МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Измерительные преобразователи перемещений (преимущественно линейных), принцип действия которых связан с изменением характеристик магнитного поля преобразователя иногда называют магнитомеханическими датчиками. К этой группе датчиков можно отнести индуктивные, взаимоиндукционные (трансформаторные), магнитоупругие, магнитост- рикционные и магниторезистивные датчики перемещений и усилий, поскольку их в той или иной мере связывают одинаковые физические принципы.

Так, в трансформаторных датчиках, использующих, казалось бы, совершенно иной, по сравнению с индуктивным датчиком, принцип действия, учитывается изменение индуктивности первичной катушки; магнитоупругие датчики преобразуют измеряемое усилие в изменение магнитной проницаемости материала и далее - в изменение индуктивности (индуктивный вариант реализации) или ЭДС вторичной катушки (трансформаторный вариант) и т.д. Поэтому в дальнейшем изложении эти взаимосвязи анализируются более подробно.

Индуктивные датчики

Теоретические основы работы

Принцип работы индуктивных (лат. inductio - возбуждение, наведение) датчиков перемещения основан на изменении индуктивности L катушки с магнитопроводом под действием измеряемого параметра (линейного или углового перемещения подвижного элемента датчика).

Схема простейшего индуктивного датчика с односторонним зазором приведена на рис. 6.1, а, с двусторонним - на рис. 6.1, б. Датчик состоит из магнитопровода, включающего в себя подвижный якорь и сердечник, на котором размещается катушка, питаемая переменным током.

Индуктивный датчик с односторонним (я) и двусторонним (б) зазором

Рис. 6.1. Индуктивный датчик с односторонним (я) и двусторонним (б) зазором

Индуктивность L катушки со стальным магнитопроводом при наличии одностороннего воздушного зазора Д/ определяется известным соотношением

где п - число витков катушки; RM - общее магнитное сопротивление; в свою очередь, RM = 7?^ + R3, где RCT и R3 - магнитные сопротивления магни- топровода и зазора.

При увеличении зазора А/ увеличивается магнитное сопротивление RM и уменьшается индуктивность L катушки, что приводит к уменьшению ее индуктивного сопротивления Хиил (где Хшд = оyL со - угловая частота питающего напряжения) и увеличению тока в цепи катушки. В результате этого на сопротивлении нагрузки RH возникает падение напряжения ?/„, зависящее в конечном итоге от величины зазора А/.

Зазор А/ определяется измеряемым перемещением, поэтому зависимости тока нагрузки и напряжения нагрузки от перемещения представляют собой статические характеристики индуктивного датчика.

Магнитное сопротивление RCJ стального сердечника может быть определено по формуле

а зазора - по формуле

где /м - длина средней линии магнитопровода; р и р0 - магнитная проницаемость стали и воздуха соответственно (р = р0-р,-, где р,. - относительная магнитная проницаемость стали; ц0 = 1,26-10"6 Гн/м; S - площадь поперечного сечения магнитопровода.

Отметим, что для стали р » р0, поскольку значение р, может составлять величину от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч);

Из электротехники известно, что переменный ток /н в цепи определяется законом Ома

где U - напряжение питания (амплитуда); R и XL - активная и реактивная составляющие полного сопротивления цепи.

В нашем случае

где RK и Ru - активные сопротивления катушки и нагрузки;

со = 2 л/ _ угловая частота напряжения питания;/- частота в Гц.

Учитывая, что UH = IHRH, можно получить

Итак, измерив падение напряжения UH на резисторе RH, можно при определенных условиях найти значение параметра Д/. Например, при увеличении зазора А/ индуктивный датчик осуществляет ряд преобразований в следующем порядке (размещенная справа от величины стрелка, направленная вверх, указывает на увеличение параметра, вниз - уменьшение):

Таким образом, механически связав якорь датчика с исследуемой деталью (объектом), можно определять ее перемещение по величине напряжения нагрузки UH.

В зависимости от соотношения активной и реактивной составляющих полного сопротивления, а следовательно, и различных значений А/ формула может принимать более простой вид для разных участков характеристики. Рассмотрим некоторые типичные случаи.

А. Значение А/ - 0. При этом реактивная составляющая будет определяться величиной /м/ц, т.к. А/ / р0 = 0. Поскольку величина ц обычно весьма велика по сравнению с р0, то реактивная составляющая значительно больше активной, и поэтому последней можно пренебречь. При этом UH будет иметь очень малое (хотя и не нулевое) значение UH0, называемое остаточным напряжением:

Отметим, что в практических измерениях этой величиной пренебрегают, считая её равной нулю.

Б. Значение Д/ очень велико (А/—кю). При этом реактивная составляющая стремится к нулю, и формула для U„ приобретает вид

В. Значение А/ находится примерно в середине диапазона измерения. Обычно рабочие параметры датчика выбирают такими, чтобы выполнялось соотношение

поэтому, пренебрегая суммой RK + /?„, основную формулу (6.4) можно привести к виду

График функции 1!н =/(Д/) приведен на рис. 6.2.

Характеристика индуктивного датчика

Рис. 6.2. Характеристика индуктивного датчика

Датчик с переменной площадью магнитопровода

Рис. 6.3. Датчик с переменной площадью магнитопровода

Плунжерный датчик

Рис. 6.4. Плунжерный датчик

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >