Первичные изм. преобразователи. Часть 2

Рис. 4.6.6. Устройство индукционного датчика вращательного движения (униполярной машины): 1 — щетки; 2 — ротор; 3 —

катушки возбуждения

В качестве контактных устройств использованы медно-графитовые щетки.

Данная униполярная машина пригодна в основном для измерения больших угловых скоростей в силу малой ее чувствительности.

Чувствительность коллекторного генератора гораздо выше чувствительности униполярной машины; поэтому он может быть использован для измерения меньших угловых скоростей.

Угловые ускорения могут быть измерены дифференцированием напряжения, развиваемого генератором постоянного тока с независимым возбуждением, с включенным в его цепь сопротивлением R,индуктивностью L и емкостью С (рис. 4.6.7). Для такого контура можно написать следующее дифференциальное уравнение:

E = L	di	+ R +			1	∫	idt ,	(4.6.11)
	dt		i		C
где Е — ЭДСгенератора;
L, R, C, i — соответственно индуктивность, сопротивление, емкость и ток.
Если задаваться различными значениями для R, L и С, то можно
получить различные схемы,			в которых					ЭДС генератора Е будет
				130

приближенно пропорциональна измеряемому угловому ускорению.

Рис. 4.6.7. Схема индукционного датчика генераторного типа для

измерения угловых ускорений

Так, например, можно взять L = 0 и малое R. Тогда, дифференцируя при этих условиях уравнение (4.6.11), получим

dE = R di + 1 i . dt dt C

Учитывая, что ЭДС генератора пропорциональна угловой скорости Q его ротора, т. е.

E = кΩ,

где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции генератора, будем иметь

	dΩ	=	Rdi	+		i
						кC
	dt		кdt
и после решения получим
	dΩ	=			i				.	(4.6.12)
							t
	dt					−
			кC 1		− e RC

Данное решение дает хороший результат лишь при медленных изменениях измеряемого ускорения.

В формуле (4.6.12) угловое ускорение dΩ выражено через ток и dt

− t

постоянные измерительные схемы. Член e RC соответствует погрешности,

131

вызванной отставанием по времени за счет активного сопротивления измерительной схемы. При R — 0 этот член пропадает, и решение приводит к упрощенному выражению

dΩ	=	i	.	(4.6.13)
dt		кC

Рассмотренная схема требует наличия конденсатора большой емкости.

4.7. Магнитные измерительные преобразователи перемещений

Преобразователи этого типа основаны на принципе изменения магнитного сопротивления между двумя или более магнитными катушками, возбуждаемыми переменным током, в зависимости от перемещения тела. Последнее обстоятельство вызывает изменение выходного напряжения преобразователя. Преобразующий элемент выполняется таким образом, чтобы его можно было использовать в различных типах приборов, в которых осуществляется преобразование измеряемой физической величины в перемещение. Таким образом определяется измеряемая величина.

У дифференциального трансформатора с линейно изменяющимся выходным сигналом три катушки намотаны вдоль одной и той же оси, центральная катушка является первичной. При возбуждении первичной катушки переменным током, когда сердечник движется внутрь катушек, изменяется связь между первичной и вторичными катушками. В результате на выходе вторичных обмоток изменяются значение и фаза напряжения.

На рис. 4.7.1, а показаны напряжение и фаза на выходе дифференциального трансформатора. Напряжение равно нулю, когда сердечник находится в центральном или нулевом положении. Выходная характеристика прибора является фактически нелинейной, но обычно считается линейной в центральной области перемещения сердечника (имеет нелинейность менее 1 % ) . С помощью дифференциального трансформатора можно измерять перемещения от нескольких миллиметров до метра.

132

Аналогичным образом работает и дифференциальный трансформатор с угловым изменением выходного напряжения. Он позволяет измерять углы

вдиапазоне ±40°.

