Электромагнитные датчики

Глава 6

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ДАТЧИКИ

§ 6.1. Назначение. Типы электромагнитных датчиков

Электромагнитные датчики предназначены для преоб­разования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заклю­чаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного со­противлениямагнитной цепи датчика при перемещении сердеч­ника. Если перемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки. Таким образом, изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны как пере­мещением элемента магнитной цепи (сердечника или якоря), так и перемещением элемента электрической цепи (обмотки). В ре­зультате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки L или ее взаимоиндуктивность М с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто назы­вают индуктивными.

Электромагнитные датчики   обычно   рассматривают   как параметрические, поскольку величины L и М зависят от перемещения х: L = f(x), M=f(x). Но электромагнитные датчики с изменяющей­ся взаимоиндуктивностью можно отнести  и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т. е. E = f(x). Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие "электромагнитные   датчики   называют   трансформаторными. Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку — как вторичную. К генера­торным относятся и индукционные датчики, в  обмотках   которых генерируется  ЭДС в зависимости  от скорости  перемещения: ==/

С помощью электромагнитных датчиков можно автоматически измерять механические силы, давление, температуру, свойства маг­нитных материалов, определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия), толщину немагнитных покрытий на ста­ли, расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.

Электромагнитные датчики имеют следующие достоинства: про­стота и дешевизна конструкции, механическая прочность, высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала без скользящих контактов, возможность питания от промышленной сети частотой 50 Гц, возможность получения достаточно высокой мощно­сти выходного сигнала, возможность работы как в диапазоне ма­лых (доли мм), так и больших (метры) перемещений. К недостаткам электромагнитных датчиков следует отнести влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения, а также возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков, рассмотренных в § 6.6).

Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может проис­ходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к измене­нию магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердеч­ника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.

Электромагнитные датчики (индуктивные, трансформаторные, индукционные, магнитоупругие) получили широкое распростране­ние в системах автоматики.

Рекомендуемые материалы

§ 6.2. Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков

Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рис. 6.1 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это оди­нарные индуктивные датчики. На сердечнике 1 из электротех­нической стали размещена об­мотка 2, подключаемая к источ­нику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, ко­торый может перемещаться от­носительно сердечника 2. Якорь 3 механически связан с де­талью,   перемещение   которой необходимо измерить.

Эта деталь на рисунке не показана, но пе­ремещение х ее может происходить в вертикальном (рис. 6.1, а) или в горизонтальном направлении (рис. 6.1, б). Перемещение яко­ря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора б. Следовательно, из­менится индуктивность обмотки 2. Поскольку эта обмотка вклю­чена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определять­ся ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное со­противление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопро­тивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления уменьшаются (рис. 6.2, а). Следовательно, ток в об­мотке увеличивается (рис. 6.2, б). Полагая ток I в обмотке за вы­ходной  сигнал датчика, а перемещение х — за входной сигнал, имеем выходную характеристику в виде графика I=f(x)

Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к кон­структивной схеме, показанной на рис. 6.1, а. В этом случае прира­щение перемещения х всегда равно приращению зазора б, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость токаот

зазора

Пусть обмотка датчика включена на напряжение пита­ния;  где — действующее значение напря­жения, — угловая частота, рад/с. По закону Ома, дейст­вующее значение тока в об­мотке

                                     (6.1)

где — полное   сопротивление обмотки датчика, Ом, состоящее из активного R и индуктивного  сопротивлений: Индуктивное сопротивление пропорционально    индуктивности    L    и частоте питания : Xl=  (Напомним, что) После подстановки имеем

                                                                             (6.2)

Индуктивность обмотки датчика с числом витков w

                                                                                                     (6.3)

Где —магнитный поток сердечника, Вб. Принимаем, что весь магнитный поток проходит через воздушный зазор, т. е. потоки рас­сеяния отсутствуют. Тогда

                                                                (6.4)

 Здесь — магнитное сопротивление магнитопровода датчика, Гн. Это сопротивление слагается из сопротивления стали сердечника и якоряи сопротивления воздушного зазора:

                                                           (6.5)

 Сопротивление воздушного зазора пропорционально удвоенной длине воздушного зазора, поскольку магнитный  поток проходит через воздушный зазор дважды:

                                                        (6.6)     

где— поперечное сечение воздушной части магнитопровода, рав­ное активной площади поперечного сечения сердечника в зоне душного зазора, м²;Гн/м — магнитная проницаемость воздуха.

