Глава 2 (Учебник - информационные системы), страница 2

Сравнительные характеристики ТР ЧЭ приведены в табл.2.2. Обозначено: I - ток, b - ширина ЧЭ.

Таблица 2.2. Сравнительные характеристики ТР ЧЭ

Модель LG11 0,6/120 разработана фирмой HBM, Германия.

В настоящее время наилучшими ха­рак­те­рис­тиками обладают фольговые ТР. Для них характерна малая поперечная чувствительность S_т^поп и хорошая температурная стабильность. В зоне Гука (при e_l < 0,65%,  n = 0,3)  S_т  для константана равен двум, при ТКС _R ~ 0,002%/ ^оC.

Проволочным ТР свойственна большая поперечная чувствительность S_т^поп. В расчетах полагают, что для них S_т^поп = 2 10^-2 S_т.

Полупроводниковые ТР при существенно большей S_т (выше 100), обладают меньшей линейностью и самой высокой из всех ТР температурной чувствительностью. Для расширения температурного диапазона эксплуатации для полупроводниковых ТР используется технология «кремний на сапфире» (КНС), обеспечивающая работоспособность в диапазоне до - 271 ... + 400 ⁰С.

При размещении ТР на поверхности упругого элемента его ТКС становится зависим от материала упругого элемента. Температурная компенсация ТР достига­ется при исполь­зо­вании материалов с согласованными темпера­тур­ными коэффициен­тами расширения _т. В этом случае, вместо параметра _R используется интегра­ль­ный коэффициент b, учитывающий материал упругого элемента. Итоговое изменение сопротивления ТР, установленного на упругий элемент составит: . Здесь b = S (^ТР_т - ^У_т), а ^ТР_т и ^У_т - температурные коэффициенты линейного расширения материалов ТР и упругого элемента. Датчик считается термоком­пенсированным, если b < 1,5 10^-6/ ^oC. Эффективная термокомпенсация обеспе­чива­ется для датчиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с постоянными ТКС. ТР, работающие в динамических режимах не термокомпенсируют.

2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы

Развитие методов бесконтактного съема информации привело к широкому внедре­нию элек­тро­магнитных принципов преобра­зования. Именно электромагнитные ЧЭ в настоящее время являются основой большинства промышленных датчиков разного назначения. Принцип действия электромагнитных ЧЭ основан на том, что в измеряе­мый параметр (например, перемещение) «во­влекается» один из элементов магнитного контура (обычно - индуктивность). Изменение индуктивности вызывает изменение магнитного потока через изме­рительную обмотку, и, следова­тель­но, элек­триче­ский сигнал.

Напомним основные законы электромагнетизма, используемые при построении электромагнитных датчиков.

• Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися зарядами, намагниченными телами. Существует и переменное магнитное поле.

• Основной силовой характеристикой магнитного поля является индукция B и сила Ампера F, связанные законом Ампера и правилом левой руки (рис.2.4):

dF = I [ dl B ],

где I - ток через проводник длиной dl.

• Линии индукции охватывают проводники с током, а их направление определяется правилом буравчика (Дж. Максвелла).

• Другой силовой характеристикой поля является его напряженность H. В изотропной среде напряженность равна:

H = B/₀,

где  и ₀ - относительная магнитная проницаемость участка цепи и магнитная постоянная соответственно, ₀ = 4 10^-7 Вс/Ам = 4 10^-7Гн/м. Произведение ₀ = _а называют абсолютной магнитной проницаемостью.

• Магнитная проницаемость  показывает во сколько раз индукция в данном веществе (или сила, действующая на проводник) больше, чем в вакууме. (В отличие от нее диэлектрическая проницаемость  показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в веществе мень­ше, чем в вакууме). Параметр  характеризует реакцию вещества на внешнее магнитное поле. Вещества, в которых  < 1 являются диамагнетиками,  > 1 - парамагнетиками (при этом ||  1). В ферромагнетиках  >> 1 (достигает 10⁵).

• Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в любом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле возникает ЭДС индукции E (закон Фарадея).

