4.2.4. Электромагнитные датчики

Электромагнитные датчики, как и емкостные используются в робототехнике для реше­ния кинестетических (определения усилий, вибраций, давлений и пр.) и локационных задач, где с их помощью обнаруживают различные металлические объекты (ме­талло­искатели разных видов). В первом случае, конструктивная, а также электрическая схема подобны схемам МДДВ, во втором применяются специальные схемотехнические решения. В большинстве промышленных измерительных систем электромагнитные датчики питаются непосредственно от сети переменного напряжения.

В общем случае, электромагнитный ДДВ (ЭМДДВ) представляет собой один или несколько контуров (обмоток), находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, протекающими по контурам, так и внешним источником. Простейший (одноконтур­ный) датчик характеризуется: индуктивностью L, током через контур i, потокосцеплением  = Li, противо-ЭДС e = - d/dt, энергией электромагнитного поля W_м = i/2 = Li²/2 и электромагнитной силой f_эм. Используя в качестве информативного признака любой из этих параметров, можно построить датчики, измеряющие различные физические величины (тесла- и гальванометры, тахометры и др.). Однако важно отметить, что параметры магнитной цепи являются взаимозависимыми. (Так, например, действие f_эм на сердечник преобразователя вызывает его неконтролируемое перемещение, а ток, протекающий по замкнутому контуру, приводит к появлению силы, поворачивающей его относительно поля и изменяющей, тем самым, величину индуцируемой ЭДС).

В ДДВ обычно используется вариации магнитной проницаемости , вызывающие изменение индуктивности или взаимной индуктивности M катушек. Существенной особенностью таких датчиков является наличие потоков рассеяния, обусловленное тем, что часть основного магнитного потока Ф замыкается не через все витки катушки (рис. 4.29). Соответственно полная индуктивность контура имеет две составляющие: основную индуктивность L и индуктивность рассеяния L_рас равные: L = n²/Z_м, L_рас = n/Z_м', где Z_м и Z_м' - магнитные сопротивления основного потока и потока рассеяния, n - число витков обмоток. Для уменьшения потерь в обмотку преобразователя вводится ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитный поток, и уменьшающий, тем самым, долю потока рассеяния в общем потоке. Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на тороидальном сердечнике. Наличие сердечника позволяет строить уже рассмотренные схемы ЭДП (разд. 3.1.2), а также ЭМДДВ малой жесткости, основанные на измерении вариаций индуктивности L при изменении положения сердечника. (В то же время, использование сердечников приводит к появлению частотно-зависимых потерь мощности на перемагничивание магнитопровода).

ЭМДДВ можно клас­сифицировать по трем признакам.

1. По типу контролируемого параметра: индуктивные (из­ме­няется L) и трансформаторные (изменяется M).

2. По характеру изменения магнитного зазора: с изменяемой площадью и с изменяемой длиной зазора.

3. По степени симметрии конструктивной схемы: простые (дроссельные) и разностные (дифференциальные).

На практике наиболее распространеныразностные ин­дуктивные ЭМДДВ, обладающие большей точ­ностью, по сра­внению с тра­нсформаторными, но требу­ющие использо­­вания усилительных схем. (Несим­мет­ричные конструкции используются реже и в специальных случаях).

Конструктивные схемы ЭМДДВ подобны схемам ЭСДДВ (рис. 4.30). Обмотки катушек выполняются из медной проволоки и требуют высокой равномерности намотки. Ферромагнитные детали (якорь, детали маг­ни­то­проводов) в большинстве случаев изготавли­ва­ются спло­ш­ными. В качестве упругих элементов используются:

• мембраны (для усилий  0,01 ... 0,1 МН);

• торцевые кольца (для усилий  100 Н ... 1 МН);

• балки (для усилий  0,1 ... 10 МН).

Функция преобразования ЭМДДВ сущест­венно нелинейна и ее точный расчет практи­чески невозможен. Прибли­зительная аналити­ческая зависи­мость получена для дрос­­­­сельного ЭМДДВ с изменяемой длиной зазора:

L = L₀/(1+kx)  L₀ (1+kx-k²x²),

где начальная индуктивность L₀ и постоянная k определяются геометрическими размерами датчика и магнитной проницаемостью цепи.

В симметричной конструкции (при использовании диффе­рен­ци­альной схемы) линейность увеличивается за счет компенсации членов при четных степе­нях. Погрешность линейности уменьшается до  0,2%, а функция преобразования апроксимируется выражением: L = L₀ (1+k*x).

