4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

Каркас выполняют из диэлектрического материала (текстолита, эбонита и др.) или металла (оксидированного алюминия). Для обмотки используют тонкий провод из константана, манганина, нихрома, а также сплавы из благородных металлов на основе платины, серебра и др. Провод датчика может быть покрыт либо эмалью, либо слоем окислов, изолирующих соседние витки друг от друга. Диаметр провода выбирают в пределах 0,03 – 0,1 мм для прецизионных датчиков и 0,3 – 0,4 мм – для датчиков низкого класса точности. Подвижный контакт (движок, щетка) выполняется либо из двух-трех проволок, изготовленных из сплава платины с иридием или из платины с бериллием, либо в виде пластинчатых щеток из серебра или фосфористой бронзы.

Преимущества:

простота конструкции;

малые габариты и вес;

высокая степень линейности статических характеристик;

стабильность характеристик;

возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки:

наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка;

требуется усилие для перемещения позиционного движка, что может привести к погрешности

погрешность в работе за счет нагрузки;

сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

высокий порог чувствительности;

наличие шумов; подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

2.2.3 Индуктивные датчики

В данной группе датчиков изменяющимся параметром управляемой цепи является индуктивное сопротивление:

Х=ωLX,

где ω – частота переменного тока; LX – индуктивность датчика, изменяющаяся при перемещении подвижной системы датчика.

Эти системы применяются лишь на переменном токе.

Принцип действия индуктивных датчиков основан на том, что в перемещение, которое предполагается измерить, вовлекается один из элементов магнитного контура, который вызывает тем самым изменение потока через измерительную обмотку и соответствующий электрический сигнал. Если подвижным элементом является ферромагнитный сердечник, то его перемещение проявляется:

в изменении коэффициента самоиндукции катушки (переменная индуктивность);

31

в изменении коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора (дифференциальный трансформатор), что приводит к изменению вторичного напряжения.

По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две. В дифференциальном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком. Различные варианты реализации индуктивных датчиков приведены в таблице 2.2.

Рассмотрим одинарный индуктивный датчик, представленный на рисунке 2.5. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величины воздушного зазора.

Рисунок 2.5 – Дроссель с изменяющимся воздушным зазором (а) и его выходная характеристика (б)

Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3, удерживающегося пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки Rн подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как:

где rд – активное сопротивление дросселя; L – индуктивность датчика.

Т. к. активное сопротивление цепи – величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей:

XL=IRн,

которая зависит от величины воздушного зазора .

Таким образом, каждому значению соответствует определенное значение I, создающего падение напряжения на сопротивлении Rн, которое и представляет собой выходной сигнал датчика:

UВых=IRн.

32

Таблица 2.2 – Индуктивные датчики

Можно вывести аналитическую зависимость UВых=f( , при условии, что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа Rмж по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора Rмв:

33

В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:

Зависимость Uвых=f(δ) имеет линейный характер (в первом приближении) и представлена на рисунке 5 б.

Индуктивность дросселя при ненасыщенном магнитопроводе может быть выражена следующей формулой:

сердечника и якоря; δв– длина воздушного зазора, м; Sв – площадь поперечного сечения воздушного зазора, м2.

Для тока и тангенса угла сдвига фаз в цепи нагрузки имеем:

сечения Sв – воздушного зазора будет изменяться величина тока и угол сдвига фаз между векторами напряжения тока.

Одинарный индуктивные датчики имеют высокую чувствительность и надежность, практически неограниченный срок службы, большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт), что позволяет в ряде случаев не применять усилитель. К недостаткам одинарных индуктивных датчиков следует отнести нереверсивность характеристики, небольшой диапазон перемещений якоря, наличие тока холостого хода и электромагнитной силы притяжения между якорем и статором, влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки полностью или частично отсутствуют у дифференциальных индуктивных датчиков.

34

Обычно применяют дифференциальную или мостовую схемы включения датчика. Дифференциальная схема включения подобной системы с двумя дросселями показана на рисунок 2.6 а, а мостовая – на рисунок 2.6 б.

Рисунок 2.6 – Схема включения с двумя дросселями: дифференциальная (а) и мостовая (б)

Дифференциальный индуктивный датчик содержит два статора с катушками индуктивности и один общий якорь. При перемещении якоря индуктивность одной катушки увеличивается, другой – уменьшается. Катушки индуктивности включаются или в дифференциальную измерительную схему, или как смежные плечи в мостовую измерительную схему.

Дифференциальные индуктивные датчики по сравнению с однотактными имеют более высокую точность преобразования и чувствительность. Статическая характеристика этих датчиков линейная и реверсивная.

В одной из конфигураций датчика – дифференциального трансформатора чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора (рисунок 2.7). Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.

35

UВых

Ферромагнитный

сердечник

UВх

Рисунок 2.7 – Индуктивный датчик перемещения на трансформаторе

Преимущества:

практически не зависят от атмосферных условий;

пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды;

относительно большая выходная мощность (до десятков Вт);

имеют высокое время наработки на отказ;

дают очень высокую точность и линейность.

Недостатки:

дороги и сложны в обработке снимаемых сигналов; требуют запитки стабильным синусоидальным напряжением.

2.2.4 Емкостные датчики

Емкостной датчик представляет собой одну или несколько емкостей с изменяющимися параметрами. При движении контролируемого объекта его емкость может изменяться путем:

–изменения величины зазора между пластинами;

–изменения взаимного положения пластин и как следствие этого увеличения (уменьшения) зоны взаимного перекрытия;

–изменения диэлектрической проницаемости изолирующего слоя.

