4.2 Двухтактный индуктивный датчик перемещения

Двухтактный индуктивный датчик можно построить на основе рассмотренного однотактного датчика. Для этого надо взять два идентичных однотактных датчика и включить их диференциально как по отношению к измеряемому перемещению, так и к выходному сигналу. Схема включения двух однотактных датчиков для образования двухтактного датчика показана на рис. 44.

В схеме присутствуют два контурных тока J₁ и J₂.,величина которых зависит от индуктивностей обмоток L1 и L2. Поскольку контуры питаются от дифференциальных вторичных обмоток трансформатора Тр, токи в контурах всегда

Рис. 44

Дифференциальная схема включения индуктивного датчика.

направлены встречно (в противофазе) и результирующий ток в нагрузке равен их разности.

J_H=J₁-J₂ (29)

Величина каждого из контурных токов зависит от индуктивности соответствующего однотактного датчика как рассмотрено выше (27). Воздушный зазор в магнитных цепях определяется начальным зазором δ₀ и смещением якоря x (рис. 44)

δ₁₌ δ₀+x

δ_{2 =} δ₀ – x (30)

Подставляя (27) в (29) с учетом (30), получим

(31)

где U₀ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Графически построение статической характеристики двухтактного индуктивного датчика показано на рис. 45.

Рис. 45

Статическая характеристика двухтактного индуктивного датчика.

Статическая характеристика имеет практически линейный участок при малых значениях x, но к краям диапазона перемещения (±δ₀) существенно отклоняется от линейной зависимости. Поэтому в зависимости от требуемой точности приходится ограничивать величину рабочего перемещения якоря. Считается, что для обеспечения точности преобразования в пределах (1÷2)% рабочий диапазон перемещения .

Более точно вид статической характеристики и, соответственно, величина погрешности может быть получена на этапе проверочных расчетов за счет более подробного учета изменения магнитного сопротивления при перемещении якоря или экспериментально при исследовании макетного образца датчика.

Индуктивный датчик может использоваться и в других схемах включения. Так в схеме, показанной на рис 44 можно поменять местами подключение напряжения питания и нагрузочного сопротивления. В этом случае токи J₁ и J₂ будут синфазными, но ЭДС в выходной обмотке, наводимые этими токами будут в противофазе, что обеспечит формирование двухтактной статической характеристики датчика такой же, как на рис 45.

Другим способом включения двух дифференциально изменяющихся индуктивностей L1 и L2 является мостовая схема (рис.46). В нее кроме индуктивностей включены два постоянных резистора с одинаковым сопротивлением R. К одной из диагоналей моста приложено напряжение питания U₀, а с другой диагонали снимается выходной сигнал U_H.

В исходном состоянии (при среднем положении якоря) индуктивности L1 и L2 равны между собой, следовательно, равны их реактивные и полные сопротивления и мост сбалансирован. Напряжение на выходе моста равно нулю. При смещении якоря на величину x произойдет разбаланс моста и на выходе появится напряжение, соответствующее величине перемещения. Фаза выходного напряжения будет определяться направлением смещения, т.е. статическая характеристика будет двухтактная, аналогичная показанной на рис.45.

Рис.46

Мостовая схема включения обмоток индуктивного датчика.

При разомкнутой цепи нагрузки (R_H→∞) напряжение в выходной диагонали моста (U_H) (с учетом допущения 5) будет равно

(32)

Используя соотношение (26), получим

(33)

Более точное выражение для статической характеристики можно получить, учитывая активное сопротивление обмоток R_D , используя более точный математический аппарат для расчета магнитного сопротивления датчика и влияние сопротивления нагрузки R_H, включенной в выходную диагональ моста. При этом статическая характеристика станет нелинейной, но сохранит при малых x линейный участок. Наиболее достоверная статическая характеристика может быть получена при экспериментальном исследовании макета спроектированного датчика.