E = -dФ/dt

• Если контур замкнут, то в нем возникает индукционный ток I_и. (Индукционные токи в массивных телах называются вихревыми или токами Фуко).

• ЭДС индукции возникает и при изменении тока в цепи I. Это явление получило название самоиндукции, характеристикой которой явилась индуктивность L.

Ф = LI и Ф = B_n d$,

здесь Ф - магнитный поток сквозь поверхность площади $, B_n -нормальная составляющая вектора индукции B.

• Индукционный ток I_и, возникающий вследствие самоиндукции подчиняется закону Ленца (про­ти­водей­ст­ву­ет изменению «основного» тока I в цепи).

• Направление стороннего вихревого электрического поля электромагнитной индукции в проводнике движущемся в магнитном поле определяется правилом правой руки: если вектор В входит в ладонь, а большой палец указывает направление скорости движения проводника, то четыре пальца покажут направление поля электромагнитной индукции, возникшего в проводнике.

При построении электромагнитных дат­чи­ков наиболее известны два под­хода: индуктивный и индукционный. В первом случае, информативным параметром является индуктивность ЧЭ (катушки) L или коэффициент взаимной индукции M нескольких ЧЭ, во втором - ЭДС индукции. Параметр L называется также коэффициентом самоиндукции, а параметр М - коэффициентом связи между обмотками. 

ЧЭ могут включаться по дроссельной или транс­форматорной схе­мам. Дроссельная схема обычно содержит одну или две (при дифференциальном включении) катушки, в которой изменяется коэф­фици­ент самоиндукции L. Трансформаторная схема использует несколько катушек; в ней изменяется коэффициент вза­имной индукции M. Одна из катушек (обычно первичная) неподвижна.

Рассмотрим дроссельную схему. Индуктивность дросселя L с числом витков катушки N, магнитным сопротивлением R_m и относительной магнитной проницаемостью сердечника m вычисляется по формуле

где _, m ~ 10³ ... 10⁴ (для ферромагнитного сердечника), а l и $ - соответственно длина и сечение сердечника. Вид функции преобразования ЧЭ зависит от того, какой из параметров является информативным; если $, то она линейна, если l - то нет. Как правило, оба этих параметра зависят от перемещения сердечника x , и тогда L = L(x) и M = M(x). Вектор индукции B направлен вдоль оси катушки, по правилу буравчика (рис. 2.5).

Если сечение магнитопровода постоянно по длине, то для R_m справедливо выражение:

Здесь l_м и l₀ - длина силовых линий в магнитпроводе и воздухе соответственно, $_м, и $_М - сечение магнитопровода и воздушного зазора.

В большинстве случаев электромагнитных ЧЭ ис­пользуется принцип изменения магнитного зазора. Индуктивность L равна:

В расчетах используют упрощенную формулу:

L = ₀N²$/l₀

Изменение зазора l₀ связано с перемещением обкладки х выражением l₀ = 2х (рис. 2.6а), и поэтому после упрощения получим:

Данное выражение может рассматриваться как функция преобразования электромагнит­ного ЧЭ. Видно, что зависимость коэффициента самоиндукции L от перемещения х нелинейна. При x << l₀ зависимость L от х апроксимируется рядом:

.

Существен­ное уменьшение по­гре­шно­сти нелинейности дос­тигается диф­ферен­циаль­ным (встречным) вклю­чением двух одинаковых ка­тушек (рис. 2.6б). Имеем:

- для первой катушки и - для второй.

Следовательно, при L  (L₂ - L₁) чувствительность схемы удвоится, а нелинейность уменьшится до членов второго порядка малости, вследствие компенсации нелинейностей 1-го и всех нечетных порядков (рис.2.7). Действительно

Приведем типичные характеристики простейшего дросселя: на несущей частоте 5 кГц индуктивность составляет ~ 5 мГн, индуктивное (реак­тив­ное) сопротивление ~ 150 Ом и активное сопротивление 20 ... 200 Ом.

В трансформаторной схеме (рис. 2.8) использу­ют­ся три обмотки: первичная и две вторичные. Это позволяет электрически развязать первичную и вторичную цепи и существенно снизить влияние катушек на подвижный элемент датчика.