После подстановки (6.5) и (6.6) в (6.4) получим выражение для магнитного потока:

Выражение для индуктивностиполучаем подстановкой (6.7) в (6.3):

                                                      (6.8)

Индуктивное сопротивление обмотки

                                             (6.9)

                                            (6.10)

Анализ формулы (6.10) показывает, что с увеличением воздушно­го зазора (а следовательно, и перемещения) полное сопротивле­ние уменьшается, стремясь в пределе к величине активного сопро­тивления обмотки R. Зависимость полного сопротивленияот ве­личины зазора б показана на рис. 6.2, а. Ток в обмотке датчика

Если входным сигналом датчика считать перемещение якоря х от начального положения прив сторону увеличения зазора (по рис. 6.1, а), то формула после заменынапредставляет собой статическую характеристику одинарного индуктивного датчика, т. е.. График статической характеристики показан на рис.6.2, б. Как видно из анализа формулы (6.11) и графика, зависи­мостьимеет нелинейный характер. Однако на графике можно выделить участок АБ, на котором соблюдается прямая про­порциональность между входным и выходным сигналами. Этот участок называется рабочим, датчик используется именно в диапа­зоне входных сигналов от  до  Следовательно, датчик всегда имеет некоторый воздушный зазор, не меньший. В большинстве конструкций индуктивных датчиков магнитопровод ненасыщен и магнитная проницаемость материала сердечника весьма велика. Поэтому магнитное сопротивление воздушного зазора (уже при  ) значительно больше магнитного сопротивления стального сердечника, т. е.

Пренебрегая величиной  в формуле (6.9), получаем упрощен­ное выражение для индуктивного   сопротивления    (с учетом ):

                                (6.12)

В этом же диапазоне изменения  воздушного зазора  от до активное сопротивлениезначительно меньше индуктивного сопро­тивления

Пренебрегая в (6.2) величиной, с учетом (6.12) получаем при­ближенное выражение статической характеристики индуктивного датчика

                                                                            (6.13)

где R— коэффициент передачи, определяемый напряжением и час­тотой питания, конструктивными размерами сердечника и числом витков обмотки датчика;

Таким образом, в некотором диапазоне изменения входного сиг­наластатическая характеристика индуктивного датчика является линейной с постоянным коэффициентом передачи.

График такой статической характеристики имеет вид прямой линии (штриховая на рис. 6.2, б). Это идеальная характеристика датчика. Реальная характеристика (сплошная линия 2 на рис. 6.2, б) совпадает с идеальной на рабочем участке АБ. Проанализи­руем причины отклонения реальной характеристики от идеальной.

В зоневоздушный зазор очень мал и его магнитное сопротивление становится соизмеримым с магнитным сопротивлением стальных сердечника и якоря. Реальная характеристика начинается не от нуля, поскольку даже прииндуктивное сопротивление не может быть равно бесконечности. Следовательно, некоторый ток будет протекать по обмотке, выполненной даже на замкнутом магнитопроводе. Для уменьшения значения начального токаисполь­зуют для сердечника и якоря индуктивного датчика материалы с высоким значением магнитной проницаемости.

В зоне  индуктивное сопротивление обмотки уже настолько уменьшается, что становится соизмеримым с активным сопротив­лением обмотки, которое и ограничивает нарастание тока. Следует также отметить, что при больших зазорах часть магнитного потока уже не замыкается через якорь, а замыкается непосредственно по воздуху.

На практике диапазон изменения воздушного зазора для индук­тивных датчиков по рис. 6.1, а не превышает 4—5 мм. Значительно больший диапазон изменения входного сигнала (перемещения) имеют индуктивные датчики по рис. 6.1, б. Такие датчики имеют близ­кую к линейной статическую характеристику при перемещениях якоря до 10—15 мм.

Величину начального воздушного зазора (т. е. исходное по­ложение якоря, при котором входной сигнал равен нулю) рекомен­дуется выбирать в середине линейного участка статической харак­теристики датчика. Оценим чувствительность индуктивного датчи­ка при включении его в одно плечо мостовой измерительной схемы в качестве переменного сопротивления. Питание моста осуществляется напряжением переменного тока. В этом случае чувствительность представляет собой относительное изменение со­противления, деленное на приращение величины воздушного за­зора:

                                                                             (6.14)

где—приращение величины воздушного зазора, вызывающее изменение полного сопротивления обмотки датчикана

Пренебрегая имеем. Возьмем  производную  полного сопротивления по перемещению при

                                                                                        (6.15)

Подставим в (6.15) значение индуктивности из (6.9), пренебре­гая:

                                              

или, переходя к конечным приращениям,

                                                                            (6.16)

Поделив (6.16) наполучим   выражение  для   чувствительности:

                         (6.17)

С увеличением зазора чувствительность датчика резко уменьшает­ся. А при выборе в качестве начальной точки малой величины за­зора можно получить большую чувствительность и значительный сигнал разбаланса мостовой схемы, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования усилителя на выходе моста. Напри­мер, при мм и мм   чувствительность и относительное изменение сопротивления т. е. при изменении зазора на 0,1 мм сопро­тивление датчика изменяется на.

Одним из недостатков одинарного индуктивного датчика явля­ется то, что на его якорь действует сила притяжения к сердечнику.

Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить. Индуктивный датчик представляет собой электромагнит, тяговая сила которого, как известно из электротехники, пропорцио­нальна производной магнитной энергиипо перемещению:

                                                                                             (6.18)

Знак минус означает, что сила направлена в сторону, соответствую­щую уменьшению магнитной энергии. Энергия магнитного поля ка­тушки с током

                                                                            (6.19)

Если сделать те же допущения, что и при выводе уравнения стати­ческой характеристики датчика (6.13), то для электромагнитной силы, воздействующей на якорь, можно записать уравнение

                                           (6.20)

Анализ уравнения (6.20) показывает, что в рабочем диапазоне входных перемещений при принятых допущениях электромагнит­ная сила притяжения не зависит от зазора. Эта сила пропор­циональна квадрату напряжения питания и обратно пропорцио­нальна частоте питания. Повышение частоты питания снижает силу притяжения, но ухудшает точность работы датчика, посколь­ку возрастают потери в стали из-за вихревых токов.

Кроме наличия электромагнитной силы притяжения индук­тивные датчики имеют также и другие серьезные недостатки: при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т. е. датчик не является реверсивным); диапазон измене­ния входного сигнала, при котором сохраняется линейность стати­ческой характеристики, невелик.

Указанные недостатки ограничивают область применения оди­нарных индуктивных датчиков. На практике они нашли примене­ние в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значи­тельные перестановочные усилия. В таких схемах автоматики наи­более полно проявляются достоинства одинарных индуктивных датчиков: простота конструкции и высокая надежность.

§ 6.3. Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены   дифференциальные  индуктивные датчики для получения реверсивной  статической  характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рис. 6.3, а), состоящего из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между сердечниками якоря 3, спо­собного перемещаться влево и вправо относительно среднего сим­метричного положения. Питание дифференциального датчика осу­ществляется от трансформатора с выводом от средней точки вто-

а)                                                         6)

Рис. 6.3. Дифференциальный индуктивный датчик

ричной обмотки. Сопротивление нагрузки R_B включается между этой средней точкой и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении нагрузки можно представить как алгебраиче­скую сумму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый кон­тур состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, оди­нарного индуктивного датчика и сопротивления нагрузки R_n, общего для обоих контуров. Рассмотрим направления контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке трансформа­тора индуцируется условно положительный полупериод напряже­ния: плюс — у левого зажима; минус — у правого. Полярность средней точки относительно левого зажима будет минусовая, а относительно правого — плюсовая. Принимая за положительное направление тока во внешней цепи от плюса к минусу, определяем, что ток левого контуранаправлен сверху вниз, а ток правого кон­тура— снизу вверх. Следовательно, эти токи вычитаются, а через нагрузку пойдет разностный ток. В следующий полупериод поляр­ность изменится на противоположную (на рис. 6.3 показана в скоб­ках). Соответственно изменится направление токов в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токови( их направле­ние показано пунктиром). Очевидно, что каждый  из этих контурных токов можно определить по формулам (6.11) или (6.13). При среднем (симметричном) положении якоря 3 индуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи I₁ и I₂ равны, раз­ность их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении на­грузки) равен нулю: I_u=I₁-I₂=0

При перемещении якоря вправо (примем его за положительный входной сигнал) индуктивность L2 возрастает, поскольку воздуш­ный зазор в одинарном индуктивном датчике 2 уменьшается, а ин­дуктивность L₁ убывает, поскольку зазор в датчике 1 увеличивает­ся. Следовательно, I₁>I₂ и появляется выходной сигнал в виде тока

нагрузки определенной полярности. При перемещении якоря влево (отрицательный входной сигнал) соответственно уменьшается L₂ и  увеличивается L₁, соотношение токов I₁  I₂ и полярность тока на­грузки изменяется. Поскольку речь идет о переменном синусоидаль­ном токе, это означает, что фаза тока изменяется на 180°. Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика (рис. 6.3, б) будет реверсивной, зависящей от знака входного сиг­нала. А дифференциальным датчик называется потому, что выход­ной сигнал формируется как разность сигналов двух одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом слу­чае, но направлены они в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие. Очень важ­ной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю выходного сигнала при нулевом входном сигнале. Напомним, что в одинарном датчике выходной сигнал (ток через обмотку) был не равен нулю даже при нулевом воздушном зазоре.

Для получения реверсивной статической характеристики исполь­зуют и мостовую схему включения индуктивных датчиков (рис. 72 6.4, а, б). Плечи моста образованы обмотками двух сердечников 1 и 2 с индуктивностями соответственно L1 и L2 и двумя постоянными резисторами с сопротивлением R. К одной диагонали моста подводится напряжение питания Uo переменного тока, со второй диагонали снимается выходное напряжение Uвых. Если якорь 3 занимает среднее положение, то индуктивности L1 и L2 одинаковы и мост сбалансирован. Выходное напряжение U_вых при этом равно нулю. При отклонении якоря от среднего положения баланс моста нарушается, так как индуктивность одной обмотки увеличивается, а другой — уменьшается. Изменение направления перемещения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т. е. характеристика мостовой схемы индуктивных датчиков является реверсивной (см. рис. 6.3, б).

Повысить чувствительность можно увеличением напряжения пита­ния и снижением величины начального воздушного зазора, т. е. сближением сердечников 1 и 2.

