Глава 4 (Учебник в электронном виде), страница 6

Как следует из примеров, датчики этого типа способны участвовать в измерении различных параметров, только в табл. 36 их представлено шесть. Подобная многопараметричность является очевидным достоинством ЭСДДВ. К другим достоинствам можно отнести также простоту конструкции, широкий диапазон измерения, помехоустойчивость к магнитным по­лям и работоспособность до высоких температур.

ЭСДДВ не лишены недостатков. В первую очередь, это необходимость использования высоких несущих частот, обязательное согласование кабеля и чувствительность к загрязнению.

4.2.4. Электромагнитные датчики

Э лектромагнитные датчики, как и емкостные используются в робототехнике для реше­ния кинестетических (определения усилий, вибраций, давлений и пр.) и локационных задач, где с их помощью обнаруживают различные металлические объекты (ме­талло­искатели разных видов). В первом случае, конструктивная, а также электрическая схема подобны схемам МДДВ, во втором применяются специальные схемотехнические решения. В большинстве промышленных измерительных систем электромагнитные датчики питаются непосредственно от сети переменного напряжения.

В общем случае, электромагнитный ДДВ (ЭМДДВ) представляет собой один или несколько контуров (обмоток), находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как токами, протекающими по контурам, так и внешним источником. Простейший (одноконтур­ный) датчик характеризуется: индуктивностью L, током через контур i, потокосцеплением  = Li, противо-ЭДС e = - d/dt, энергией электромагнитного поля W_м = i/2 = Li²/2 и электромагнитной силой f_эм. Используя в качестве информативного признака любой из этих параметров, можно построить датчики, измеряющие различные физические величины (тесла- и гальванометры, тахометры и др.). Однако важно отметить, что параметры магнитной цепи являются взаимозависимыми. (Так, например, действие f_эм на сердечник преобразователя вызывает его неконтролируемое перемещение, а ток, протекающий по замкнутому контуру, приводит к появлению силы, поворачивающей его относительно поля и изменяющей, тем самым, величину индуцируемой ЭДС).

В ДДВ обычно используется вариации магнитной проницаемости , вызывающие изменение индуктивности или взаимной индуктивности M катушек. Существенной особенностью таких датчиков является наличие потоков рассеяния, обусловленное тем, что часть основного магнитного потока Ф замыкается не через все витки катушки (рис. 4.29). Соответственно полная индуктивность контура имеет две составляющие: основную индуктивность L и индуктивность рассеяния L_рас равные: L = n²/Z_м, L_рас = n/Z_м', где Z_м и Z_м' - магнитные сопротивления основного потока и потока рассеяния, n - число витков обмоток. Для уменьшения потерь в обмотку преобразователя вводится ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитный поток, и уменьшающий, тем самым, долю потока рассеяния в общем потоке. Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на тороидальном сердечнике. Наличие сердечника позволяет строить уже рассмотренные схемы ЭДП (разд. 3.1.2), а также ЭМДДВ малой жесткости, основанные на измерении вариаций индуктивности L при изменении положения сердечника. (В то же время, использование сердечников приводит к появлению частотно-зависимых потерь мощности на перемагничивание магнитопровода).

ЭМДДВ можно клас­сифицировать по трем признакам.

1. По типу контролируемого параметра: индуктивные (из­ме­няется L) и трансформаторные (изменяется M).

2. По характеру изменения магнитного зазора: с изменяемой площадью и с изменяемой длиной зазора.

3. По степени симметрии конструктивной схемы: простые (дроссельные) и разностные (дифференциальные).

Н а практике наиболее распространены разностные ин­дуктивные ЭМДДВ, обладающие большей точ­ностью, по сра­внению с тра­нсформаторными, но требу­ющие использо­­вания усилительных схем. (Несим­мет­ричные конструкции используются реже и в специальных случаях).

К онструктивные схемы ЭМДДВ подобны схемам ЭСДДВ (рис. 4.30). Обмотки катушек выполняются из медной проволоки и требуют высокой равномерности намотки. Ферромагнитные детали (якорь, детали маг­ни­то­проводов) в большинстве случаев изготавли­ва­ются спло­ш­ными. В качестве упругих элементов используются:

• мембраны (для усилий  0,01 ... 0,1 МН);

• торцевые кольца (для усилий  100 Н ... 1 МН);

• балки (для усилий  0,1 ... 10 МН).

Функция преобразования ЭМДДВ сущест­венно нелинейна и ее точный расчет практи­чески невозможен. Прибли­зительная аналити­ческая зависи­мость получена для дрос­­­­сельного ЭМДДВ с изменяемой длиной зазора:

L = L₀/(1+kx)  L₀ (1+kx-k²x²),

где начальная индуктивность L₀ и постоянная k определяются геометрическими размерами датчика и магнитной проницаемостью цепи.

В симметричной конструкции (при использовании диффе­рен­ци­альной схемы) линейность увеличивается за счет компенсации членов при четных степе­нях. Погрешность линейности уменьшается до  0,2%, а функция преобразования апроксимируется выражением: L = L₀ (1+k*x).

