книги / Электромеханические аппараты автоматики
..pdfсостоит из головки (втулки) с обмоткой 1, винта 2 с раз мещенной на нем бифилярной обмоткой, и щеточно-кольцевого токосъемного механизма 3. При питании обмотки винта переменным током повышенной частоты проводники создают местные магнитные поля, наводящие ЭДС в проводниках обмотки втулки. При смещении обмотки втулки вдоль винта на полшага фаза наводимой ЭДС изменяется на 180° При любом продольном смещении втулки значение U2 может быть сведено к нулю поворотом винта.
Датчики больших линейных перемещений весьма разнооб разны по конструкции и используются в автоматизированных металлорежущих станках, в приводах регулирующих органов ядерных реакторов и т. п.
5.8.4. Датчики с температурной зависимостью магнитной проницаемости
Для железоникелевых сплавов с присадкой хрома и кремния, медноникелевого — колмаллоя и др. зависимость относительной магнитной проницаемости от температуры выражается соот ношением
»гх=\ + с0КТх- Т к), |
(5.29) |
где с0— постоянная Кюри; Тх— температура магнитного ма териала, К; Тк— температура точки Кюри, К.
Тогда
Я=цг*ц0Я. |
(5.30) |
Для небольших изменений температуры |
|
BXK Bq(\ + a MA r); |
(5.31) |
цх = ц (1+ ацАГ), |
(5.32) |
где ац— температурный коэффициент изменения магнитной проницаемости.
Чаще всего применяемые в таких датчиках материалы имеют зависимость цгд.(Г), показанную на рис. 5.27. Трансфор матор или дроссель, изготовленный из материала с такой характеристикой, можно использовать в качестве датчика температуры, включаемого в различные измерительные схемы.
5.9. МАГНИТОМОДУЛЯЦИОННЫЕ И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Магнитомодуляционные датчики содержат чувствительный элемент, реагирующий на внешнее магнитное поле (маг нитометр) или на его изменение.
Рис. 5.27. З ав и си м о сть цгл(Г ) те р м о ч у в с т в и тел ьн о го м а т е р и а л а
Под воздействием внешнего магнитного поля изменяются параметры магнитометра (элек трическое или магнитное со противление, путь перемещения электронов и т. д.) и, следова тельно, выходная величина.
Преимуществами этих уст ройств являются отсутствие трения, простота конструкции,
возможность отделить магнитометр от подвижного элемента герметичной перегородкой.
5.9.1. Датчики с использованием эффекта Холла
В качестве чувствительного элемента магнитомодуляцион ных датчиков часто используется элемент Холла. Принцип его работы основан/ на том, что в проводниках и полупровод никах, обтекаемых током и расположенных в магнитном поле, возникает разность потенциалов в направлении, перпендикуляр ном направлениям тока / и магнитной индукции В [56, 57]. Эта разность потенциалов возникает вследствие взаимодействия носителей заряда (электронов, ионов) с магнитным полем и называется ЭДС Холла Ех. На рис. 5.28 показана полупровод никовая пластина элемента Холла с размерами 1г<^:Ь<^1. Под воздействием магнитного поля носители заряда (электроны) отклоняются к грани d в соответствии с правилом левой руки. В результате грань а пластины заряжается положительно,
а |
грань |
d — отрицательно. |
Накопление |
электронов ни грани |
d |
будет |
продолжаться до |
тех пор, |
пока действующая на |
|
|
|
в |
|
Рис. 5.28. Э л ем ен т Х о лл а:
электроды первичной (У) и вторично” С?) цепей
электрон отталкивающая сила Рэ электрического поля накрпившегося отрицательного заряда не уравновесит смещанэщую электрон электромагнитную силу Рэм. После этого разность потенциалов между гранями a, d станет постоянной:
|
|
|
|
E%= KBI/h, |
|
, |
(5.33) |
|
где |
К — постоянная |
Холла. м3/Кл |
[57, |
80]; В — индукция |
||||
измеряемого |
магнитного |
поля, |
Тл; |
/ — гок через пластину, |
||||
A; |
h — размер |
пластины, |
м. |
Холла |
применяются |
сурь |
||
|
Для изготовления |
элементов |
||||||
мянистый индий InSb, мышьяковистый индий InAs, селенид ртути HgSe, теллурид ртути HgTe и германий Ge. У ряда веществ (сурьмянистый индий) К сильно зависит от индукции. Независимость К от индукции достигается соответствующим подбором примесей.
Если цепь вторичных электродов замкнута на внешнее
сопротивление |
R, то по нему течет ток |
|
|
|
|
IX= E'X/(R + RB\ |
(5.34) |
где |
Е х— ЭДС, |
отличающаяся от Ех за |
счет появления от |
тока |
1Х вторичной разности потенциалов |
между первичными |
|
электродами; /?„— внутреннее сопротивление элемента Холла по цепи вторичных электродов.