Индуктивные датчики обладают большой конструктивной гибкостью. На рис.47 показан датчик угловых перемещений, полученный из рассмотренного (рис.44) датчика линейных перемещений. При угловых перемещениях якоря вокруг оси изменяются воздушные зазоры и, соответственно, индуктивности правой и левой обмотки. Датчик может быть включен в схемы, показанные на рис 44, 46, и будет иметь двухтактную статическую характеристику, подобную показанной на рис.45. Поскольку в соответствии с допущением 3 толщина зазора должна быть достаточно малой по сравнению со сторонами «а» (рис.41), диапазон измеряемых углов может составлять единицы или доли градуса. Следует отметить, что рабочий воздушный зазор в рассматриваемом датчике в общем случае не является плоским. Для предварительного расчета можно применить формулу (24), используя в ней среднее значение величины зазора. Более точно магнитное сопротивление клиновидного зазора можно подсчитать по формулам, приводимым в специальной литературе /////.

Рис. 47.

Двухтактный индуктивный датчик угловых перемещений.

Действие индуктивного датчика основано на изменении реактивного сопротивления обмотки, которое в свою очередь зависит от изменения магнитного сопротивления при перемещении подвижной части датчика. На величину магнитного сопротивления можно влиять не только изменением величины воздушного зазора δ, но и изменением площади зазора S_B (24). Это дает возможность создания других конструктивных схем индуктивных датчиков, одна из которых показана на рис.48.

Рис. 48.

Двухтактный индуктивный датчик линейных перемещений.

Магнитное сопротивление левого и правого зазоров в условиях допущений 1-6 описываются формулами

, , (34)

Магнитные потоки левого и правого зазоров преодолевают еще средний воздушный зазор с магнитным сопротивлением

. (35)

Соответственно индуктивности левой и правой обмоток

, . (36)

При включении этих обмоток в схему, показанную на рис.44 или на рис.46 получаем двухтактный индуктивный датчик с перемещением якоря поперек силовых линий магнитного поля, обеспечивающего перемещение значительно больше по величине, чем рассмотренные выше датчики (рис.38 или рис.44) с перемещением якоря вдоль силовых линий.

Существенным недостатком индуктивного датчика является наличие большого «обратного воздействия» - электромагнитного усилия притяжения якоря к сердечнику. Это усилие действует на устройство, перемещение подвижной части которого должен измерять датчик. В некоторых случаях, например в гироприборах, такое воздействие может вредно влиять на работу прибора. Для снижения обратного воздействия можно использовать симметричную схему магнитной системы индуктивного датчика, представленную на рис. 49. В этой схеме используются четыре обмотки с попарно дифференциальным изменением индуктивности. Эти четыре обмотки можно включить последовательно по две в известные дифференциальные схемы (рис.44 или рис.46), а можно составить из них мостовую схему (рис.46 с заменой резисторов R на сопротивление двух дополнительных обмоток), которая дает практически вдвое больший коэффициент передачи (чувствительность) датчика.

Рис. 49.

Сбалансированный двухтактный индуктивный датчик линейных перемещений.

Магнитные системы индуктивных датчиков с перемещением якоря поперек силовых линий можно приспособить для измерения угловых перемещений, придав якорю форму цилиндрического сектора (рис.50а и 50б).

а б

Рис. 50.

Двухтактный индуктивный датчик угловых перемещений

Изменение магнитного сопротивления воздушного зазора индуктивного датчика можно реализовать за счет введения в воздушный зазор пластины из проводящего немагнитного материала. Поскольку в индуктивном датчике возбуждается переменное магнитное поле, в проводящей пластине возбуждаются вихревые токи (токи Фуко), создающие собственное магнитное поле, направление которого противоположно возбуждающему магнитному полю. В результате в области воздушного зазора, занятой проводящей пластиной результирующее магнитное поле существенно ослабляется, т.е. проводящая пластина экранирует переменное магнитное поле в части воздушного зазора. Это приводит к изменению рабочей площади и магнитного сопротивления этого зазора и, соответственно, к изменению индуктивности обмотки. Дополнительный эффект от введения проводящей пластины в воздушный зазор вызывается увеличением активных потерь в магнитной цепи за счет энергии, рассеиваемой токами Фуко в пластине. Это приводит к увеличению результирующего активного сопротивления обмотки датчика.