курсовая работа / Курсовая

Введение

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 как перемещением элемента магнитной цепи (сердечника или якоря), так и 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=f(x), M=f(x). Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести и к генераторному типу, по­скольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т. е. E=f(x).

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.

Электромагнитные датчики имеют следующие достоинства: простота и дешевизна конструкции, 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.

К недостаткам электромагнитных датчиков следует отнести вли­яние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и час­тоты питающего напряжения, а также возможность работы только на переменном токе.

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.

Электромагнитные датчики (индуктивные, трансформаторные, индукционные, магнитоупругие) получили широкое распростране­ние в системах автоматики.

Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков.

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 1.1 по­казаны две наиболее распространенные конструктивные схемы ин­дуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индук­тивные датчики. 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 1. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необ­ходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемеще­ние ее может происходить в вертикальном (рис. 1.1, а) или в гори­зонтальном направлении (рис. 1.1, 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

Рис. 1.1. Индуктивные датчики

Рис. 1.2. Характеристики индуктивного датчика

уменьшаются (рис. 1.2, а). Следовательно, ток в обмотке увеличива­ется (рис. 1.2, б). Полагая ток I в обмотке за выходной сигнал дат­чика, а перемещение x — за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде графика

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конст­руктивной схеме, показанной на рис. 1.1, а. В этом случае прираще­ние перемещения х всегда равно приращению зазора δ, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока I от зазора :

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

(1.1)

где z — полное сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и индуктивного X_L сопротивлений :

Индуктивное сопротивление X_L пропорционально индуктивности L и частоте питания

После подстановки получим : (1.2)

Индуктивность обмотки датчика с числом витков ω :

где Ф — магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток (1.3)

проходит через воздушный зазор, т. е. потоки рас­сеяния отсутствуют. Тогда (1.4)

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_B: (1.5)

Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора 8, поскольку магнитный поток проходит через воздушный зазор дважды : (1.6)

где S_M – поперечное сечение воздушной части магнитопровода.

После подстановки (1.5) и (1.6) в (1.4) получим выражение для магнитного потока : (1.7)

Выражение для индуктивности получаем : (1.8)

Полное сопротивление обмотки : (1.9)

Анализ формулы (1.9) 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 z от ве­личины зазора δ показана на рис. 1.2, а. Ток в обмотке датчика (1.10)

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения при δ = 0 в сторону увеличения зазора (по рис. 1.1, а), то формула после замены δ на х представляет собой ста­тическую характеристику одинарного индуктивного датчика, т.е. I=f(x). График статической характеристики показан на рис. 1.2, б. Как видно из анализа формулы и графика, зависимость I=f(х) имеет нелинейный характер. Однако на графике можно вы­делить участок АБ, на котором соблюдается прямая пропорциональ­ность между входным и выходным сигналами. Этот участок называ­ется рабочим, датчик используется именно в диапазоне входных сигналов от х_а до х_б. Следовательно, датчик всегда имеет некоторый воздушный зазор, не меньший jc_a. В большинстве конструкций ин­дуктивных датчиков магнитопровод ненасыщен и магнитная прони­цаемость материала сердечника весьма велика. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора (уже при δ = х_а) значительно больше магнитного сопротивления стального сердечника, т. е. R_B>>R_CT.

Пренебрегая величиной R_CT , получаем упрощен­ное выражение для индуктивного сопротивления : (1.11)

Пренебрегая в (1.2) величиной R, с учетом (1.11) получаем при­ближенное выражение статической характеристики индуктивного датчика (1.12)

где К— коэффициент передачи, определяемый напряжением и час­тотой питания, конструктивными размерами сердечника и числом витков обмотки датчика : (

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индук­тивных датчиков по рис. 1.1, а не превышает 4—5 мм. Значительно больший диапазон изменения входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рис. 1.1, б. Такие датчики имеют близкую к линейной статическую характеристику при перемещени­ях якоря до 10—15 мм.

С увеличением зазора чувствительность датчика резко уменьша­ется. А при выборе в качестве начальной точки малой величины за­зора можно получить большую чувствительность и значительный сигнал разбаланса мостовой схемы, что позволяет в ряде случаев от­казаться от использования усилителя на выходе моста. Например, при δ₀ = 1 мм и Δδ = 0,1 мм чувствительность S_Д = 1/10'³ = 1000 1/м и относительное изменение сопротивления Δz/z = S_Д Δδ = 1000 • 10~⁴ = 0,1, т. е. при изменении зазора на 0,1 мм сопротивление датчика изменяется на 10 %.

Одним из недостатков одинарного индуктивного датчика явля­ется то, что 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. Индуктивный датчик представляет собой электромагнит, тяговая сила которого,

как известно из (1.20), (1.19)

Знак минус означает, что сила направлена в сторону, соответст­вующую уменьшению магнитной энергии. Энергия магнитного поля катушки с током

Анализ уравнения (6.20) показывает, что в рабочем диапазоне входных перемещений при принятых допущениях электромагнит­ная сила притяжения не зависит от зазора 5. Эта сила пропорциона­льна квадрату напряжения питания и обратно пропорциональна квадрату частоты питания. Повышение частоты питания снижает силу притяжения, но ухудшает точность работы датчика, поскольку возрастают потери в стали из-за вихревых токов.

Кроме наличия электромагнитной силы притяжения индуктив­ные датчики имеют также и другие серьезные недостатки: 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.

Указанные недостатки ограничивают область применения оди­нарных индуктивных датчиков. На практике они нашли примене­ние в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых вы­ключателей при управлении механизмами, имеющими значитель­ные перестановочные усилия. В таких схемах автоматики наиболее полно проявляются достоинства одинарных индуктивных датчиков: простота конструкции и высокая надежность.