Изменение Ех практически безынерционно следует за измене нием В и / до частоты 1012 Гц. В зависимости от материала и размеров пластины значение Ех может достигать 3 В и более.
Элементы Холла часто используются как магнитометры, компасы, воспринимающие органы регуляторов магнитного
поля |
в |
диапазоне |
напряженности |
магнитного |
поля |
8• 10_6 А /м ^Я ^250 А/м. |
Чувствительность элемента |
Холла, |
|||
применяемого в качестве датчика магнитного поля, составляет
Sv = АЕХ/АВ= Klfh. |
(5.35) |
Поскольку технологически трудно точно расположить и при паять электроды в точках, соответствующих эквипотенциальной поверхности для трубок тока в пластине, то обычно считают
ExZ = Ex + AEx = Ex- ( p - J - l \ |
(5.36) |
где р — удельное сопротивление материала, |
т. е. появляется |
погрешность АЕХ, представляющая собой ЭДС разбаланса при В = 0. Компенсация ее (симметрирование) осуществляется с по мощью схем, показанных на рис. 5.29.
Элементы Холла могут быть применены в качестве датчиков тока, напряжения или мощности. Например, при 5 = const из (5.33)
£х=с/. где с — постоянная датчика.
|
|
Рис. |
5.29. |
С п о со б ы |
си м м етр и р о в ан и я |
|
|
||||
Удобнее |
синусоидальная |
форма |
ЭДС |
Ех, |
так |
как |
обычно |
||||
ее необходимо |
усиливать. |
При |
5 = const |
и |
токе /=7msincot |
||||||
либо при |
7= const |
и |
индукции |
7?,= 5msinco? |
ЭДС |
Холла |
|||||
синусоидальна |
[57]. |
При использовании |
в |
качестве |
датчика |
||||||
мощности и при индукции В, пропорциональной напряжению
нагрузки |
U„, |
постоянном токе 7, пропорциональном |
току |
7Н нагрузки, |
из (5.33) следует |
|
|
|
|
Ex = yU„I„, |
|
где у — постоянная датчика. |
|
||
Если |
5, = 5msin(cot+\|/1); /= v/27sin((oH-\)/2)* где |
^ — |
|
мгновенное значение индукции; 7— действующее значение тока,
то |
по (5.33): |
|
|
|
|
|
|
Ex = y jl —2?7sin (coM-\|/|)sin (o>H-\|/2) = |
|
|
|
|
|
= -j=~ 57[cos(\|/1- \|/2)-cos(2(ot + \(/1+\|/2)]. |
(5.37) |
||
|
|
V 2 h |
|
|
|
где |
x|/j, |
ф2 — углы сдвига векторов |
индукции и |
тока |
от |
носительно напряжения; ©— круговая |
частота изменения |
ин |
|||
дукции и |
тока. |
|
|
|
|
|
Из (5.37) следует, что Ех содержит постоянную состав |
||||
ляющую |
|
|
|
|
|
/Г К Ш / I 1 4
£ x0 = - ^ 7 C o s ( v l / i - v | / 2 )
ч/2Л
и переменную составляющую
КР’
£'х~=— cos(2a>H-\|/i + \|/2).
(5.38)
(5.39)
V 2Л
При этом Ехо пропорциональна cos (\|/i —ф2)< где v|ii—\f»2 = (p — угол между векторами индукции и тока, а Ех^. из меняется с двойной частотой. Обычно используется постоянная
составляющая Ех0. |
Если |
В |
пропорциональна U„, |
а ток |
/ пропорционален |
/„, где |
U„ |
и /„ — действующие |
значения |
напряжения и тока, характеризующие измеряемую нагрузку, то
B = K1UHe ^ 4 |
1=К21ие»2, |
|
где Y]— угол сдвига между |
векторами В |
и U„; у2— угол |
сдвига между векторами /, /„; К{, К2— коэффициенты пропор циональности.
Тогда |
|
|
|
|
|
|
Ех0= ^ ф ^ и „ 1 нcos((p + Yl- y 2). |
(5.40) |
|
|
|
V 2Л |
|
|
Из (5.40) |
следует, что при Yl= Y2 Ех0 пропорциональна |
|||
активной, |
а |
при у2 = у 1+п/2— реактивной |
мощности нагрузки. |
|
В ряде |
случаев измерительный орган, |
реагирующий |
на Ех, |
|
инерционен, составляющая Ех^ на его работу существенного влияния не оказывает и ее можно не учитывать. В противном случае Ех_ необходимо сглаживать или компенсировать. Для сглаживания применяются различного рода фильтры [56, 57]. Компенсация проще всего достигается применением второго элемента Холла с такими же абсолютными значениями В и I, но сдвинутыми на угол я/2. При этом Yl и у2 в (5.40) изменяются на я/2, а их разность остается неизменной. Сумма Yl-bY2, от которой зависит сумма v|/i + v|/2 в (5.39), изменяется на я. Поэтому составляющие Ех_ обоих элементов Холла будут в противофазе и компенсируются.