При изменении емкости устройства эта величина может сама по себе служить сигналом, передаваемый к электронным блокам управления, и может включать генератор импульсов, которые более просто поддаются дальнейшей обработке.

Зависимость емкости от величины смещения выражается формулой:

где С – емкость датчика; δ – величина смещения, т. е. величина изменения зазора между пластинами; d – зазор между пластинами при δ=0, мм; S – площадь пластин.

Чувствительность такого датчика:

F 4, 43 10 7 U 2 S . d 2

36

В различных датчиках, применяющихся для контролирования какой-либо неэлектрической величины, может меняться один из указанных параметров. На рисунке 2.8 а представлен датчик из двух параллельных пластин, применяющийся для измерения небольших смещений. В данном датчике переменой величины является расстояние между пластинами.

Для преобразования угловых перемещений в изменение емкости применяются поворотные датчики (рисунок 2.8 б), в которых переменной величиной является площадь конденсатора. Для увеличения емкости датчика обычно берут не одну пару пластин, а систему, состоящую из нескольких неподвижных и подвижных пластин. Примером такого датчика может явиться обычный воздушный конденсатор переменной емкости, применяемый в радиотехнике. Для измерения перемещений применяются цилиндрические емкостные датчики (рисунок 2.8 в) с переменой площадью.

C

Рисунок 2.8 Одноемкостные датчики линейных перемещений

Зависимости емкости от перемещения для приведенных схем: для рисунка 2.8 а:

для рисунка 2.8 б:

C 0 b a lX ; d

для рисунка 2.8 в:

C 0 2 (l lX ) . ln(r2 / r1 )

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные

37

конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор разместить в одном корпусе с рабочим, выполнить их идентичными, по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувствительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков (рисунок 2.9), который представляется как безразмерное соотношение двух емкостей, дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

Рисунок 2.9 Двухъемкостные датчики линейных перемещений

Зависимости емкости от перемещения для приведенных схем: для рисунка 2.9 а:

для рисунка 2.9 б:

для рисунка 2.9 в:

38

Важнейшими характеристиками емкостных датчиков являются величина емкости датчика и его чувствительность.

Расчет емкости датчиков производится по формулам, отражающим соотношение величины емкости, геометрических размеров датчика и диэлектрической постоянной среды между обкладками конденсатора.

Чувствительность датчика выражается величиной приращения емкости при изменении контролируемой неэлектрической величины на единицу ее

измерения. Чувствительность находят дифференцированием выражения для емкости по переменной неэлектрической величине (по смещению, углу поворота, высоте уровня).

Сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика. Инклинометр (датчик крена) представляет собой дифференциальный емкостной преобразователь наклона, включающий в себя чувствительный элемент в форме капсулы (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 – Устройство емкостного инклинометра

Капсула состоит из подложки с двумя планарными электродами 1, покрытыми изолирующим слоем, и герметично закрепленным на подложке корпусом 2. Внутренняя полость корпуса частично заполнена проводящей жидкостью 3, которая является общим электродом чувствительного элемента. Общий электрод образует с планарными электродами дифференциальный конденсатор. Выходной сигнал датчика пропорционален величине емкости дифференциального конденсатора, которая линейно зависит от положения корпуса в вертикальной плоскости.

Инклинометр спроектирован так, что имеет линейную зависимость выходного сигнала от угла наклона в одной – так называемой рабочей плоскости и практически не изменяет показания в другой (нерабочей) плоскости, при этом его сигнал слабо зависит от изменения температуры. Для определения положения плоскости в пространстве используется два, расположенных под углом 90° друг к другу инклинометра.

В качестве основных можно считать следующие области применения инклинометров: использование в системах горизонтирования платформ,

39

определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок, контроль углов наклона, определение крена судна и подводных роботов, подъемников и кранов, определение углового перемещения различного рода вращающихся объектов – валов, колес, механизмов редукторов.

Емкостные измерительные преобразователи угловых перемещений подобны по принципу действия емкостным датчикам линейных перемещений, причем датчики с переменной площадью также более целесообразны в случае не слишком малых диапазонов измерения (начиная с единиц градусов), а емкостные датчики с переменным угловым зазором могут с успехом использоваться для измерения малых и сверхмалых угловых перемещений.

Обычно для угловых перемещений используют многосекционные преобразователи с переменной площадью обкладок конденсатора в соответствии с рисунком 2.11.

α

Рисунок 2.11 Емкостной датчик угловых перемещений

В таких датчиках один из электродов конденсатора крепится к валу объекта, и при вращении смещается относительно неподвижного, меняя площадь перекрытия пластин конденсатора. Это в свою очередь вызывает изменение емкости, что фиксируется измерительной схемой.

Достоинства:

простота изготовления, использование недорогих материалов для производства;

высокая чувствительность при малом энергопотреблении;

компактные размеры и незначительный вес;

долговечность, простота и надёжность эксплуатации;

простота адаптирования устройства к решению различных задач и возможность встраивания в любую конструкцию;

потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика.

Недостатки:

относительно низкий коэффициент преобразования;

необходимость тщательной экранировки элементов датчика;

высокая точность работы достигается на более высоких частотах по сравнению с промышленной частотой в 50 Гц;

высокая вероятность ложных срабатываний при изменении атмосферных условий, что требует повышенной защиты источника сигнала.

40