Питание индуктивных датчиков всегда- осуществляется пере­менным током, но с помощью выпрямительных схем выходной ток может быть и постоянным. Для того чтобы иметь реверсивную ха­рактеристику, используют фазочувствительный выпрямитель. Схе­ма реверсивного индуктивного датчика с выходным постоянным

током показана на рис. 6.5. Сер­дечники на схеме показаны Ш-об-разной формы. Такие сердечники используются чаще, чем П-образ-ные, показанные на предыдущих рисунках, хотя принцип действия одинаков для датчиков с сердеч­никами разной формы. Выходной сигнал датчика снимается с по­мощью измерительного трансфор­матора 1 и подается на одну диа­гональ выпрямительного моста 3. Опорное напряжение снимается с трансформатора 2 и подается на другую диагональ моста 3. На­грузка R_н включается между средними точками вторичных обмо­ток трансформаторов 1 и 2. При фазочувствительном выпрямлении изменение фазы сигнала на 180° приводит к изменению полярно­сти выпрямленного напряжения.

Следует отметить, что при неидентичности одинарных индук­тивных датчиков, используемых в дифференциальной или мосто­вой схемах, возникает остаточное напряжение даже в среднем по­ложении якоря. Это остаточное напряжение сдвинуто по фазе от­носительно напряжения питания, определяющего фазу полезного

сигнала. Следовательно, остаточное напряжение может быть раз­ложено на две составляющие. Одна составляющая, совпадающая по фазе с полезным сигналом, называется синфазной. Другая со­ставляющая, сдвинутая по фазе на 90° относительно полезного сигнала, называется квадратурной. Остаточное напряжение явля­ется напряжением погрешности, и поэтому желательно его ском­пенсировать. Синфазную составляющую остаточного напряжения можно скомпенсировать соответствующим перемещением якоря от среднего положения. Одновременно скомпенсировать и синфазное и квадратурное напряжения погрешности таким способом нельзя. Для подавления квадратурной составляющей могут быть исполь­зованы фазочувствительные выпрямители, обладающие свойством не пропускать сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно опорного напряжения.

Реверсивные индуктивные датчики с сердечниками Ш- и П-об-разной формы используются для измерения довольно малых пе­ремещений; они имеют начальный зазор порядка 0,3—1 мм.

Для измерения больших перемещений применяют индуктивные датчики в виде катушки с подвижным внутренним сердечником. Если сердечник полностью введен внутри катушки, на которую намотана обмотка, то ее индуктивное сопротивление максималь­но, а ток в обмотке имеет минимальное значение. При выводе сердечника из катушки индуктивное сопротивление уменьшается, а ток соответственно увеличивается. Индуктивные датчики в виде катушки с перемещающимся внутри нее сердечником получили название плунжерных датчиков. Их также называют индуктивны­ми датчиками с разомкнутым магнитопроводом, поскольку даже при максимальной индуктивности обмотки основной путь магнит­ного потока проходит по воздуху. С этой точки зрения рассмот­ренные выше датчики с обмоткой на неподвижном сердечнике и с перемещающимся якорем называют индуктивными датчиками с замкнутым магнитопроводом.

У плунжерных датчиков есть одна очень важная особенность: они позволяют получить информацию о перемещении из замкну­того, изолированного пространства. Пусть, например, надо изме­рить уровень какой-либо очень вредной жидкости, пары которой ядовиты, да еще находятся под большим давлением. Тогда ка­тушку / плунжерного датчика (рис. 6.6) надевают на раздели­тельную трубку 3 из нержавеющей немагнитной стали, внутри ко­торой и перемещается сердечник 2 из ферромагнитного материа­ла. Перемещение сердечника изменяет индуктивность катушки, а разделительная трубка не экранирует магнитное поле, поскольку материал трубки имеет очень малую магнитную проницаемость. Таким образом, обмотка датчика, все другие электрические эле­менты измерительной схемы размещены в обычных, нормальных условиях. В связи с этим про плунжерные датчики говорят, что они позволяют вывести    перемещение   из   замкнутого    объема.

В этом основное преимущество плунжерных датчиков перед дат­чиками с замкнутым магнитопроводом. А вот по чувствительности, мощности выходного сигнала плунжерные датчики уступают ин­дуктивным датчикам с замкнутым магнитопроводом.

С помощью плунжерных датчиков могут быть реализованы такие же дифференциальные и мостовые схемы, какие были рас­смотрены выше (см. рис. 6.3, 6.4).

Рассмотрим в качестве примера использование плунжерных датчиков в схеме индуктивного моста (рис. 6.7). Обмотка каж­дого из двух датчиков А и Б имеет вывод от средней точки. 06-

мотки датчиков соединены друг с другом проводами линии свя­зи. Напряжение питания приложено между средними точками об­моток. Каждая из половин обмоток образует плечо моста пере­менного тока. Датчик А установлен в передающем приборе, дат­чик Б — в приемном приборе. При перемещении сердечника дат­чика А изменяется индуктивное сопротивление каждой из половин его обмотки. Например, при перемещении сердечника вверх воз­растает индуктивность L_Ai и уменьшается индуктивность L_A2. Ба­ланс моста нарушается, и по проводам линии связи протекают токи разбаланса I₁ и I₂. Эти токи, протекая по обмотке датчика Б, вызывают электромагнитную силу, перемещающую сердечник датчика Б. Под действием этой силы сердечник датчика Б уста­навливается в такое же положение, что и сердечник датчика А. При этом, естественно, происходит соответствующее изменение индуктивностей L_б1 и L_б2. Условием баланса моста является, как известно, равенство произведений сопротивлений противолежа­щих плеч моста или соответствующих индуктивностей: L_A1L_B2=L_A2L_B2

Схема индуктивного моста позволяет осуществить дистанцион­ную передачу линейных перемещений. Однако усилие на прием­ной стороне весьма невелико. Например, выпускались приборы с катушками диаметром 65 мм, высотой 135 мм и массой 2,5 кг. При полном ходе в 30 мм обеспечивалось усилие в несколько сан-тиньютон на 1% полного хода сердечника. Такого усилия до­статочно лишь для перемещения стрелки в приемном при­боре.

Для получения значительно больших усилий схема индуктив­ного моста используется совместно с усилителем и электродвига­телем. Напряжение разбаланса моста    снимается с измери­тельной диагонали моста и подается на вход усилителя, который питает электродвигатель, перемещающий (через редуктор) сер­дечник датчика Б до тех пор, пока не наступит баланс моста, т. е. =0.

         Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при переме­щении якоря. Они относятся к электромагнитным датчикам гене­раторного типа. ; Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у рассмотренных в предыдущем параграфе индуктивных датчиков. От­личие заключается лишь в том, что до­бавляется еще обмотка, с которой и снимается выходной сигнал. Благода­ря этому в трансформаторных датчи­ках отсутствует непосредственная элек­трическая связь между цепью питания и измерительной цепью. Существует связь лишь за счет магнитного поля (трансформаторная связь), что позво­ляет выбором числа витков выходной обмотки получить любой уровень выходного напряжения.

На рис. 6.8 показан трансформаторный датчик с подвижным якорем. Обмотка возбуждения w₁ питается напряжением U₁, ко­торое создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Во вторичной обмотке w₂ индуцируется ЭДС E₂, значение кото­рой зависит от величины воздушного зазора б. Максимальная ЭДС Е₂ получается при =0, поскольку при этом магнитное со­противление замкнутого магнитопровода минимально и по нему проходит максимальный магнитный поток Ф. С увеличением ! уменьшаются магнитный поток и соответствующая ему ЭДС E₂.

Такой датчик используется для измерения малых линейных пе ремещений, но имеет серьезный недостаток: зависимость ЭДС Е₂ от перемещения якоря х нелинейна и не проходит через нуль.

На рис. 6.9, а показан трансформаторный датчик с поворот­ной обмоткой. Магнитопровод датчика не подвижен и состоит из ярма 1 и сердечника 2. Обмотка возбуждения w_t размещена на ярме 1, запитана переменным напряжением U_t и создает в зазоре между ярмом 1 и сердечником 2 переменный магнитный поток Ф, амплитудное значение которого неизменно. В зазоре с равномер­ным распределением индукции размещена поворотная рамка 3 с

  Рис. 6.9. Трансформаторный датчик угловых перемещений

вторичной обмоткой w₂, в которой индуцируется ЭДС Е₂, являю­щаяся выходным сигналом датчика. В зависимости от угла по­ворота а Е₂ изменяется от нуля (при =0 плоскость рамки раз­мещена вдоль направления магнитного потока) до максимально­го значения (при =90° плоскость рамки размещена поперек на­правления магнитного потока, весь магнитный поток сцеплен с витками вторичной обмотки w₂). При изменении знака угла по­ворота а фаза ЭДС Е₂ изменяется на 180°, т. е. датчик является реверсивным. В некотором диапазоне входного сигнала (угла по­ворота а) обеспечивается линейная зависимость E₂=f(). Стати­ческая характеристика трансформаторного датчика с поворотной обмоткой показана на рис. 6.9, б. Такие датчики получили рас­пространение для дистанционных передач показаний различных приборов под названием ферродинамических преобразователей. Недостатком ферродинамических преобразователей является за­висимость выходного сигнала от колебаний напряжения и часто­ты питания.

Если необходимо измерять большие угловые перемещения в одну сторону, то последовательно с вторичной обмоткой включа­ется дополнительная обмотка смещения w_см , размещенная на ярме 1. Потокосцепление ее неизменно; следовательно, в ней индуциру­ется ЭДС Е_см с постоянным амплитудным значением. При после довательном соединении обмоток w₂ и w_см ЭДС Е₂ и Е_см сумми­руются (с учетом фазы). Результирующая статическая характе­ристика датчика с обмоткой смещения показана на рис. 6.9, б.

Трансформаторные датчики с входным сигналом в виде угло­вого перемещения часто выполняют в виде электрических микро­машин, известных под названием «вращающиеся трансформато­ры» (ВТ). На статоре и роторе ВТ размещены по две взаимно перпендикулярные обмотки. Коэффициент взаимоиндукции ста-торных и роторных обмоток изменяется по синусоидальному зако-

                                                                     

Рис.    6.10.      Синусно-косинуеный вращающийся                 Рис.  6.11.     Линейный   вращаю­щийся трансформатор

                           трансформатор

ну в зависимости от угла поворота а. В зависимости от схемы соединения обмоток различают синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и линейные вращающиеся трансформа­торы (Л ВТ).