Линейность зависимости Ех0 от активной или реактивной мощности зависит от постоянства значений К, Kt и К2. Постоянство Кх и К2 зависит от устройств, преобразующих
U„ или |
/„ в В или I. |
|
|
|
|
|
||||
|
Элементы Холла применяются в качестве множительных |
|||||||||
элементов. Если ток |
I пропорционален измеряемой |
величине |
||||||||
х, |
а |
индукция В — измеряемой величине |
г, |
то |
|
|
||||
|
|
|
|
|
У ~ Е%— yxz, |
|
|
|
|
|
где |
у — коэффициент |
пропорциональности. |
|
|
|
|
||||
|
Элементы Холла можно применять также в качестве |
|||||||||
фазовых |
детекторов. |
Из (5.38), учитывая, |
что |
ф ,—ф2 = ф, |
||||||
следует |
Ех0= KBIcos <p/N/2 /;. |
|
|
|
|
|
||||
|
Элементы Холла можно использовать и в качестве |
|||||||||
дифференциальных |
датчиков |
малых перемещений |
(рис. 5.30). |
|||||||
Если |
абсолютные |
значения |
\ВХ = \В2\ и |
площади |
датчика, |
|||||
Рис. 5.30. Элемент Холла для измерения малых перемещений
пересекаемые |
потоками этих индукций равны, то разность |
|
АЕх = Ех2 — Ех1 |
пропорциональна перемещению |
элемента. |
Погрешности элемента Холла вызываются |
следующими |
|
причинами:
1. Токовые электроды припаиваются по всей ширине пла стины, поэтому появляется зависимость характеристики (5.33) от геометрических размеров пластины Ijb.
2.Постоянная К зависит от удельного сопротивления материала пластины и температуры. С точки зрения линейности характеристики желательны материалы со слабо выраженной зависимостью К(Т). Однако эти материалы отличаются мень шим значением К (например, HgSe) или нетехнологичны (например, InAs).
3.Постоянная К зависит от вторичной ЭДС Холла, вызван ной током нагрузки.
4. Внутреннее |
сопротивление |
элементов Холла изменяется |
в зависимости от |
температуры |
и магнитной индукции. |
5. Величина Ех зависит от сопротивления нагрузки.
Для термокомпенсации применяются терморезисторы, вклю чаемые параллельно или последовательно в цепь питания или в выходную. Температурные погрешности снижаются также с помощью термостатирования. Для этого предусматриваются нагреватель и датчик температуры. При разделении цепей питания по частоте сам элемент Холла может быть исполь зован как нагреватель.
5.9.2. Магниторезисторы
В качестве чувствительного элемента в магнитомодуляци онных датчиках могут применяться магниторезисторы. В маг ниторезисторах используется такое гальваномагнитное явление, как увеличение электрического сопротивления некоторых по лупроводников (например, InSb) под воздействием внешнего магнитного поля. Магниторезистор в виде диска Корбино показан на рис. 5.31. Если магнитная индукция внешнего поля В = 0, то носители заряда в пределах полупроводникового
236
материала 1 перемещаются между электродами 2 и 3 в ради альном направлении. Если же В ф О, то пути носителей заряда искривляются, в результате чего электрическое сопротивление р элемента возрастает по закону:
Др/р = (ЛхЯ)2, |
(5.41) |
где А — коэффициент, зависящий от материала и формы магниторезистора; %— подвижность носителей заряда, т. е. отношение скорости vap их направленного движения (дрейфовой скорости), вызванной электрическим полем, к напряженности этого поля Е:
X= vap/E.
При работе магниторезистора в нем создается ЭДС Холла. Возникающее при этом электрическое поле компенсирует изменение сопротивления р. Для получения наибольшего изменения сопротивления форма магниторезистора должна обеспечивать минимальное значение ЭДС Холла, т. е. мини мальное отношение ЦЬ. На рис. 5.32 показаны зависимости Др/р (2?) при различной форме плоских магниторезисторов [80]. Относительное изменение Др/р при сильных магнитных полях в дисковом магниторезисторе достигает сотен тысяч. Для этих случаев в (5.41) А — \.
Наиболее эффективны (А = 0,5 -s- 0,7) датчики магнитного поля в виде последовательного соединения коротких маг ниторезисторов (1<Ь). Практически они представляют собой пластину с поперечными электропроводящими полосами, ко торые шунтируют ЭДС Холла.
