4.8.1. Индуктивные пип

Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки

Принцип действия индуктивных ПИП основан на изменении собственной индуктивности катушки при изменении взаимного расположения ферромагнитных элементов преобразователя под действием входной неэлектрической величины.

В общем случае индуктивный преобразователь состоит из катушки индуктивности, магнитопровода и подвижного ферромагнитного сердечника (якоря). Входная величина Х изменяет взаимное расположение катушки и якоря или отдельных частей магнитопровода. При этом изменяется индуктивность катушки и ее полное сопротивление.

На рис. 4.34 представлены различные варианты конструктивного исполнения индуктивных ИП: с переменной длиной воздушного зазора (рис. 4.34а); с переменной площадью воздушного зазора (рис. 4.34б); соленоидальный (рис. 4.34в); с распределенными параметрами (рис. 4.34г).

В преобразователях с переменной длиной или площадью воздушного зазора (рис. 4.34а, б) входная величина вызывает перемещение Х якоря 2. В результате этого изменяется магнитное сопротивление системы, что приводит к изменению индуктивности катушки 1, размещенной на магнитопроводе 3.

Соленоидальные индуктивные ИП представляют собой преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (рис. 4.34в) и работают на принципе изменения магнитного сопротивления участков рассеяния магнитного потока при перемещении якоря 2. ПИП данного типа допускают весьма большие перемещения до единиц метров.

В преобразователях с распределенными параметрами (рис. 4.34в) изменение магнитного сопротивления происходит вследствие размагничивающего действия вторичных токов. В таких индуктивных ИП вместо ферромагнитного якоря перемещается короткозамкнутый виток 2 (рис. 4.34г). При этом в витке индуцируются токи, которые создают потери, что приводит к появлению дополнительного реактивного сопротивления магнитной цепи. Вместо витка в зазор магнитопровода можно вводить электропроводный элемент (например, диск из меди или алюминия), в котором наводятся вторичные токи.

а б в г

Рис. 4.34

Наиболее распространенными являются преобразователи с переменной длиной воздушного зазора. Рассмотрим их работу.

Входная неэлектрическая величина Х изменяет взаимное расположение катушки 1, намотанной на магнитопровод 3, и подвижного якоря 2. При этом изменяется длина воздушного зазора  и магнитное сопротивление системы, что приводит к изменению индуктивности катушки 1, которая определяется по формуле

L = n²/R_М, (4.87)

где n – число витков катушки; R_М – магнитное сопротивление преобразователя.

Пренебрегая рассеянием магнитного поля и нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопровода и якоря, получим выражение для магнитного сопротивления в виде

, (4.88)

где R_ст – магнитное сопротивление участков магнитопровода и ферромагнитного сердечника; R_З – магнитное сопротивление воздушных зазоров; l_ст – длина средней силовой линии по магнитопроводу и якорю; А_ст – площадь поперечного сечения магнитопровода и якоря (магнитопровод и якорь имеют одинаковую площадь поперечного сечения); _r – магнитная проницаемость материала магнитопровода и якоря; ₀ – магнитная постоянная;  – длина воздушного зазора; А_з – площадь поперечного сечения воздушного зазора.

Выполнив условие А_ст = А_з=А и переходя к сопротивлению катушки индуктивности, пренебрегая активным сопротивлением катушки, из уравнения (4.86) получим:

; . (4.89)

Учитывая, что 2 >> l_ст/_r (так как _r велико), получим

; . (4.90)

К достоинствам индуктивных датчиков можно отнести: 1) большой диапазон измеряемых линейных и угловых перемещений; 2) большую мощность выходного сигнала (до единиц ватт), что позволяет обойтись без дополнительного усиления; 3) высокую чувствительность; 4) надежность; 5) возможность питания от сети (для многих случаев).

Недостатками индуктивных датчиков являются: 1) большая инерционность; 2) наличие электромагнитных сил притяжения.