Схема соединения обмоток СКВТ показана на рис. 6.10. На­пряжение питания Ui подано на одну обмотку статора. С ротор­ных обмоток снимаются два выходных сигнала U₂ и U₃, изменяю­щиеся соответственно по закону синуса и косинуса в функции уг­ла поворота ротора. Если роторные обмотки подключить к каким-нибудь измерительным цепям, то по обмоткам пойдут токи на­грузки. Под влиянием токов нагрузки синусная и косинусная за­висимости искажаются. Для устранения таких искажений выпол­няются так называемые операции симметрирования ВТ, заклю­чающиеся в подборе соответствующих сопротивлений R₁ (первич­ное симметрирование) и R₂, R₃ {вторичное симметрирование).

Выходные напряжения вторичных напряжений СКВТ могут быть записаны в виде U₂=kU₁ sin a; U₃=kUi cos а. Коэффици­ент пропорциональности k зависит от соотношения витков w₂/w₁ = ==w₃/w₁ и при выполнении симметрирования не зависит от уг­ла поворота а (обычно w₂=w₃).

Схема соединения обмоток ЛВТ показана на рис. 6.11. Зави­симость выходного напряжения U₂ от угла поворота ротора имеет вид

Для малых углов а можно принять sin а cosl, и зави­симость £/г=/(а) принимает вид

т. е. выходное напряжение имеет линейную зависимость от угла а. Относительная приведенная погрешность ЛВТ при соответст­вующем выборе обмоточных данных в диапазоне углов а до 50° может не превышать 0,05%.

Для дистанционных передач угловых перемещений широко при­меняются также электромашинные элементы автоматики — сель-

сины. ини имеют однофазную об­
мотку на статоре и трехфазную
обмотку синхронизации на роторе
(возможно и обратное расположе­
ние обмоток). Сельсины могут ра­
ботать в индикаторном и транс­
форматорном режимах. На пере­
дающей стороне устанавливается
сельсин-датчик, а на приемной —
сельсин-приемник, который дол­
жен автоматически повторять
угол поворота сельсина-датчика.
В индикаторной схеме (рис.
6.12) обмотки возбуждения сель­
сина-датчика и сельсина-приемни­
ка подключаются к сети перемен-

ного тока, а обмотки синхронизации обоих сельсинов соединяются друг с другом проводами линий связи. ЭДС в каждой из фаз об­мотки синхронизаци изменяется пропорционально косинусу угла между осью обмотки возбуждения и осью этой фазы. ЭДС фаз син­хронизации датчика, ротор которого повернут на угол а, будут оп­ределяться уравнениями

ЭДС фаз синхронизации приемника, ротор которого повернут на угол р, будут определяться уравнениями

Под действием разности этих ЭДС по проводам линии связи меж­ду обмотками синхронизации пойдут токи

где z — сопротивление фаз приемника, датчика и линии связи. В сельсине-приемнике взаимодействие этих токов с магнитным потоком возбуждения вызывает появление вращающего момента

где k_u — постоянный коэффициент, определяемый обмоточными и конструктивными данными сельсина.

Под действием этого момента сельсин-приемник поворачива­ется в то же положение, что и датчик, поскольку только при  вращающий момент становится равным нулю. Вращающий момент воздействует и на вал сельсина-датчика, однако его угол поворота задан механизмом или чувствительным элементом, угло­вое перемещение которого подлежит контролю. Для сельсинной индикаторной схемы очень важной характеристикой является ве­личина удельного синхронизирующего момента, т. е. момента на 1° рассогласования. Для сельсинов, используемых в промышлен­ности, эта величина составляет (40-50) 10^-4 Нм.

Для повышения вращающего момента используется трансфор­маторная схема включения сельсинов. В этой схеме обмотка воз­буждения сельсина-приемника не подключается к сети, а с нее снимается напряжение, которое пропорционально синусу угла рас­согласования. Это напряжение подается на усилитель, который питает электродвигатель, приводящий через редуктор сельсин-при­емник в согласованное с сельсином-датчиком положение. Одновре­менно устанавливается в требуемое положение и нагрузка — тот производственный механизм, угловым перемещением которого тре­буется управлять на расстоянии. Такие автоматические устройст­ва называются следящими системами: приемник как бы «следитэ за датчиком.

Наряду с контактными сельсинами большое распространение получили бесконтактные сельсины. В контактных сельсинах под­ключение обмоток ротора во внешнюю цепь осуществляется с по­мощью контактных колец и щеток. В бесконтактных сельсинах обмотки возбуждения и синхронизации размещены на статоре, а изменение магнитной связи между ними по синусоидальному закону обеспечивается с помощью безобмоточного ротора с неоди­наковым магнитным сопротивлением по взаимно перпендикулярным осям. Надежность бесконтактных сельсинов существенно вы­ше, чем контактных.