Эквивалентная электрическая схема ЭМДДВ, как и любого частотно-зависимого преобразователя учитывает вклад отдельных элементов конструкции, зависящий от рабочей частоты прибора. В представленной на рис. 4.31 эквивалентной электрической схеме дроссельного ЭМДДВ с ферромагнитным сердечником символами L_д и R_д обозначены индуктивность и сопротивление обмотки. При работе датчика на частотах 10³ ... 10⁴ Гц необходимо также учесть сопротивление потерь мощности на перемагничивание R_п и межвитковую емкость C, а также характерные для индуктивных преобразователей источники ЭДС e и U_ш. Здесь U_ш - напряжение шума, обусловленное эффектом Баркгаузена. Этот эффект, особенно заметный в высокочувствительных приборах (например, феррозондах) связан со скачкообразными смещениями домен­ных границ при перемагничивании ферромагнетика. Он вызывает импульсы ЭДС e_Б в области средних частот, e_Б = Ф/ , где Ф - приращение магнитного потока, вызванное скачком Баркгаузена,  - длительность скачка. Длительность этих ска­чков для разных материалов составляет 10^-3... 10^-7с. Что касается ЭДС e, индуцируемой в контуре, то она может быть как информативной, так и помехой. Использование сердечников с высокой магнитной проницаемостью и высоким удельным сопротивлением (на­пример, ферритов) позволяет практически устранить потери из-за L_рас и токов Фуко.

Как следует из рис. 4.31 при разработке ЭМДДВ приходится учитывать значительное количество источников погрешностей. Для их частичной компенсации применяется ряд мер. Так, для уменьшения паразитной составляющей ЭДС e датчик экранируются от внешнего магнитного поля, а соединительные провода подводятся таким образом, чтобы не образовывать дополнительных контуров. Кроме того, в датчике используются симметричные магнитные цепи и обмотки (например, тороидальные). Суть симметричной обмотки заключается в том, что для каждого витка на сердечнике имеется симметрично расположенный, по отношению к магнитному потоку, прониз ыва­ю­ще­му сердечник, «парный» виток. ЭДС, наводимые в «парных» витках, компенсируют друг друга, и суммарная ЭДС уме­ньшается. Еще одним способом повышения точности является ограничение частотной характеристики. Верхняя частотная гра­ница ЭМДДВ определяется длительностью скачков Баркга­узена и составляет 10² ... 10⁵ Гц, для ферритов до 10⁷ Гц. Нижняя граница зависит от частоты перемагничивания f₀ и соста­в­ляет не менее 3 f₀.

В табл. 4.8 приведены характеристики различных моделей ЭМДДВ. Эти датчики, как и в случае ЭСДДВ также являются многопараметрическими.

Таблица 4.8. Примеры промышленных ЭМДДВ

Примечание. Модель BES-150 разработана фир­мой Balluff, NBB5 и RC15 - Pepperl+Fuchs (Германия).

Существенной особенностью трансформаторных дифференциальных ЭМДДВ, является высокий уровень выходного сигнала, не требующий применения усилителей. Пример такой схемы представлен на рис. 4.32. Датчик обладает погрешностью   0,5%, при угле кручения 0,25⁰ и диапазоне измерения моментов 0 ... 200 Нм. Чувствительность составляет  18 мкВ/В/м. Питание осуществляется от генератора переменного тока напряжением U = 10 В с частотой не менее 10 кГц. Наличие муфтового соединения позволяет использовать датчик для измерения моментов M на быстровращающихся валах. Скорость вращения мо­жет достигать 20000 оборотов в минуту. С точностью до указанного значения погрешности, функция преобразования моментометра апроксимируется приблизительной зависимостью: U_вых  U M.

По своим эксплуатационным характеристикам ЭМДДВ во многом подобны ЭСДДВ. Достоинствами этих датчиков являются: простота конструкции и эксплуатации (пи­тание от промышленной сети переменного тока 50 или 400 Гц) и, как следствие низкая стоимость, температурная стабильность, а также высокий уровень и мощность выходного сигнала. Недостатками ЭМДДВ является невысокая линейность и низкая, по сравнению с МДДВ, жесткость (из­ме­рительный ход - 0,1 ... 0,6 мм).

В заключение этой главы приведем результаты сравнительного анализа различных типов ДДВ (табл. 4.9). Как следует из табл. 39 все датчики имеют примерно одинаковую ширину диапазона измерения и отличаются только граничными значениями. Что касается точности, то лучшими показателями обладают ПДДВ.

Таблица 4.9. Сравнительная характеристика ДДВ

Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Зависит ли частота выходного напряжения асинхронного тахогенератора от скорости вращения?

2. Какова размерность магнитодвижущей силы?

3. От каких параметров зависит мультипликативная погрешность тахогенератора постоянного тока?

4. Можно ли в конструкции тахогенератора постоянного тока исключить щеточный узел?

5. Какой тип пьезоэффекта используется в пьезогенераторах?

6. Какой датчик обладает большей линейностью - электромагнитный или емкостной?

7. Какой тип датчиков динамических величин наиболее чувствителен к условиям внешней среды?

8. Для каких датчиков характерна большая выходная мощность - пьезоэлектрических или магнитострикционных?

9. Можно ли использовать пьезодатчики для измерения статических усилий?

10. Зависит ли вид эквивалентной схемы датчика от частотного диапазона?

214