Основные характеристики и области применения индуктивных ПИП

Из (4.89) видно, что функция преобразования индуктивного преобразователя с изменяющимся зазором нелинейная. Зависимость сопротивления Z от длины воздушного зазора  близка к гиперболической. В подобных ИП при начальном зазоре ₀ практически линейный участок составляет (0,1–0,15) ₀ . А относительное изменение сопротивления Z/Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления якоря в 2–5 раз меньше относительного изменения зазора /₀ [15].

Данные преобразователи характеризуются высокой чувствительностью, но сравнительно малым диапазоном измерения. Они используются при малых перемещениях от единиц микрометров до единиц миллиметров (до 10 мм). Погрешность индуктивных датчиков достигает 0,1 % .

Выходной величиной индуктивного преобразователя может быть изменение индуктивности ИП или изменение его сопротивления. Из уравнений (4.89) можно определить чувствительность S_L и S_Z преобразователя к изменению длины воздушного зазора.

Индуктивные датчики с изменяющейся площадью воздушного зазора обладают линейной функцией преобразования и применяются при измерении перемещений от 5 до 20 мм.

Преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (соленоидальные ИП) имеют худшие характеристики, по сравнению с преобразователями с изменяющимися  и А. Это обусловлено следующими причинами: 1) магнитный поток в основном замыкается через воздух, вследствие этого их чувствительность ниже; 2) в связи с большим рассеянием магнитного потока эти датчики подвержены сильному влиянию внешних магнитных полей; 3) катушка имеет большую собственную распределенную емкость, что на повышенных частотах может привести к резонансу.

Функция преобразования нелинейная. Подобные преобразователи применяются для измерения больших линейных перемещений (до единиц метров).

Преобразователи с распределенными параметрами используются для измерения больших линейных перемещений. Индуктивные ПИП с электропроводным диском используются для измерения угловых перемещений до 180–360^О. Изменяя профиль диска, можно получить любой вид зависимости индуктивности от угла поворота диска.

Кроме измерения линейных и угловых перемещений индуктивные преобразователи используются для измерения размеров, толщины ферромагнитных изделий, толщины немагнитных покрытий на ферромагнитном материале, сил и крутящих моментов, ускорений и параметров вибраций.

Погрешности индуктивных ПИП

Среди погрешностей индуктивных датчиков можно выделить следующие: 1) температурную погрешность, обусловленную температурным изменением активного сопротивления катушки, магнитной проницаемости материала магнитопровода, якоря и размеров магнитной цепи; 2) погрешность, обусловленную действием силы притяжения якоря; 3) погрешность линейности функции преобразования. При работе индуктивных преобразователей в мостовых схемах возникает погрешность, обусловленная нестабильностью напряжения и частоты питания моста, а также изменением формы кривой питающего напряжения.

Для улучшения свойств индуктивных ИП используются дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинарных преобразователей, имеющих общий подвижный элемент. На рис. 4.35 показаны конструкции дифференциальных ИП с изменяющейся длиной воздушного зазора (рис. 4.35а), с изменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 4.35б), с разомкнутой магнитной цепью (рис. 4.35в).

а б в

Рис. 4.35

В дифференциальных преобразователях при перемещении подвижного якоря под действием входной величины индуктивность одной катушки, например L₁, возрастает, а второй L₂ уменьшается. При включении в измерительную цепь выходной сигнал пропорционален разности выходных сигналов каждого преобразователя. Дифференциальные преобразователи позволяют существенно уменьшить погрешности, повысить чувствительность и увеличить линейный участок характеристики. Линейный участок  составляет (0,3–0,4)_о.

На практике индуктивные измерительные преобразователи обычно выполняются дифференциальными.

Измерительные цепи индуктивных ПИП

Основными измерительными цепями индуктивных ИП являются мостовые цепи (рис. 4.36а, б, в). Иногда индуктивный преобразователь включается в делитель напряжения (рис. 4.36г) или колебательный L–C контур генератора. Наиболее распространенной является мостовая измерительная цепь, работающая в неравновесном режиме, при этом ток в нагрузке сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Уравновешивание моста в начальном положении производится по двум составляющим.

а б в г

Рис. 4.36