Введение

Одним из важнейших элементов всякой системы автоматического регулирования и контроля является датчик, назначение которого состоит в восприятии и преобразовании параметра, характеризующего процесс, а огромное разнообразие технологических процессов приводит к необходимости иметь в наличии весьма широкий выбор датчиков, реализованных на самые различные величины.

Так как датчик - это устройство, обеспечивающее функциональное преобразование изменения некоторой величины (любого вида) в изменение другой величины, удобное для усиления и передачи на расстояние.

Значительное место среди датчиков занимают первичные преобразователи перемещений, т.е. устройства, выходной величиной которых являются: перемещения, усиления, давление и другие физические величины, которые могут быть преобразованы в перемещения, а выходной величиной является электрический сигнал.

Подлежащие измерению перемещения находятся в значительном диапазоне – от долей микрометра, например, при измерении микрогеометрии шероховатостей в процессе производственного контроля чистоты отделки поверхностей в точном машиностроении до многих сотен и тысяч километров при измерении расстояний в геодезии, навигации или астрономии.

1. Описания изобретения

Датчик перемещений.

Изобретение применяется в промышленной индустрии для точности позиционирования. Датчик перемещений предназначен для преобразования величины линейного перемещения или угла оборота ходового винта в унитарный код: простую последовательность одинаковых по длительности и амплитуде электрических импульсов, число которых прямо пропорционально величине углового или линейного перемещения.

Наиболее широко для контроля размеров изделий, перемещений движущихся деталей, усилий, давлений, веса грузов и других физических величин используются индуктивные преобразователи. [1]

Такое широкое распространение они получили благодаря своим достоинствам: большой выходной мощности, не требующей дальнейшего усиления сигнала, высокой чувствительности к измеряемой величине, широким пределам измерений, достаточной точности контроля, долговечности в работе, удобству в эксплуатации, простоте конструкции и схемных реализаций.

Однако наряду с отличными достоинствами индуктивные преобразователи обладают нелинейностью характеристики. Поэтому при разработке индуктивного измерительного преобразователя необходимо провести оптимизацию его конструкции, т.е. выбрать такие конструктивных и основных параметров преобразователя, которые бы позволили получить наилучшие метрологические характеристики.

Очень часто в практических целях возникает необходимость осуществлять допусковый контроль размеров изделий, т.е. не самих размеров, а отклонений их от номинальных параметров. Поэтому определенный интерес представляет выяснение протяженности линейного участка характеристики индуктивного преобразователя вблизи заданной ее рабочей точки.

Датчик перемещений с изменяющейся индуктивностью предназначен для преобразования линейного перемещения в изменение индуктивности его обмоток.

Датчик перемещений с изменяющейся индуктивностью, во время работы должен быть устойчивым и прочным к воздействию однократных и многократных механических ударов.

Данный датчик должен сохранять свои характеристики при воздействии постоянных магнитных полей сетевой частоты с напряженностью до 400А/м.

На фигуре 1 схематично представлена конструкция LVDT-датчика, основными составляющими которого являются первичная и две вторичные обмотки (как правило, обмотки расположены на неподвижном сердечнике) и подвижное ядро. Первичная обмотка размещена симметрично между двумя идентичными вторичными обмотками. Катушки расположены на цельном термостабильном армированном полимере и заключены в герметичную оболочку, защищающую их от попадания влаги и агрессивных сред. Подвижное ядро, выполненное из высокопроницаемого магнитного материала, имеет цилиндрическую форму и свободно перемещается по внутренней полости датчика.

Электропитание первичной обмотки осуществляется переменным синусоидальным напряжением — типовое значение 3 В, 3 кГц. Выходным сигналом датчика является разность напряжений вторичных обмоток u — дифференциальное напряжение. Обычно дифференциальное переменное напряжение преобразуется встроенным электронным модулем в сигнал постоянного тока.[3]

На фигуре 2 проиллюстрирован принцип действия LVDT-датчика. Если подвижное ядро находится строго в центре (так называемая нулевая позиция), то магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой Р, симметрично, следовательно магнитные потоки через вторичные обмотки S1 и S2 равны, а значит равны и ЭДС Е1 и Е2, индуцируемые в этих обмотках, а значит равно нулю дифференциальное напряжение. Если же подвижное ядро смещается относительно нулевого положения, то искажается симметрия магнитного поля — через одну из вторичных обмоток, в зависимости от положения ядра, проходит больший магнитный поток, нежели чем через другую (см. фигуру. 2). Следовательно, различаются и ЭДС, индуцируемые во вторичных обмотках, — чем больше магнитный поток, тем больше ЭДС.

