книги / Электромеханические аппараты автоматики

На указанных соотношениях основаны способы реализации индуктивных датчиков: а) с переменным числом витков и»; б) с изменяющейся магнитной проницаемостью ра (магнитоуп­ ругие, подмагничиваемые постоянным током); в) с переменным воздушным зазором или его площадью (сопротивлением /?5); г) с переменным реактивным магнитным сопротивлением .хц, изменяющимся с помощью перемещающегося электромагнит­ ного экрана или короткозамкнутого витка.

5.8.1.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ

Чаще всего индуктивные датчики включаются в дифферен­ циальные или мостовые схемы, обеспечивающие большое относительное изменение выходного сигнала и расширение линейной зоны характеристики. Конструкция дифференциаль­ ного индуктивного датчика содержит два плеча мостовой схемы в виде двух индуктивностей (ш = 2), изменяющихся в противоположных направлениях. В схемах на рис. 5.16 обозначены: Z0— сопротивление обмотки датчика в равновес­ ном состоянии мостовой схемы; AZ— изменение сопротивления обмотки датчика в результате перемещения якоря х; Z —

Рис. 5.16. Схемы включения и характеристики индуктивных датчиков:

о — мостовая с одним регулируемым плечом; 6 — дифференциальная; в — дифференциальная

сопротивление противоположных неизменяемых плеч мостовой схемы; U2— выходное напряжение датчика; Ul — напряжение источника питания. В качестве нерегулируемых плеч мостовой схемы используются:

активные сопротивления R = const;

вторичная обмотка трансформатора со средней точкой; два одинаковых дросселя с обмоткой, имеющей среднюю точку; дифференциальный индуктивный датчик такого же типа,

воспринимающий ту же входную величину (т = 4); такой датчик может быть установлен вне места измерения и не воспринимать входную величину (т = 2). В последнем случае он может служить задатчиком нулевой точки характеристики; две дополнительные обмотки, намотанные параллельно основным на тех же магнитопроводах (т = 4). Такой четырехоб­ моточный датчик имеет удвоенную чувствительность по срав­ нению с двухобмоточным, но требует удвоенного количества линий связи. Для получения максимального значения U2max

сопротивления всех плеч моста должны быть одинаковы. Значение Ux ограничено допустимыми значениями превыше­

ния температуры обмоточного провода и магнитной индукции в магнитопроводе. Допустимое превышение температуры опре­

5.8.1.2. ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ С ПЕРЕМЕННЫМ ЧИСЛОМ ВИТКОВ

Чаще всего изменение числа витков осуществляется с по­ мощью щетки, скользящей по контактам или по зачищенным от изоляции виткам обмотки. При этом индуктивность L из­ меняется ступенчато. При переходе щетки с витка на виток они не должны закорачиваться друг на друга, поскольку в этом случае уменьшается индуктивность из-за появления реактивной составляющей магнитного сопротивления

Рис. 5.17. Индуктивный датчик с ем­ костным переключателем витков

Л

ж

где wK, г— число и активное сопротивление короткозамкнутых витков.

Такие датчики из-за конструктивных и эксплуатационных недостатков нашли ограниченное применение.

При работе на высокой частоте могут быть использованы растягиваемые обмотки в виде пружин с переменным шагом, намотанные неизолированным проводом. Кроме того, применя­ ются индуктивные датчики с емкостным переключателем витков (рис. 5.17, переключатель обведен штриховым кон­ туром). Датчик состоит из подвижной обкладки 1 и непо­ движных обкладок 2, к каждой из которых подключена одна из отпаек 3 обмотки L. Обкладка 1 механически соединена с контролируемым объектом, а электрически— с обмоткой wl трансформатора Т, автотрансформатором и измерительной схемой, состоящей из усилителя и измерительного прибора 4. При перемещении контролируемого объекта возникает емкостная связь обкладки 1 с различными обкладками 2, т. е. изменяется число витков обмотки датчика L, включенных в разные плечи измерительной схемы. Порог чувствительности датчика при активной длине в 1м составляет 2,5-Ю-4 мм, нелинейность характеристики 1,5 -10-3% .

