3.4. Электромагнитные датчики

По принципу действия электромагнитные датчики подразделяют:

1) на индуктивные;

2) взаимоиндуктивные;

3) магнитоупругие.

Электромагнитные датчики используются для измерения величин перемещений (линейных и угловых), усилий, давлений, скоростей и др. Электромагнитные датчики, в которых измеряемая физическая величина, например, перемещение, преобразуется в изменение индуктивности L электрической цепи, называются индуктивными (рис. 5, а).

В технике используются также датчики, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в изменение взаимной индуктивности М. Такие датчики называют взаимно-индуктивными, или трансформаторными (рис. 5, б).

Рис. 5. Примеры электромагнитных датчиков:

а - индуктивный с переменным воздушным зазором δ;

б - взаимноиндуктивный;

в - магнитоупругий

Для перемещения подвижного якоря индуктивных и взаимоиндуктивных датчиков необходимо прилагать определенные усилия для преодоления электромагнитных сил притяжения (нежелательных), действующих на якорь со стороны неподвижного сердечника (электромагнита).

Конструкция таких датчиков определяется диапазоном измеряемого перемещения. Габаритные размеры датчиков выбирают исходя из необходимой мощности выходного сигнала.

Для измерения выходного сигнала датчиков наибольшее применение получили мостовые (равновесные и неравновесные) схемы, а также компенсационная (в автоматических приборах) схема для дифференциально-трансформаторных датчиков.

Взаимноиндуктивные датчики позволяют за счет изменения соотношения количества витков обмоток w₁ и w₂ получать на выходе необходимый диапазон изменения выходного сигнала.

Индуктивный датчик (рис. 5, а) с переменным воздушным зазором имеет обмотку w, намотанную на неподвижный сердечник из электротехнической стали. Магнитный поток Ф в сердечнике замыкается через якорь, который перемещается относительно неподвижного сердечника, изменяя тем самым воздушный зазор δ на пути магнитного потока. Якорь механически связан с деталью (элементом), перемещение Х которой требуется измерить.

Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе:

L = ,

где w – число витков обмотки;

R_m – полное магнитное сопротивление магнитопровода (R_m = R_ст + R_в);

R_ст – магнитное сопротивление стали;

R_в – магнитное сопротивление воздушного зазора.

Учитывая, что при некоторых условиях R_ст << R_в, можно записать:

L ≈ .

Учитывая, что R_в = , можно записать:

L = ,

где δ – длина воздушного зазора;

S – площадь поперечного сечения воздушного зазора;

μ₀ – магнитная постоянная.

Индуктивный датчик с переменной длиной воздушного зазора δ характеризуется, таким образом, нелинейной зависимостью L = f(δ) (рис. 6, а). Такие датчики обычно применяют при перемещениях якоря на 0,01-5 мм.

Ток в цепи катушки индуктивного датчика определяется выражением:

I ≈ ,

где u, ω – напряжение и частота питания датчика.

Видно, что ток в цепи на выходе датчика прямо пропорционален длине воздушного зазора, а следовательно, измеряемой неэлектрической величине – перемещению Х (рис. 6, б).

Рис. 6. Характеристики индуктивных датчиков

На рис. 5, б приведена схема датчика, содержащая две катушки w₁ w₂. Одна из них w₁ питается от источника переменного тока u, на выходе другой при перемещении якоря будет возникать ЭДС е_вых. Взаимная индуктивность определяется:

М = w₁w₂/R_м.

При определенных условиях можно записать:

е_вых =,

т. е. выходной сигнал е_вых обратно пропорционален величине воздушного зазора δ.

И, наконец, датчики, состоящие из замкнутого ферромагнитного сердечника (рис. 5, в) и обмотки, называют магнитоупругими. Принцип действия таких датчиков основан на том, что под воздействием усилия Q, в сердечнике возникает механическое напряжение σ, вследствие чего изменяется магнитная проницаемость μ_с сердечника и, как следствие, изменяется магнитное сопротивление сердечника: R_ст = l_c / μ_cS_c, где l_c и S_c – длина и площадь поперечного сечения сердечника.

Изменение магнитного сопротивления R_ст приведет к изменению индуктивности L и полного сопротивления Z катушки, расположенной на сердечнике. Это явление называют магнитоупругим эффектом, а датчики, принцип действия которых основан на этом эффекте, называют, как отметили выше, магнитоупругими.

Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f(δ), отличаются датчики с переменным сечением воздушного зазора (рис. 7). Эти датчики используют при измерении перемещений до 10 - 15 мм.

Рис. 7. Примеры индуктивных датчиков:

а – с переменной площадью воздушного зазора S_в; б –дифференциальный

Широко распространены индуктивные дифференциальные датчики (рис. 7, б), в которых под воздействием измеряемой величины (перемещения) одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора электромагнитов. Дифференциальные датчики в сочетании с соответствующей измерительной схемой (как правило, мостовой) имеют более высокую чувствительность, меньшую нелинейность характеристик, испытывают меньшее влияние внешних факторов и сниженное результирующее усилие на якорь со стороны электромагнита, чем недифференциальные датчики.

На рис. 8 показана схема включения дифференциального индуктивного датчика, у которого выходными величинами являются взаимные индуктивности. Такие датчики (преобразователи) называют, как мы уже отметили, взаимно-индуктивными или трансформаторными.

Рис. 8. Примеры индуктивных датчиков:

а - дифференциально-трансформаторный; б - дифференциально-трансформаторный с разомкнутой магнитной цепью; в - конструкция дифтрансформаторного датчика;

г - статическая характеристика дифтрансформаторного датчика

При перемещении якоря от среднего (симметричного) положения на выходе появляется ЭДС.

Для измерения сравнительно больших перемещений (до 50 - 100 мм) применяют дифференциально-трансформаторные датчики с незамкнутой магнитной цепью (рис. 8, б). Конструкция индуктивного дифференциально-трансформаторного датчика и его статическая характеристика показаны на рис. 8 в, г. Этот тип датчиков представляет собой трансформатор с одной первичной w₁ и двумя, соединенными встречно, вторичными обмотками w₂ и w ₂́ (рис. 8, в).

Если сердечник расположен симметрично относительно обмоток, то индуктируемые ЭДС во вторичных обмотках е₁ и е₂ одинаковы, а напряжение на выходе датчика u_вых = 0, т. к. обмотки w₂ и w₂́ включены встречно. При перемещении сердечника, например, вправо, ЭДС в правой обмотке е₁, будет больше, а в левой е₂ – меньше. На выходе датчика появляется напряжение u_вых = е₁ - е₂.

Величина амплитуды напряжения говорит, следовательно, о величине перемещения Х, чем она больше, тем больше величина u_вых (рис. 8, г).

При смене направления перемещения сердечника фаза выходного сигнала меняется на 180º. Таким образом, величина амплитуды выходного сигнала u_вых характеризует величину перемещения, а фаза выходного сигнала – направление перемещения (рис. 8, г).