Первичные изм. преобразователи. Часть 2

применение в измерительной технике.

Рис. 4.2.1. Схема и характеристика индуктивного датчика: 1 — якорь;

2 — сердечник; 3 — обмотка.

На рис. 4.2.2 показаны схемы некоторых дифференциальных индуктивных датчиков с переменным воздушным зазором.

На рис. 4.2.2, а, б представлены наиболее распространенные схемы простых дифференциальных датчиков перемещения.

Схема, показанная на рис. 4.2.2, в служит для измерения малых угловых перемещений, а на рис. 4.2.2, г — для измерении малых перемещений вращающегося вала.

Рис. 4.2.2. Типы дифференциальных индуктивных датчиков

90

На рис. 4.2.2, д показана схема 2 дифференциального датчика перемещения цилиндрического типа. На рис. 4.2.2, е изображена схема дифференциального датчика с изменяющейся площадью зазора.

На рис. 4.2.3 изображено устройство дифференциального индуктивного вибродатчика с переменным воздушным зазором типа ВД-3.

Сейсмическая масса в виде тяжелого маятника 1, подвешенная на шарикоподшипниках 2 и удерживаемая в положении равновесия мягкими пружинами 4, несет на себе железные якори 5, которые при качаниях маятника перемещаются в просветах сердечников двух катушек 3. Сердечники набраны из тонкой трансформаторной стали. Вибродатчик имеет электромагнитный успокоитель, представляющий собой медную пластинку 7, укрепленную на маятнике 1 и перемещающуюся при колебаниях последнего в зазоре между полюсами магнита 6.

Собственная частота колебаний маятника составляет 6-7 Гц. Датчики выпускаются в двух вариантах: горизонтальные — для измерения горизонтальных вибраций и вертикальные — для измерения вертикальных вибраций.

На рис.4.2.4 показано устройство индуктивного датчика перегрузок и виброускорений типа ЭА-12. Сейсмическая масса в виде легкой жесткой рамки 4 подвешена консольно на четырех пластинчатых пружинах 5 и имеет только одну степень свободы перемещения — в направлении, перпендикулярном к основанию датчика. Перемещения ее в других направлениях практически исключаются благодаря большой жесткости системы.

91

Рис. 4.2.3. Устройство дифференциального индуктивного вибродатчика

ВД-3

Рис. 4.2.4. Устройство индуктивного датчика ускорения типа ЭА-12

Под действием перегрузок и виброускорений рамка развивает инерционные усилия, которые деформируют пружины, вследствие чего рамка перемещается пропорционально величине действующего ускорения. К рамке прикреплены якори 1, расположенные в воздушных зазорах, образованных сердечниками 2 двух пар катушек 3. Электромагнитным

92

успокоителем является сама рамка при ее колебаниях в поле сильного постоянного магнита 6.

На рис. 4.2.5 изображена схема дифференциального трансформаторного индуктивного датчика.

Трансформаторные датчики представляют собой устройства, в которых входное перемещение изменяет коэффициент индуктивной связи между двумя системами обмоток, одна из которых питается переменным током, другая является выходной.

Эффективное значение э. д. с., наводимой в выходной обмотке,

E =	1			ωФw = 4,44Фмw f в,	(4.2.4)
0		2

где Фм — амплитудное значение потока, пронизывающего вторичную обмотку, Вб;

w — число витков обмотки;

f — частота питающего тока, Гц.

Рис. 4.2.5. Дифференциальный

трансформаторный индуктивный датчик

93

Рис. 4.2.6. Индуктивный датчик трансформаторного типа: А – выводы

для включения лампового генератора; Б – выводы к усилителю

Действие трансформаторного датчика, представленного на рис.4.2.6., основано на перераспределении напряжений Ū1, и Ū2 в первичной цепи при перемещении якоря.

Входное напряжение в первичной цепи

U		= U1 + U2 .					(4.2.5)

Выходное напряжение во вторичной цепи

					δ − δ
U		≈ kU			2 1	,	(4.2.6)
		вых			δ1 + δ2

где δ1 и δ2 — величины воздушных зазоров между якорем и сердечниками;

k = w2 . w1

На рис. 4.2.6 показана схема индуктивного вибродатчика трансформаторного типа. Этот вибродатчик предназначен для исследования колебательных процессов средней и низкой частот. Принципиальная схема включения датчика с применением прибора, записывающего форму исследуемых колебаний, приведена на рис. 4.2.7 Если корпус 1 вибродатчика (рис 4.2.6) укрепить винтами к вибрирующему телу, то он вместе с железным

94

Рис. 4.2.7. Принципиальная схема включения индуктивного вибродатчика трансформаторного типа: 1 — ламповый генератор; 2 —

вибродатчик; 3 — усилитель; 4 — выпрямитель; 5 — регистрирующее устройство.

якорем 2 будет вибрировать одновременно с исследуемым объектом, а железные сердечники 4 будут неподвижны вследствие большой массы свинцовых колец 5, скрепленных с ними и подвешенных посредством винтовых пружин 3 к корпусу датчика. При нейтральном положении сердечников 4 по отношению к якорям 2 в цепи вторичных обмоток II ток равен нулю (обмотки включены навстречу друг другу); если же зазоры δ1 и δ2 будут изменяться так, что один из них увеличивается, а другой уменьшается, то во вторичной цепи появится ток, который приведет в действие самопишущий прибор 5 (рис. 4.2.7).