5.8.1.3. МАГНИТОУПРУГИЕ ДАТЧИКИ

Действие этих датчиков основано на свойстве ферромаг­ нитных материалов изменять магнитную проницаемость при упругих деформациях. Датчик содержит обмотку с замкнутым магнитопроводом, деформирующимся под действием внешних усилий. Полное магнитное сопротивление датчика определяется по (5.26) при /?5 = 0.

Магнитоупругие свойства датчика характеризуются отно­ сительной чувствительностью по деформации 5 и по механичес­ кому напряжению Sa:

провода.

Различают продольную (векторы <г и В совпадают по направлению) и поперечную (векторы а и В взаимно перпен­ дикулярны) чувствительность. Поперечная чувствительность в общем случае не равна продольной.

Для магнитопровода используются ферриты, никель, пер­ маллой, сплавы никеля с другими материалами и др. Магнитопроводы, работающие на сжатие в продольном направлении, выполняются сплошными или шихтованными. Шихтованные магнигопроводы обеспечивают повышенную стабильность ра­ боты на растяжение.

Рис. 5.19. Компенсация напря­ жения разбаланса крестообраз­ ного датчика

На рис. 5.18 показаны конструкции магнитоупругих дат­ чиков. Большей чувствительностью обладает датчик с кресто­ образным расположением обмоток (рис. 5.18, д), действие ко­ торого основано на различии между поперечной и продольной чувствительностью материала магнитопровода. Под воздейст­ вием внешнего усилия вертикальная составляющая магнитной проницаемости изменяется сильнее, чем горизонтальная. Тео­ ретически при механической силе Рмх = 0 (рис. 5.18,0) магнитная связь между первичной и вторичной обмотками отсутствует, поэтому напряжение U2 на выходе датчика должно быть равным нулю. Однако практически возникает напряжение разбаланса U20^0. Для его компенсации применяются раз­

Индуктивность L индуктивного датчика рассчитывается по (2.11) с учетом (2.5). При входном перемещении в индуктивном датчике изменяется воздушный зазор 5 или площадь его поперечного сечения Ss (рис. 5.20). Датчики с 8 = var применя­ ются для измерения малых перемещений (от долей микрометра до 3— 5 мм). Датчики с S=var имеют достаточную линейность характеристик при относительно больших перемещениях л\

п_п_п_п гт_п_п

^ л р р

J vj J

Рис. 5.22. Индуктивный датчик с зубчатыми полюсными наконечниками

противлением используется экранирующее действие проводника на магнитное поле за счет индуктируемых вихревых токов [80]. Экранирующий эффект возрастает с ростом частоты питающего напряжения. Большинство таких датчиков рас­ считано на частоты до десятков МГц. Для изменения ин­ дуктивности применяются:

1) короткозамкнутые витки или обмотки, перемещающиеся (рис. 5.23,я) вдоль стержня магнитопровода. Значение лм опре­ деляется по (5.28);

2) электропроводящая пластина, вводимая в зазор маг­ нитопровода (рис. 5.23,6) или расположенная около плоской катушки (рис. 5.23,в).

Применяются мостовые, дифференциальные (рис. 5.16) и ре­ зонансные схемы включения таких датчиков. Преимущества

Отношение напряжений

U \IU '[^L '/L " = Л'/Л" = 575',

поэтому

H2lHi — w2(5" —5')/w1(5" + 5'),

откуда

и2 = и 1 IV2 ( 5 " - 5 ' ) / W 1 (5" + 5').

Вконструкции рис. 5.24, в при перемещении якоря изменя­ ется распределение магнитного потока во вторичных обмотках. Если число витков на единицу перемещения

w0 = w2/x,

то

5.8.3. Индуктивные и трансформаторные датчики больших перемещений

Датчики больших (до нескольких метров) перемещений строятся так, что выходной сигнал изменяется не непрерывно, а периодически, совершая десятки и сотни периодов колебаний за полное перемещение хтах контролируемого органа. При­ мером такого датчика является индуктосин (рис. 5.25). На подвижной и неподвижной стеклянных пластинах выполнены петлевые обмотки. На неподвижной пластине расположена однофазная выходная обмотка EF, на подвижной— двухфазная АВ— CD. Между пластинами имеется воздушный зазор 5^0,1 мм. При взаимном перемещении пластин взаимоиндуктивность между обмотками изменяется по синусоидальному закону. Питание схемы осуществляется двумя напряжениями,