Ксожалению, дифференциальные трансформаторы основываются на получении выходного напряжения переменного тока и соответствующей фазы этого напряжения. Поэтому они применяются, как правило, вместе с фазочувствительными детекторами (см. рис. 4.7.1,б), у которых на выходе получается напряжение постоянного тока: положительное, когда сердечник находится по одну сторону от нулевого положения, и отрицательное, когда он перемещается в другую сторону. Выходное напряжение равно нулю, если сердечник находится в центральном положении.

Некоторые дифференциальные трансформаторы используются совместно с внутренними генераторами, детекторами, фильтрами и усилителями, которые позволяют применять преобразователи с возбуждающим напряжением постоянного тока. На выходе у них получается выпрямленное напряжение постоянного тока. Такие приборы позволяют пользователям применять их с обычными преобразователями.

У сельсина одиночная первичная обмотка ротора поворачивается вместе с перемещением измеряемого объекта. Три статорные вторичные обмотки, расположенные друг к другу под углом 120°, формируют выходную обмотку. Переменный ток возбуждает ротор (этот ток называют опорной частотой) и индицирует выходной сигнал на трех вторичных обмотках.

Соотношение между выходами соответствует положению ротора. Обычно сельсинные системы для измерения перемещений имеют в своем

составе два идентичных узла: передающий сельсин (так называемый сельсин-датчик) и сельсин-приемник (сельсин-трансформатор или трансформатор для питания цепей управления). Оба сельсина соединяются по схеме, показанной на рис. 4.7.1, в, так, чтобы перемещение ротора сельсина-датчика вызвало поворот ротора сельсина-приемника на один и

133

тот же угол [1].

Поэтому сельсин-приемник может быть использован как база для индикаторных приборов — положение его ротора отображает угловое перемещение объекта измерений. Кроме того, он применяется для выполнения некоторой механической работы. В этом случае сельсин приемник называется сельсином крутящего момента. В измерительных системах для выработки управляющих сигналов сельсин-датчик больше известен под названием управляющего сельсина.

Принцип действия сельсинов используется также и в индуктосинах— преобразователях для измерения линейных перемещений, в которых плоский статор вторичной обмотки, содержащий образец проводника в форме линейной «шкалы», сканируется с помощью двух головок (первичных обмоток).

Вращающийся синусно-косинусный преобразователь (рис. 4.7.1, г) представляет собой сельсин, но только с двумя статорными (на этот раз первичными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 90°) и двумя роторными обмотками (в этом случае вторичными, которые также сдвинуты на 90° относительно друг друга). Когда этот прибор применяется только как преобразователь перемещения, чтобы выдавать измерительный сигнал в систему, одна из обмоток ротора закорачивается.

134

Рис. 4.7.1. Магнитные измерительные преобразователи перемещений:

а— дифференциальный трансформатор с линейно изменяющимся выходом (ДТ); б — использование фазочувствительного детектора (ФД) вместе с дифференциальным трансформатором; в

— сельсин; г — вращающийся синусно-косинусный преобразователь

4.8. Эффект Холла

Когда проводник с протекающим по нему током помещается в магнитное поле так, что направление тока оказывается перпендикулярным магнитным

135

силовым линиям, то образуется поперечное электрическое поле, пропорциональное произведению плотности магнитного потока и силе электрического тока. Этот эффект возникает в проводниках, однако наиболее существенен он в полупроводниках, где известен под названием эффекта Холла [10].

Рис.4.8.1. Иллюстрация эффекта Холла, при котором возникающее

электрическое поле перпендикулярно прикладываемому к полупроводнику магнитному полю

На рис. 4.8.1 показана полупроводниковая пластина, к которой приложено магнитное поле с индукцией В, перпендикулярное протекающему через нее току I, и возникающее при этом электрическое поле с напряженностью Е. Отношение между магнитной индукцией, током и напряженностью определяется следующим образом:

E = −RH (IB) ,

(4.8.1)

где −RH = 1 — коэффициент Холла; п — число зарядов, протекающих через ne

единицу объема и образующих электрический ток в проводнике или полупроводнике; е — заряд носителя зарядов.

Эффект Холла используется во многих типах преобразователей, предназначенных для измерения магнитного поля, а также в бесконтактных переключающих приборах.