Трансформаторные датчики, так же как и индуктивные, часто используют с дифференциальной схемой включения обмоток. Ес­ли в дифференциальном индуктивном датчике с подвижным яко­рем использовалось два одинарных индуктивных датчика (см. рис. 6.3), а следовательно, и два сердечника, то в дифференциальном трансформаторном датчике возможно использование общего сер­дечника.

На рис. 6.13, а показана схема дифференциально-трансформа­торного датчика с общим сердечником 1 и подвижным якорем 2, перемещающимися в горизонтальном направлении.

Сердечник Ш-образной формы набирается из тонких (толщи­ной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали. На сред­нем сердечнике размещена первичная обмотка w₁ на двух край­них— вторичные обмотки w₂, которые включены .встречно. Пер­вичная обмотка w₁ включается на напряжение переменного тока и создает магнитный поток Ф. Этот поток проходит через сред­ний стержень и разветвляется в правый и левый сердечники про­порционально магнитным проводимостям зазоров под этими стержнями.

Магнитная проводимость воздушного зазора пропорциональна площади зазора s и обратно пропорциональна его длине  При перемещении якоря в горизонтальном направлении (рис. 6.13) изменяется не длина зазора, а его площадь s. При симметричном расположении якоря относительно сердечника маг­нитная проводимость зазора под левым стержнем сердечника (О]) равна проводимости под правым стержнем (Ga). Следова­тельно, одинаковы и магнитные потоки в стержнях, и соответст­вующие им ЭДС во вторичных обмотках: E₁=E₂.                 

Выходной сигнал датчика формируется в виде разности этих ЭДС, которая в данном случае равна нулю. При смещении сердечника под одним стержнем площадь зазора и соответствующая магнитная проводи­мость возрастают, а под другим — уменьшаются. Например, при перемещении якоря влево G₁>G₂ и через левый стержень прохо­дит больший магнитный поток, чем через правый. Соответственно ЭДС вторичной обмотки на левом стержне становится больше ЭДС вторичной обмотки правого стержня: E^,₁>E₂. Выходной сиг­нал датчика U_Вых=Е₁-Е₂. При изменении направления смещения

якоря относительно среднего положения фаза выходного сигна­ла меняется на 180°. Статическая характеристика дифференци­ально-трансформаторного датчика показана па рис. 6.13, б.

Дифференциалыю-трансформаторпьш датчик плунжерного ти­па показан на рис. 6.14, а, б. На общем изоляционном каркасе размещены три катушечные обмотки: первичная w₁ и две вторич­ные w₂' и w2". Обе вторичные обмотки одинаковы, имеют одно и тоже число витков, намотаны проводом одного и того же диа­метра. Внутри катушек перемещается цилиндрический сердечник (плунжер) из ферромагнитного материала. Обмотка w включена на напряжение переменного тока. Выходное напряжение снимает­ся со встречно включенных обмоток w₂' и w₂". При нейтральном (среднем) положении сердечника наведенные во вторичных об­мотках ЭДС равны {Е₂'—Е₂") и выходное напряжение U= Е₂'-Е₂"=0  При смещении сердечника от среднего положения равенство ЭДС нарушается и появляется выходное напряжение. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает Е₂' и убывает Е₂". При перемещении сердечника вниз фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Статическая характеристика имеет та­кой же вид, как и для других конструкций дифференциально-трансформаторных датчиков (см. рис. 6.13, б). Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа может быть выпол­нен с разделительной трубкой (см, рис. 6.6), т. е. позволяет по­лучить выходной сигнал о перемещении из зоны, где могут быть высокая температура, высокое давление или вакуум, вредные па­ры или излучение и т. п.

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно использу­ется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты (до 10 кГц), что позволяет по­высить чувствительность и коэффициент преобразования.

                                            § 6.5. Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте — физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного ма­териала в зависимости от механических напряжений в нем. Маг­нитоупругие датчики используются для измерения силовых пара­метров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, ме­ханических напряжений и т. п.

конструктивно магнитоупругие датчики представляют магни-топровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопро­тивление сердечника , где l и 5 — длина и площадь се­чения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F, то магнитная проницаемость р изменится. Следователь­но, изменятся и магнитное сопротивление сердечника, и индуктив­ность обмотки на сердечнике. Как видим, есть аналогия с индук­тивными датчиками. В индуктивных датчиках также происходит изменение магнитного сопротивления, но за счет длины или сече­ния воздушного зазора. В магнитоупругих датчиках зазор не ну­жен, сердечники могут быть замкнутыми.

Так же как и индуктивные датчики, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных (рис. 6.15, а), транс­форматорных (рис. 6.15, б), дифференциально-трансформаторных (рис. 6.15, в).