Из принципа действия и конструкции LVDT-датчика следует ряд очевидных преимуществ.

Отсутствие трущихся частей — одно из главных преимуществ LVDT-датчика. При использовании в штатном режиме нет механического контакта между подвижным ядром и катушками. Это преимущество особенно важно при измерениях малых перемещений, например при контроле вибраций.

Высокая чувствительность: отсутствие трения и физический принцип действия позволяют измерять очень малые перемещения ядра при хорошей повторяемости результатов измерений. Минимальная величина измерения ограничивается шумом и разрешением индицирующего прибора.

Практически неограниченная механическая износостойкость является следствием отсутствия трущихся частей. Из-за отсутствия трения и механических контактов между ядром и катушками нет факторов, оказывающих отрицательное влияние на механическую износостойкость. Следовательно, повышается надежность, что очень важно при использовании, например, в аэрокосмической промышленности и ядерной энергетике, а также в других приложениях, где надежность является ключевым параметром.

Повышенная защита от выбега за пределы трансформатора. Внутреннее отверстие большинства LVDT-датчиков открыто с обеих сторон, поэтому в случае «зашкаливания» (перемещения контролируемого объекта и жестко связанного с ним ядра за предусмотренные пределы) не происходит механического повреждения датчика — подвижное ядро попросту вылетает за пределы датчика, не нанося тому никаких повреждений. Эта неуязвимость очень хороша для применений в тензометрах и экстензометрах (приборы для измерения удлинений), которые используются в тестах на растяжение материалов.

  Одно направление чувствительности. LVDT-датчик реагирует на перемещение ядра только в одном направлении и нечувствителен к перемещению в других направлениях. Эта особенность важна в приложениях, когда ядро передвигается не по идеальной прямой линии, а слегка «рыскает » при перемещении.

Разделение катушек и ядра. Катушки механически отделены от подвижного ядра, причем катушки помещены в герметичную капсулу. Это обстоятельство часто используется для применения LVDT в гидроприводах и сервоприводах.

Устойчивость к воздействию внешней среды. Материалы и конструкция, используемые в LVDT, антикоррозионные, износоустойчивые и прочные, что делает LVDT маловосприимчивым к негативным воздействиям внешней среды. Обмотки залиты эпоксидной смолой и почти невосприимчивы к влажности и осадкам, хорошо противостоят одиночным ударам и вибрациям. Внутренний экран из магнитопроницаемого материала минимизирует эффект внешних электромагнитных полей. И ядро и сердечник изготовлены из антикоррозионных материалов, также являющихся магнитными экранами. Для применения датчика во взрыво- и пожароопасных средах, а также в агрессивных средах датчик может быть изолирован от внешней среды посредством заключения в капсулу и «запечатан» с помощью сварки. Обычно LVDT-датчики работают в расширенном диапазоне рабочих температур и могут применяться и в криогенной технике, и при повышенных температурах и радиации, например в ядерных реакторах.

Повторяемость нулевой точки. Положение нулевой точки чрезвычайно стабильно и повторяемо даже при сверхшироких температурных диапазонах.

Хорошие динамические свойства. Отсутствие трения позволяет LVDT очень быстро изменять положение ядра. Динамический отклик ограничивается только массой ядра.

2. Формула изобретения

Датчик перемещений, содержащий корпус из нержавеющего покрытия, сердечник, первичную и две вторичные обмотки, отличающийся тем, что с целью получения линейной характеристики дополнительно снабжен линейным дифференциальным трансформатором с переменным коэффициентом передачи.

3. Реферат