Эффект Холла лежит в основе одной из самых распространенных

136

технологий бесконтактной регистрации положения, перемещения, скорости вращения и присутствия ферромагнитных объектов. Эта технология

опирается на свойство полупроводниковой структуры генерировать разность потенциалов при воздействии внешнего магнитного поля. Номенклатура датчиков положения на эффекте Холла, например компании Honeywell, насчитывает более двухсот видов.

Датчики классифицируются по области применения на автомобильные, индустриальные и общего применения и, в зависимости от назначения, различаются по конструктивным, электрическим характеристикам и рабочему диапазону температур [10]. Однако, несмотря на различия, все приборы имеют схожее функционально законченное ядро. Это элемент Холла и схема обработки сигнала.

Условно все приборы можно разделить на две большие группы: датчики с линейным выходом и датчики с логическим выходом. Датчики с линейным выходом обычно применяются для определения небольших перемещений, построения более сложных датчиков и работы в составе датчиков тока с гальванической развязкой. Линейные датчики магнитного поля на эффекте Холла состоят из полупроводникового элемента Холла, стабилизатора питания, дифференциального усилителя и выходного каскада (см. рис. 4.8.2). В зависимости от модели датчика, выходной каскад представляет собой усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с открытым коллектором (PNP) или двухтактной схеме (PNP + NPN). Выходное напряжение этих датчиков находится в линейной зависимости от величины магнитного поля (см. рис. 4.8.3), которое в рабочей области может быть как положительным (южный полюс магнита), так и отрицательным (северный полюс магнита).

137

Рис. 4.8.2. Функциональная схема датчиков

магнитного поля с линейным выходом

Рис. 4.8.3. Типовая характеристика преобразования датчиков

магнитного поля с линейным выходом

За пределами рабочей области датчик входит в насыщение. В отсутствии внешнего магнитного поля напряжение на выходе равно половине напряжения питания. Размах выходного напряжения и чувствительность датчиков находятся также в линейной зависимости от напряжения источника питания (пропорциональный выход), которое лежит в диапазоне 4,5…16 В.

138

Датчики характеризуются высокой нагрузочной способностью, линейной характеристикой преобразования в рабочем диапазоне магнитных полей, широким диапазоном рабочих температур и питающих напряжений, долговременной стабильностью параметров и малым током потребления. Некоторые модели имеют схему защиты от переполюсовки по линии питания. На рисунке 4.8.4 приведены несколько примеров применения линейных датчиков на эффекте Холла. Датчики с логическим выходом обычно применяются для определения наличия какого-либо ферромагнитного объекта в поле «обзора датчика». В отличие от линейных датчиков магнитного поля выход этих приборов, в зависимости от величины приложенного магнитного поля, принимает всего два состояния: высокий и низкий уровень. Выходной сигнал конвертируется из линейного с помощью триггера Шмидта (см. рис. 4.8.5). Благодаря гистерезисной характеристике триггера повышается помехоустойчивость датчика, устраняются ложные срабатывания. В выходной характеристике датчика принципиально важны лишь две точки: точка включения (operate point, индукция действующего магнитного поля, при котором выход переходит во включенное состояние) и точка выключения (наоборот). Для повышения нагрузочной способности по выходу в схему датчика добавляется каскад усиления на биполярном n-p-n- транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Большинство датчиков имеют встроенный стабилизатор питания для элемента Холла, поэтому приборы не критичны к стабильности источника питания и уверенно работают в широком диапазоне питающих напряжений 3,8…30 В. Универсальный выход с открытым коллектором обеспечивает датчику высокую гибкость на этапе согласования с нагрузкой. Нагрузкой датчиков могут являться входы логических ИМС и микроконтроллеров, а также различные драйверы силовых коммутационных приборов. Характеристики преобразования цифровых датчиков магнитного поля с логическим выходом определяются, как уже говорилось ранее, точкой включения и точкой выключения и дифференциалом. Поскольку характеристики подвержены

139