого датчика является проволочный стержень (проволока Виганда), изготавливаемый из викаллоя – магнитотвердого сплава системы Со–V–Fe, содержащего

45…50 % Со, 4…15 % V, остальное – Fe.

Проволока Виганда диаметром 0,2…0,3 мм (0,01 дюйма) подвергается последовательному скручиванию по и против часовой стрелки при сохранении ее аксиального натяжения. В результате в проволоке возникают механические напряжения, амплитуда которых уменьшается от внешней области к сердцевине, что приводит к соответствующему радиальному уменьшению коэрцитивной силы проволоки. Условно можно считать, что проволока состоит из внешней магнитотвердой оболочки и внутренней магнитомягкой

300

сердцевины, перемагничивание которой происходит при воздействии магнитного поля меньшей напряженности.

Рис. 8.16 иллюстрирует принцип работы датчика Виганда. В исходном состоянии (рис. 8.16, а) чувствительный элемент намагничен в одном направлении и магнитный поток замыкается через окружающую среду (т. е. поток рассеяния для данной конструкции максимален). Воздействие внешнего магнитного поля, направленного противоположно исходной намагниченности чувствительного элемента, приводит к тому, что при определенном значении напряженности поля происходит перемагничивание середины чувствительного элемента. При этом магнитный поток чувствительного элемента замыкается внутри него (рис. 8.16, б).

Резкое изменение магнитного потока при перемагничивании можно преобразовать в электрический сигнал при помощи катушки, которую наматывают на чувствительный элемент датчика. Дальнейшее повышение напряженности внешнего магнитного поля приводит к тому, что середина и периферия становятся намагниченными в направлении, противоположном исходному направлению намагниченности. Для возврата чувствительного элемента в исходное состояние необходимо осуществить его обратное перемагничивание.

Пример использования датчика Виганда приведен на рис. 8.16, в. Установленный на оси диск вращается против часовой стрелки. На ободе диска установлен постоянный магнит, направление намагниченности которого противоположно направлению намагниченности чувствительного элемента датчика. По мере приближения постоянного магнита к чувствительному элементу (расстояние зависит от их взаиморасположения и магнитных свойств материалов) происходит перемагничивание внутренней части проволоки Виганда, которое вызывает импульс тока в катушке. После прохождения постоянного магнита чувствительный элемент перемагничивается в исходное состояние. Конструктивно этот процесс может быть реализован при помощи дополнительного постоянного магнита с полярностью, противоположной полярности магнита, изображенного на рис. 8.16, б. Такой магнит может быть установлен на ободе диска или внутри корпуса датчика. Сигнал датчика не зависит от направления вращения диска.

301

– технология производства (холодная деформация и наличие или отсутствие термообработки) позволяет получить такое положение условной границы между серединой и периферией, которое обеспечит близость нулю магнитного потока рассеяния и, соответственно, максимальное значение амплитуды выходного сигнала.

Устройства связи малого радиуса действия (устройства магнитной связи) относятся к перспективным разработкам, которые имеют практическое применение.

Термин «магнитная связь» используется для обозначения технологии беспроводной конфиденциальной связи малого радиуса действия, основанной на «магнитной индукции ближнего поля»*. Магнитостатическое поле, создаваемое передающей антенной, модулируется малым по амплитуде переменным магнитным полем частотой 3…15 МГц. Магнитная связь (рис. 8.17) реализуется при помощи антенн, представляющих собой ферритовые стержневые магнитопроводы 1 и 2, на которых установлены катушки 3 и 4. Линии магнитной индукции В, возникающей при протекании тока i в катушке передающей антенны, создают магнитный поток в магнитопроводе 2 и наводят переменное напряжение и в катушке приемной антенны. Значение и зависит от взаимной ориентации передающей и приемной антенн. При

Рис. 8.17. Взаиморасположение приемной

ипередающей антенн при реализации NFMI-технологии

*NFMI – Near-Field Magnetic Induction.

303

соосном расположении антенн коэффициент взаимной индукции М (см. § 2.1) катушек передающей и приемной антенн максимален, что обеспечивает наилучшее качество связи. Устойчивая передача данных также осуществляется при параллельном расположении антенн. Если оси антенн расположены перпендикулярно друг другу, то угол между направлением В и плоскостями, в которых расположены витки катушки приемной антенны, близок нулю и ЭДС, возникающая в катушке приемной антенны, минимальна. Такое расположение антенн не обеспечивает устойчивую передачу информации.

В рассматриваемом случае приемная антенна представляет собой пример индукционного датчика*. Стандарт «NFMI» является конкурентом стандарта передачи данных на короткие расстояния «Bluetooth» – радиочастотной связи с рабочим частотным диапазоном 2,4…2,5 ГГц. На рис. 8.18 приведены зависимости мощности сигнала от расстояния между приемной и передающей антеннами, полученные на основе экспериментальных исследований устройств стандартов «Bluetooth» и «NFMI».

Рис. 8.18. Экспериментальная зависимость затухания сигнала от расстояния: 1 – стандарт «Bluetooth»; 2 – стандарт «NFMI»

Экспериментально установлено, что для стандарта «Bluetooth» мощность обратно пропорциональна квадрату расстояния между антеннами, P ~ 1/d2, а для стандарта «NFMI» – P ~ 1/d6. Такой характер

* В устройствах магнитной связи приемная антенна может быть реализована на основе ГМС-датчика.

304