При вибрации корпуса 1 (рис. 4.2.6) и якорей 2 во вторичной обмотке II индуктируется серия модулированных волн напряжения средней частоты, огибающая кривая которых дает амплитуды вибраций.

Напряжение Ū1 полученное на зажимах Б, усиливается и через выпрямитель 4 (рис. 4.2.7) подводится к самопишущему прибору.

4.3. Датчики с подвижным сердечником

Для измерения больших перемещений, порядка нескольких сантиметров, применяют соленоидные датчики (рис. 4.3.1, а), состоящие из открытого

95

соленоида и подвижного якоря. При вхождении якоря внутрь катушки индуктивность последней изменяется приблизительно пропорционально введенной в катушку массе якоря, т. е.

L =	w2	(D − D )lμ ,		(4.3.1)
2			1
	lк

где w lk, D2 − D1 — число витков, длина и разность диаметров поперечного сечения катушки, см;

l — величина вхождения якоря, см;

µ — магнитная проницаемость материала якоря, Гн/м.

Рис. 4.3.1. Типы индуктивных датчиков с подвижным железным

сердечником

На рис. 4.3.1, б показан дифференциальный индуктивный датчик соленоидного типа. В таких датчиках входное перемещение якоря составляет до 50—60 мм.

На рис. 4.3.1, в приведена схема трансформаторного дифференциального датчика, состоящего из трех катушек; двух катушек А, питаемых переменным током, и катушки Б, к которой присоединяется измерительный прибор. При отсутствии вибрации якорь находится в нейтральном положении, и в цепи измерительной катушки тока нет.

96

При смещении якоря в любую сторону и нарушении симметрии в этой цепи появляется ток с частотой питающего напряжения. Если якорь является сейсмической массой, то при ее вибрации относительно катушек в цепи измерительной катушки возникают модулированные колебания, как и в схеме вибродатчика трансформаторного типа. В случае необходимости катушки А и Б можно поменять местами: питание можно подавать в катушку Б, а суммарное напряжение измерять на катушках А.

Для измерения больших перемещений применяется соленоидный датчик, состоящий из относительно короткой катушки и профильного якоря большой длины (рис. 4.3.1, г). В конструкциях этих датчиков можно путем изготовления якоря сложной формы получить линейную зависимость.

На рис. 4.3.1, д изображена схема индуктивного датчика с профилированным плоским кулачком, который играет роль якоря и может поворачиваться на угол α = 0÷360°. При этом возможно получение любого вида зависимости

L = f (a) .

На рис. 4.3.2 изображена другая (в конструктивном отношении) схема кругового индуктивного датчика. Этот датчик является бесконтактным устройством, изменение индуктивного сопротивления которого пропорционально углу поворота подвижной части.

Как видно из схемы этого датчика, магнитопровод имеет Н-образную форму с воздушным зазором между длинными и узкими полюсными наконечниками. Подвижной частью датчика является плоский железный сердечник 4, имеющий форму архимедовой спирали. Этот сердечник вращается в одном из воздушных зазоров между полюсными наконечниками магнитопровода.

97

Рис. 4.3.2. Схема кругового индуктивного датчика

Рис. 4.3.3. График зависимости выходного напряжения кругового

индуктивного датчика от угла поворота сердечника

При этом изменяется магнитная проводимость воздушного зазора, а следовательно, индуктивность катушки, расположенной на магнитопроводе. Такие датчики обеспечивают линейную связь между углом поворота сердечника и выходным сигналом.

Во втором воздушном зазоре размещается неподвижный железный сердечник 5, с помощью которого выравниваются начальные магнитные проводимости обеих магнитных систем. На магнитопроводах датчика расположены одинаковые обмотки 1 и 3, питаемые переменным током; на среднем сердечнике размещена обмотка 2.

98

На рис. 4.3.3 представлена зависимость между углом поворота сердечника и выходным напряжением датчика при оптимальном воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником, равном 0,3 мм. Угол сдвига фазы между выходным напряжением и напряжением питания датчика остается постоянным при любых углах поворота сердечника.

4.4.Магнитоупругие датчики

Воснову построения магнитоупругих датчиков положено свойство ферромагнитных тел изменять магнитную проницаемость под действием создаваемых в них механических напряжений. Обратное явление — изменение геометрических размеров ферромагнитных тел при их намагничивании — называется магнитострикцией. Максимальный магнитострикционный эффект наблюдается у никеля, укорочение которого достигает 0,04% длины образца. В качестве ферромагнитных материалов для магнитоупругих датчиков используются сплавы железа и никеля (пермаллой). Можно использовать также обычную мягкую сталь; при этом чувствительность меньше, чем у пермаллоя, но вполне достаточна для практических целей.

Магнитоупругие датчики предназначены для измерения малых перемещений и сравнительно больших усилий и давлений. За последние годы магнитоупругие датчики получили также широкое распространение и для измерения вибраций.

Чувствительным элементом в этих датчиках является сердечник из ферромагнитного сплава с катушкой. Магнитоупругий датчик представляет собой обмотку с замкнутым магнитопроводом, деформирующимся под влиянием входного параметра— перемещения или усилия. Полное магнитное сопротивление сердечника выражается формулой

Z	м	=	R2	+ Х 2 .	(4.4.1)
			ж	м

99