Материалом для магниторезисторов чаще всего является висмут. Характеристика Др/р (В) зависит от температуры. При низких температурах Др/р резко возрастает.
Магниторезисторы используются в качестве датчиков, управляе мых реостатов, усилителей и т. д. На рис. 5.33 приведен пример использования магниторезистора в качестве управляемого реостата.
5.9.3. Феррозонды
В магнитомодуляционных датчиках, предназначенных для измерения напряженности слабых магнитных полей, применя ются магнитометры, основанные на использовании нелиней ности кривой намагничивания магнитомягкого материала. Такие магнитометры, называемые феррозондами, содержат один или несколько сердечников из магнитомягкого материала с обмотками. В феррозондах при изменении внешнего упра вляющего постоянного магнитного поля либо изменяется индуктивность обмотки переменного тока, либо появляются четные гармоники в выходных обмотках.
ю
оо
Рис. 5.32. Зависимость Др/р(Д) при различной форме магниторезисторов
Рис. 5.33. Магниторезистор |
в качестве управляемого |
реостата: |
1 — управляющая магнитная |
система; 2 — магниторезистор; |
R H— сопротивление цепи |
нагрузки |
|
|
Рис. 5.34. Феррозонд с изменяющейся индуктивностью обмотки
Феррозонды, работающие по первому принципу, включа ются в мостовую схему, представленную на рис. 5.34. Для того чтобы судить не только о значении, но и о направлении напряженности Нх внешнего магнитного поля, стержни магнитопроводов феррозонда подмагничиваются обмотками сме щения vvCM в разных направлениях. Внешнее магнитное поле Нх увеличивает намагниченность стержней 2 и уменьшает намагниченность стержней 1. Индуктивность обмоток щ, пе
ременного |
тока |
одного плеча мостовой схемы |
р^вна |
L=4w l/R», |
где |
7?M= 2//(p0pr 5); 1 /цг = К(Нем± Н х). |
* |
Таким образом, с изменением напряженности Нх изменяется индуктивность обмоток н^. Возникает разбаланс мостовой схемы,' на выходе которой появляется напряжение U2, пропор
циональное |
напряженности Нх. |
|
|
|
|
|||
Конструкция и схемы включения феррозондов, работающих |
||||||||
по четным |
гармоникам, |
показацы |
на рис. 5.35. |
В правой |
||||
части |
магнитной |
цепи |
(рис. 5.35,а) |
для |
рассматриваемого |
|||
полупериода |
изменения |
{/, магнитные |
потоки |
обмотки |
||||
и |
измеряемый |
вычитаются, а |
в |
левой— складываются, |
||||
что приводит к насыщению левого стержня. В последующем полупериоде аналогично насыщается правый стержень. При насыщении стержня ухудшается магнитная связь между об мотками и w2, поэтому напряжение на обмотке и>2 уменьшается. Поскольку правый и левый стержни на сыщаются в разные полупериоды, а обмотки w2 соединены последовательно, на зажимах вторичной цепи дважды за период возникает уменьшение и увеличение трансформируемого напряжения. Вследствие этого на зажимах обмоток щ2,
1 |
—о ~ О— |
IНх |
||
|
|
|||
Нх1 |
|
|
||
1 |
) |
( |
I |
|
1 |
| |
|||
) |
ГV |
I >W1 |
||
< 1 |
||||
( 1 |
|
|
I > |
|
1 |
|
|
I |
|
1 ' |
|
1 1 |
||
1 |
|
|
1 |
|
<1“ |
|
|
1 > |
|
I |
) < |
|
1. |
|
С |
|
I |
||
Л |
< _1_) |
|||
|
---О и9 о - |
|
||
|
а) |
|
V |
|
|
|
6) |
г) |
Рис. 5.35. Феррозонды с |
выходным напряжением |
четных гармоник: |
|
а — обмотки \v2 |
намотаны |
на отдельных сердечниках; |
б — с общей обмоткой и>2; |
г — с замкнутым |
магнитопроводом |
|
|
включенных встречно относительно первой гармоники, ин дуктируется вторая и другие четные гармоники, создающие выходное напряжение
U2 = Scw2 ™ = Нхт ScWzYt - KSCw2ABf,
где К — коэффициент, зависящий от формы кривой [81]. Напряжение U2 достигает максимального значения U2max при
Нх= s jl Hs, где Hs соответствует индукции насьццения Bs. Феррозонды по рис. 5.35, в, г имеют замкнутый магнито-
провод и поэтому требуют меньшей мощности подмагничивания. Чувствительность феррозонда рис. 5.35, г прямо пропор циональна отношению внутреннего диаметра тороидального магнитопровода к наружному.
240