9.2.4. Индуктивные чувствительные элементы

Принцип действия индуктивных чувствительных элементов датчиков основан на изменении тока в обмотке индуктивной катушки или трансформатора в зависимости от магнитного сопротивления сердечника.

На рис.9.7. приведен индуктивный чувствительный элемент, состоящий из обмотки катушки 1, намотанной на неподвижный сердечник 2, продолжением которого является подвижный сердечник 3.

Между неподвижным и подвижным сердечниками имеется зазор δ, который зависит от положения подвижного сердечника 3, связанного с объектом, для которого необходимо измерить перемещение Х. На обмотку катушки подается переменное синусоидальное напряжение U₁ c частотой f. В сердечнике с магнитным сопротивлением R_м циркулирует магнитный поток Ф.

Рисунок 9.7 – Индуктивный чувствительный элемент: 1- обмотка катушки; 2- неподвижный сердечник; 3- подвижный сердечник; U1- входное переменное напряжение; U2-выходной сигнал; Z- сопротивление нагрузки.

В цепи обмотки протекает ток, величина которого зависти от зазора δ:

I = δ Ф (2πf / μ_оS) = k δ Ф,

где: k =2πf / μ_оS- постоянная датчика; μ_о- магнитная постоянная; S- площадь сечения сердечника.

Выходной сигнал равен

U₂ = ZI = k δ Ф.

Т.к. магнитный поток также зависит от зазора δ, то зависимость тока от зазора является нелинейной, особенно в начале и в конце зависимости I=f(δ).

Для повышения чувствительности применяют дифференциальное включение двух обмоток в мост. Широко используется трансформаторная схема включения, когда одна из обмоток питается внешним напряжением, а во второй наводится напряжение в зависимости от магнитного сопротивления, т.е. зазора между сердечниками. Индуктивные датчики широко применяются для измерения малых перемещений и вибраций 0,1—0,5 мкм.

9.2.5. Индукционные чувствительные элементы

Индукционные преобразователи подразделяются на два типа: с катушкой, имеющей ферро­магнитную деталь, перемещающуюся относительно неподвижной катушки (рис.9.8а) и перемещающуюся (вращающуюся) относительно постоян­ного магнита (рис. 9.8б).

Индукционный датчик с катушкой 1, намотанной на сердечник 2, и перемещающейся ферромагнитной деталью 3 изображен на рис.9.8а. Ферромагнитная деталь 3 механически связана с перемещающейся деталью 4 (вращающимся со скоростью ω валом). В этом случае катушка 1 периодически пронизывается переменным магнитным потоком Ф, в результате чего в ней возникнет электродвижущая сила:

e(t)=-Ψ dФ/dt,

где Ψ- коэффициент потокосцепления индукционного датчика; t- время.

При вращении вала 4 на выходе катушки возникают импульсы напряжения. Период возникновения импульсов точно соответствует частоте вращения вала f= ω /2π:

T=1/f=2π/ ω.

Частота появления импульсов f равна частоте вращения вала. Для подсчета этой частоты применяют счетчики импульсов.

Рисунок 9.8 – Индукционные чувствительные элементы: а - с перемещающейся ферромагнитной деталью; б - тахогенератор.

К индукционным устройствам относятся тахогенераторы (рис.12.8б), которые представляют собой миниатюрные генерато­ры с возбуждением от постоянных магнитов или дополнительных обмоток возбуждения.

Магнитное поле создается постоянными магнитами N-S. Якорь 2 тахогенератора содержит катушку 3, вращающуюся от вала 3 со скоростью ω. Выходное напряжение снимается со щеток 1.

Для большинства индукционных преобразователей статическая характеристика является линей­ной (погрешности составляют 0,5 ... 1,5%) - выходное напряжение пропорционально скорости вращения вала.