3.5. Токовихревые эпп

Широкое распространение находят токовнхревые ЭПП, принцип работы которых основан на эффекте электромагнитного экранирования. В них в ка­честве чувствительных элементов (ЧЭ) используются электромагнитные экра­ны, выполненные из материала с большой электрической проводимостью (на­пример, из меди, реже алюминия). Особенностью датчиков с электромагнит­ным экранированием являются не только бесконтактность, но и лучшие по сравнению с низкочастотными ЭПП динамические характеристики, что объяс­няется малой массой подвижных ЧЭ и высокой частотой питания (от десятков килогерц до нескольких мегагерц). Кроме того, они имеют простую конструкцию и небольшие габаритные размеры, надежны в эксплуатации.

В индуктивных токовихревых ЭПП перемещение ЧЭ вызывает изменение величины наводимых в электромагнитном экране вихревых токов. Это в свою очередь приводит к изменению индуктивности устройства, которое может быть измерено известными методами, в том числе по изменению частоты управляе­мого электронного генератора, в резонансный контур которого включена об­мотка ЭПП. Несомненным преимуществом обладают высокочастотные дифферен­циальные преобразователи, в которых пропорционально перемещению изменя­ется разность частот двух управляемых генераторов, в резонансный контур каждого из которых включена соответствующая обмотка ЭПП.

Трансформаторные токовнхревые ЭПП в отличие от низкочастотных, ра­ботают на принципе размыкания высокочастотного электромагнитного поля. Однако для повышения чувствительности в них можно одновременно исполь­зовать размыкание и замыкание высокочастотного электромагнитного поля, выполняя ЧЭ из двух материалов, один из которых является экраном, а дру­гой— проводником для высокочастотных магнитных потоков (например, соче­тание медь—феррит).

Широкие возможности использования в гибких автоматизированных произ­водствах, робототехиических и информационно-вычислительных комплексах, в прецизионных системах управления имеет новый класс совмещенных высоко­частотных датчиков, в которых подвижные и неподвижные электромагнитные экраны одновременно являются обкладками конденсатора. Это приводит к по­вышению чувствительности и расширению функциональных возможностей уст­ройства практически без увеличения его массы и габаритных размеров, так как даже необходимость введения в некоторых случаях электрически изоли­рованных неподвижных обкладок конденсатора практически не оказывает вли­яния на эти параметры.

На рис. 3.19 приведена конструкция измерительного емкостно-индуктивного преобразователя [а. с. 464776 (СССР)].

В зазоремежду индуктивной катушкой / и электромагнитным экраном2, функции которого может выполнять и проводящее тело, помещена, примыкая к торцу катушки, неподвижная проводящая пластана 3. Она состоит из двух одинаковых близко расположенных пластин соединенных электрически

в центре. Перемещения экрана 2 обозначены X.

Преобразователь работает следующим образом. При перемещении подвиж­ного экрана 2 относительно индуктивной катушки / изменяется зазорВ результате этого изменяются индуктивность катушки / (при уменьшениииндуктивность уменьшается, а при увеличении увеличивается) и емкость между экраном 2 и пластинами 3 конденсатора (при уменьшении емкость увеличивается, а при увеличении уменьшается). Одновременные изменения индуктивности и емкости устройства могут быть измерены одной измерительной схемой, например мостовой, что позволяет получить более высокую чувствитель­ность и меньшую погрешность линейно­сти выходной характеристики устрой ства.

При конструировании емкостно-ин­дуктивного преобразователя следует ру­ководствоваться следующим. Известно, что плотность вихревых токов в сплош­ном электромагнитном экране имеет максимальное значение непосредственно под катушкой возбуждения и падает вдоль радиуса по мере удаления от окружности ее среднего диаметра. Наличие прорезей в пластине 3 открывает путь замыкания основной части вихревых токов, проходящих по окружности среднего диаметра D_K катушки 1. Это приводит к резкому уменьшению вихре­вых токов, что уменьшает в значительной степени воздействие пластины 3 на параметры индуктивной катушки и позволяет заменить кольцевую пластину диском, размеры которого не ограничиваются размерами катушки и могут быть любыми. Последнее дает возможность за счет увеличения габаритных размеров неподвижной пластины до размеров индуктивной катушки более значительно повысить чувствительность емкостного преобразователя, а за счет обрыва пути замыкания вихревых токов увеличить чувствительность индуктивного преобра­зователя. При этом пластина 3 может состоять из нескольких частей, соединен­ных электрически в одной точке.

Высокочастотные измерительные преобразователи не только позволяют про­ектировать устройства с повышенной чувствительностью, но одновременно да­ют возможность иметь два выходных параметра, например один по постоян­ному току, а другой по частоте, что значительно повышает их технические ха­рактеристики н функциональные возможности. Пример такого устройства при­веден на рис. 3.20 [а. с. 389391 (СССР)].

В устройстве, функциональная схема которого представлена на рнс. 3.20,а, измерительный индуктивный преобразователь ЦП соединен с управляемым ге­нератором УГ высокой частоты через его частотно-задающую цепь с буферным усилителем БУ и частотным дискриминатором ЧД. Выход ЧД соединен через цепь отрицательной обратной связи ЦООС с частотно-стабилизирующей цепью генератора. Входной величиной устройства является перемещение электромаг­нитного экрана / (рис. 3.20,6), а выходными параметрами являются постоянное напряжение и частота.

Индуктивный преобразователь (рис. 3.20,6) имеет четыре неподвижные ка­тушки возбуждения 2—5, три из которых (2, 3 и 5) создают высокочастотное магнитное поле в зазорах ИП, причем идентичные катушки 2 и 3 служат ин-дуктивностями резонансных контуров ЧД, а катушка 5 входит в частотно-зада­ющую цепь УГ. Катушка 4 индуктивно связана с катушками 2 и 3 и явля­ется нагрузкой БУ. Частотный дискриминатор настраивается емкостями С/, С2.

Устройство работает следующим образом. Когда электромагнитный экран находится в начальном положении (Х=0, рис. 3.20,6), генератор работает на номинальной частотеНа рис. 3.20,в представлены зависимости напряжения

U постоянного тока от частоты, являющиеся характеристиками ЧД. Выходное напряжение частотного дискриминатора равно нулю, и ЧД имеет номинальную характеристику (линия 1 на рис. 3.20,е).

Отклонение электромагнитного экрана от начального положения вызывает изменение индуктивностей катушек возбуждения, и поскольку катушка 5 рас­положена с одной стороны экрана, а катушки 2 и 3 — с другой, в зависимости от направления перемещения экрана индуктивность катушки 5 уменьшается (увеличивается), а индуктивности катушек 2 и 3 увеличиваются (уменьшаются). Это вызывает увеличение (уменьшение) частотыгенератора на уменьше­ние (увеличение) частоты настройки каждого резонансного контура ЧД на и соответственно смещение влево (вправо) характеристики (линия 2 на рис. 3.20,6) частотного дискриминатора. В результате на выходе ЧД возникает суммарное напряжение причем напряжение пропорционально а напряжение пропорционально т. е. в конечном итоге

Пропорционально перемещению X. Полярность выходного напряжения зависит от направления перемещения X и изменяется на обратную при переходе элек­тромагнитного экрана через нулевое положение.

Выходное напряжение ЧД воздействует на частоту УГ по цепи ЦООС (рис. 3.20,а) по постоянному току через его частотно-стабилизирующую цепь и стабилизирует выходные параметры устройства.

Устройство (рис. 3.20,а) имеет два выхода: выход / — по постоянному току и выход 2 — по частоте. Это обстоятельство можно эффективно использовать при построении ЭПП.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