Эквивалентная электрическая схема ЭМДДВ, как и любого частотно-зависимого преобразователя учитывает вклад отдельных элементов конструкции, зависящий от рабочей частоты прибора. В представленной на рис. 4.31 эквивалентной электрической схеме дроссельного ЭМДДВ с ферромагнитным сердечником символами L_д и R_д обозначены индуктивность и сопротивление обмотки. При работе датчика на частотах 10³ ... 10⁴ Гц необходимо также учесть сопротивление потерь мощности на перемагничивание R_п и межвитковую емкость C, а также характерные для индуктивных преобразователей источники ЭДС e и U_ш. Здесь U_ш - напряжение шума, обусловленное эффектом Баркгаузена. Этот эффект, особенно заметный в высокочувствительных приборах (например, феррозондах) связан со скачкообразными смещениями домен­ных границ при перемагничивании ферромагнетика. Он вызывает импульсы ЭДС e_Б в области средних частот, e_Б = Ф/ , где Ф - приращение магнитного потока, вызванное скачком Баркгаузена,  - длительность скачка. Длительность этих ска­чков для разных материалов составляет 10^-3... 10^-7с. Что касается ЭДС e, индуцируемой в контуре, то она может быть как информативной, так и помехой. Использование сердечников с высокой магнитной проницаемостью и высоким удельным сопротивлением (на­пример, ферритов) позволяет практически устранить потери из-за L_рас и токов Фуко.

Как следует из рис. 4.31 при разработке ЭМДДВ приходится учитывать значительное количество источников погрешностей. Для их частичной компенсации применяется ряд мер. Так, для уменьшения паразитной составляющей ЭДС e датчик экранируются от внешнего магнитного поля, а соединительные провода подводятся таким образом, чтобы не образовывать дополнительных контуров. Кроме того, в датчике используются симметричные магнитные цепи и обмотки (например, тороидальные). Суть симметричной обмотки заключается в том, что для каждого витка на сердечнике имеется симметрично расположенный, по отношению к магнитному потоку, пронизыва­ю­ще­му сердечник, «парный» виток. ЭДС, наводимые в «парных» витках, компенсируют друг друга, и суммарная ЭДС уме­ньшается. Еще одним способом повышения точности является ограничение частотной характеристики. Верхняя частотная гра­ница ЭМДДВ определяется длительностью скачков Баркга­узена и составляет 10² ... 10⁵ Гц, для ферритов до 10⁷ Гц. Нижняя граница зависит от частоты перемагничивания f₀ и соста­в­ляет не менее 3 f₀.

В табл. 4.8 приведены характеристики различных моделей ЭМДДВ. Эти датчики, как и в случае ЭСДДВ также являются многопараметрическими.

Таблица 4.8. Примеры промышленных ЭМДДВ

Модель	Измеряемый параметр	Диапазон, мм	To C	, %	Размеры, мм	m, кг
ПЛИ 063	Перемещение (со штоком)	0 ... 700		0,3	414155	0,5
BES-150	Дальность	0,5 ... 150		1	3376	0,27
AMS-1B	Глубина	0 ... 80		0,03
NBB5	Положение	0 ... 25	-25 … +70	1	М2080	0,3
RC15	Скорость	до 10 м/с	-25 … +70	1	154165	0,4

Примечание. Модель BES-150 разработана фир­мой Balluff, NBB5 и RC15 - Pepperl+Fuchs (Германия).

Существенной особенностью трансформаторных дифференциальных ЭМДДВ, является высокий уровень выходного сигнала, не требующий применения усилителей. Пример такой схемы представлен на рис. 4.32. Датчик обладает погрешностью   0,5%, при угле кручения 0,25⁰ и диапазоне измерения моментов 0 ... 200 Нм. Чувствительность составляет  18 мкВ/В/м. Питание осуществляется от генератора переменного тока напряжением U = 10 В с частотой не менее 10 кГц. Наличие муфтового соединения позволяет использовать датчик для измерения моментов M на быстровращающихся валах. Скорость вращения мо­жет достигать 20000 оборотов в минуту. С точностью до указанного значения погрешности, функция преобразования моментометра апроксимируется приблизительной зависимостью: U_вых  U M.

По своим эксплуатационным характеристикам ЭМДДВ во многом подобны ЭСДДВ. Достоинствами этих датчиков являются: простота конструкции и эксплуатации (пи­тание от промышленной сети переменного тока 50 или 400 Гц) и, как следствие низкая стоимость, температурная стабильность, а также высокий уровень и мощность выходного сигнала. Недостатками ЭМДДВ является невысокая линейность и низкая, по сравнению с МДДВ, жесткость (из­ме­рительный ход - 0,1 ... 0,6 мм).

В заключение этой главы приведем результаты сравнительного анализа различных типов ДДВ (табл. 4.9). Как следует из табл. 39 все датчики имеют примерно одинаковую ширину диапазона измерения и отличаются только граничными значениями. Что касается точности, то лучшими показателями обладают ПДДВ.

Таблица 4.9. Сравнительная характеристика ДДВ

Тип преобразователя	Диапазон измерения, Н			Погрешность, %
	10-2 ... 102	102 ... 106	106 ... 1010
ПДДВ				0,05 ...0,1
МДДВ				0,1 ... 0,5
ЭСДДВ				0,5 ... 2,0
ЭМДДВ				0,5 ... 2,0