Зависимость магнитной проницаемости от механических на­пряжений имеет нелинейный характер. Связано это как с нели­нейностью кривой намагничивания, так и с нелинейной зависимо­стью деформаций от усилия. Нелинейность магнитоупругого эф­фекта выражена очень сильно. Например, в слабых магнитных полях магнитная проницаемость под действием механических на­пряжений возрастает, а в сильных полях — уменьшается. Однако при определенных значениях напряженности магнитного поля Н

к линейной зависимость изменения маг­нитной проницаемости . сердечника от относительной деформации  или нор­мального механического напряжения  в зоне линейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пер-маллоевых (железокобальтовых и желе-зоникелевых) сплавах. На рис. 6.16 по­казана зависимость относительной маг­нитной проницаемости  от измене­ния механического напряжения . Отно­сительная деформация  в зоне упру­гих деформаций связана с механическим напряжением а через модуль упруго­сти Е:

она может достигать значений 200—300. Зависимость индуктивно­сти от механического напряжения в для магнитоупругого датчика по рис. 6.15, а показана на рис. 6.17.

В магнитоупругих датчиках, используемых в тензометрах, маг-нитопровод имеет отверстия, в которые наматываются обмотки. На рис. 6.18 показан магнитоупругий датчик с взаимно перпен­дикулярными обмотками. Первичная обмотка, проходящая через отверстия 1 и 2, при отсутствии механической нагрузки (F=0) создает магнитный поток Ф₀, не сцепленный с витками вторичной обмотки, проходящей через отверстия 3 и 4.

Под действием усилия F в основном изменяется магнитная про­ницаемость в направлении сжатия, что вызывает поворот вектора магнитной индукции на угол а и одновременно изменение магнит­ного потока Ф_F. Этот поток уже пересекает плоскость вторичной обмотки, на выходе которой появляется ЭДС Е₂.

Если до приложения усилия магнитный материал был изотро­пен (имел одинаковые магнитные свойства во всех направлениях), то при наличии усилия материал становится анизотропным. Угол поворота а вектора магнитной индукции достигает 10—12°.

К достоинствам магнитоупругих датчиков следует отнести вы­сокую чувствительность и возможность измерения больших уси­лий (до нескольких тысяч тонн). В то же время магнитоупругие датчики имеют и следующие серьезные недостатки: 1) наличие температурной погрешности, вызванной влиянием температуры ок-

ружающей среды на магнитные свойства сердечника; 2) наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механического, связанного с остаточной деформацией); 3) наличие погрешности, вызванной колебаниями напряжения пита­ния.

Следует отметить, что в магнитоупругих датчиках имеет место и еще одно физическое явление — магнитострикционный эффект. Его действие обратно магнитоупругому эффекту: ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, изменяет свои геометриче­ские размеры, т. е. в нем появляются механические деформации.

В переменном магнитном поле и деформации будут перемен­ными. А так как знак деформации не зависит от направления магнитного поля, то частота колебаний деформации будет в два раза выше частоты переменного тока. На этом принципе работа­ют, например, магиитострикционные излучатели ультразвуковых колебаний.

§ 6.6. Индукционные датчики

Индукционные датчики предназначены для преобразо­вания скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они от­носятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индук датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, кото­рая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, про­низывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.

Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от

сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукцион­ных датчиках создается двумя способами: постоянными магнита­ми или катушкой, обтекаемой постоянным током.

На рис. 6.19, а показана схема датчика с обмоткой ш₂, разме­щенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный по­ток Ф создается катушкой ш_ь включенной на постоянное напряже­ние . При перемещении катушки в магнитном поле в ней инду­цируется  ЭДС,  пропорциональная   скорости  перемещения:  Е =

где k — коэффициент пропорциональности,    зависящий

от числа витков w₂ и конструктивных параметров датчика.

На рис. 6.19, б показан датчик, в котором постоянный магнит­ный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками. ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения й:

В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.

Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструк­ции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магни­том (рис. 6.19, в). Надежность при этом повышается за счет отсут-вия скользящего контакта.

Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 6.19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с выреза­ми (рис. 6.19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. Пои

вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость ка­тушки.

В датчиках (рис. 6.19, б, в, г) в качестве выходного сигнала можно использовать частоту ЭДС. Принцип их дей­ствия по существу таrой же, как у синхронных генерато­ров. Для измерения частоты вращения используются и спе-

циальные электрические машины малой мощности — тахогенера-торы.

Тахогенератор постоянного тока (рис. 6.20, а) имеет обмотку возбуждения, создающую при питании постоянным током магнит­ный поток Ф. При вращении якоря в нем создается ЭДС, пропор­циональная частоте вращения n:E=kФn, где k — постоянная, определяемая конструкцией.

"5 - Фаунистические регионы суши" - тут тоже много полезного для Вас.

Напомним, что частота вращения п обычно выражается в об/мин и связана со скоростью вращения  выражением

С помощью коллектора и щеток выходной сигнал подается на нагрузку в виде выпрямленного напряжения.

Тахогенератор переменного тока (рис. 6.20, б) имеет на статоре две обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 90 эл. град. Одна обмотка включается в сеть переменного тока. При вращении ротора, выполненного в виде тонкостенного электропроводящего цилиндра, в другой обмотке наводится переменная ЭДС, которая пропорциональна частоте вращения п. Для повышения температур­ной стабильности в качестве материала полого ротора использует­ся константан.

Тахогенераторы обладают высокой чувствительностью и мощ­ностью выходного сигнала. Общим недостатком всех генераторных датчиков является зависимость выходного сигнала от сопротивле­ния нагрузки.