3 Электромагнитные датчики

3.1 Назначение. Типы электромагнитных датчиков

Электромагнитные датчики предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного сопротивления R_М магнитной цепи датчика при перемещении сердечника. Если перемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки.

Таким образом, изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны:

• перемещением элемента магнитной цепи (сердечника или якоря);

• перемещением элемента электрической цепи (обмотки).

В результате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки L или ее взаимоиндуктивность М с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто называют индуктивными.

Электромагнитные датчики обычно рассматривают как параметрические, поскольку величины L и М зависят от перемещения х: L = ƒ(x), М = ƒ(х). Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т.е. Е = ƒ(х).

Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может происходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к изменению магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.

Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие электромагнитные датчики называют трансформаторными. Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку – как вторичную.

К генераторным датчикам относятся и индукционные датчики, в обмотках которых генерируется ЭДС в зависимости от скорости перемещения: Е = ƒ(dx/dt).

С помощью электромагнитных датчиков можно автоматически измерять:

• механические силы;

• давление;

• температуру;

• свойства магнитных материалов;

• определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия);

• толщину немагнитных покрытий на стали;

• расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.

Достоинства электромагнитных датчиков:

• простота и дешевизна;

• механическая прочность;

• высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала без скользящих контактов;

• возможность питания от промышленной сети частотой 50 Гц;

• возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала;

• возможность работы как в диапазоне малых (доли мм), так и больших (метры) перемещений.

Недостатки электромагнитных датчиков:

• влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения;

• возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков, рассматриваемых ниже).

3.2 Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рисунке 1 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики.

Рисунок 1

На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 2. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном направлении (рисунок 1, а) или в горизонтальном направлении (рисунок 1, б).

Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора δ. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления уменьшаются (рисунок 2, а).

Рисунок 2

Следовательно, ток в обмотке увеличивается (рисунок 2, б). Полагая ток I в обмотке за выходной сигнал, а перемещение х - за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде графика I = ƒ(х).

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на рисунке 1, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению зазора δ, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока I от зазора δ: I = ƒ(δ).

Пусть обмотка датчика включена на напряжение питания: , где

U – действующее значение напряжения; ω – угловая частота, рад/с. По закону Ома, действующее значение тока в обмотке , гдеZ – полное сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и индуктивного X_L сопротивлений: . Индуктивное сопротивление Х_L пропорционально индуктивности L и частоте питания ƒ: . После подстановки имеем

.

Индуктивность обмотки датчика с числом витков W

,

где Ф – магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток проходит через воздушный зазор, т.е. потоки рассеяния отсутствуют. Тогда

.

Здесь: R_M – магнитное сопротивление магнитопровода датчика, (Гн)^-1.

Это сопротивление слагается из сопротивления стали сердечника и якоря R_СТ и сопротивления воздушного зазора R_δ:

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора δ, поскольку магнитный поток проходит через воздушный зазор дважды:

,

где S_M – поперечное сечение воздушной части магнитопровода, равное активной площади поперечного сечения сердечника в зоне воздушного зазора, м²; μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха.

После подстановок получим

.

Выражение для индуктивности

.

Индуктивное сопротивление

.

Полное сопротивление обмотки

.

Анализ последней формулы показывает, что с увеличением воздушного зазора (а следовательно, и перемещения) полное сопротивление уменьшается, стремясь в пределе к величине активного сопротивления обмотки R.

Зависимость полного сопротивления обмотки от величины воздушного зазора показана на рисунке 2,б. Ток в обмотке датчика

.

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения при δ = 0 в сторону увеличения зазора, то формула для тока после замены δ на х представляет собой статическую характеристику одинарного индуктивного датчика, т.е. I = ƒ(х).

Одинарные индуктивные датчики имеют ряд существенных недостатков:

• на его якорь действует сила притяжения к сердечнику. Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить;

• при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т.е. датчик не является реверсивным);

• диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик.

Применение:

• в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значительные перестановочные усилия.