Электромагнитные датчики
Термины и определения
Датчик – первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.
(БСЭ. 3-е изд. Т7. С 559. - М.: Издательство «Советская энциклопедия», 1972. 608с, ил.)
Датчик – это самостоятельное конструктивно автономное средство измерений, размещаемое в месте отбора информации, исполняющее функцию первичного преобразователя измеряемой величины в электрическую или электромагнитную величину, состоящее из минимально необходимого числа звеньев преобразования измеряемой величины, обладающее однозначной функцией преобразования и требуемыми для данных целей измерений взаимосогласованными (непротиворечивыми) метрологическими и надежностными характеристиками.
(Википедия)
Датчик – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем (по ГОСТ 16263).
Преобразователь физической величины (ПФВ). Устройство, предназначенное для восприятия и преобразования контролируемой физической величины в выходной сигнал.
Примечание – ПФВ имеет точностные характеристики и не относится к средствам измерения.
(ГОСТ Р 51086 – 97
Датчики и преобразователи физических величин электронные.
Термины и определения
Издание официальное
Госстандарт России
М.: ИПК Издательство стандартов. 1997)
Датчик – это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической величины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения.
Для построения датчиков используется значительное (более 500) количество физических эффектов (принципов).
(Датчики: Справочное пособие/ Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. – 624с.)
Sensus (лат) – ощущение, чувство, способность воспринимать «раздражение», является, по-видимому, одним из наиболее универсальных свойств систем живой и неживой природы, проявляющееся в способности реагировать на внешнее воздействие.
Датчик, сенсор (от англ. sensor).
Классификация датчиков
Системы классификации датчиков могут быть очень разными: от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации.
Все датчики по виду выходной величины и необходимости внешнего источника энергии можно разделить на две категории:
· пассивные (параметрические);
· активные (генераторные).
В генераторных датчиках внешний источник энергии не нужен. Например, в пьезоэлектрическом датчике под действием измеряемого усилия на электродах пьезоэлемента возникает электрический заряд (или электрическое напряжение).
В параметрических датчиках под действием измеряемой физической величины меняется какой-либо из параметров (например, электрическое сопротивление в тензорезисторах). Для получения выходного электрического сигнала требуется источник энергии (тока или напряжения).
Таким образом, датчики могут иметь (или не иметь) вспомогательный источник энергии.
По физическому принципу действия датчики (преобразователи) могут быть:
· физическими (электрические, магнитные, тепловые, оптические, акустические и т. п.);
· химическими;
· комбинированными (физико-химические, электрохимические, биоэлектрические и т.п.).
Электромагнитные датчики
Назначение. Типы электромагнитных датчиков
Электромагнитные датчики предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал за счет изменения параметров электромагнитной цепи. Эти изменения могут заключаться, например, в увеличении или уменьшении магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика при перемещении сердечника. Если перемещается не сердечник, а обмотка, то происходит изменение потокосцепления обмотки.
Таким образом, изменения в электромагнитной цепи датчика могут быть вызваны:
· перемещением элемента магнитной цепи (сердечника или якоря);
· перемещением элемента электрической цепи (обмотки).
В результате таких перемещений изменяется индуктивность обмотки L или ее взаимоиндуктивность М с обмоткой возбуждения. Поэтому в технической литературе электромагнитные датчики часто называют индуктивными.
Электромагнитные датчики обычно рассматривают как параметрические, поскольку величины L и М зависят от перемещения х: L = ƒ(x), М = ƒ(х). Но электромагнитные датчики с изменяющейся взаимоиндуктивностью можно отнести и к генераторному типу, поскольку в результате изменяется и ЭДС обмотки, т.е. Е = ƒ(х).
Изменение индуктивности и взаимоиндуктивности может происходить и под влиянием механических напряжений в сердечнике электромагнитного датчика. Такие напряжения приводят к изменению магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника. Электромагнитные датчики, основанные на таком физическом явлении, называются магнитоупругими датчиками.
Так как ЭДС в выходной обмотке появляется за счет изменения коэффициента взаимоиндукции с обмоткой возбуждения, то такие электромагнитные датчики называют трансформаторными. Ведь обмотку возбуждения можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а выходную обмотку – как вторичную.
К генераторным датчикам относятся и индукционные датчики, в обмотках которых генерируется ЭДС в зависимости от скорости перемещения: Е = ƒ(dx/dt).
С помощью электромагнитных датчиков можно автоматически измерять:
· механические силы;
· давление;
· температуру;
· свойства магнитных материалов;
· определять внутренние полости и трещины в деталях (дефектоскопия);
· толщину немагнитных покрытий на стали;
· расход жидкостей и газов в трубопроводах и др.
Достоинства электромагнитных датчиков:
· простота и дешевизна;
· механическая прочность;
· высокая надежность за счет возможности съема выходного сигнала без скользящих контактов;
· возможность питания от промышленной сети частотой 50 Гц;
· возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала;
· возможность работы как в диапазоне малых (доли мм), так и больших (метры) перемещений.
Недостатки электромагнитных датчиков:
· влияние на выходной сигнал внешних электромагнитных полей и частоты питающего напряжения;
· возможность работы только на переменном токе (питание постоянным током возможно лишь для индукционных датчиков, рассматриваемых ниже).
3.2 Принцип действия и основы расчета индуктивных датчиков
Простейший индуктивный датчик представляет собой дроссель с переменным воздушным зазором в магнитопроводе. На рисунке 1 показаны две наиболее распространенные конструктивные схемы индуктивных датчиков на одном сердечнике. Это одинарные индуктивные датчики.
Рисунок 1
На сердечнике 1 из электротехнической стали размещена обмотка 2, подключаемая к источнику переменного напряжения. Магнитный поток в сердечнике замыкается через якорь 3, который может перемещаться относительно сердечника 2. Якорь 3 механически связан с деталью, перемещение которой необходимо измерить. Эта деталь на рисунке не показана, но перемещение х ее может происходить в вертикальном направлении (рисунок 1, а) или в горизонтальном направлении (рисунок 1, б).
Перемещение якоря изменяет магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника, якоря и воздушного зазора δ. Следовательно, изменится индуктивность обмотки 2. поскольку эта обмотка включена на переменное напряжение, ток в обмотке 2 будет определяться ее полным сопротивлением, в которое входит и индуктивное сопротивление. С увеличением воздушного зазора магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивность, индуктивное и полное сопротивления уменьшаются (рисунок 2, а).
Рисунок 2
Следовательно, ток в обмотке увеличивается (рисунок 2, б). Полагая ток I в обмотке за выходной сигнал, а перемещение х - за входной сигнал, имеем выходную статическую характеристику в виде графика I = ƒ(х).
Найдем выражение, определяющее зависимость тока в обмотке датчика от перемещения. Анализ проведем применительно к конструктивной схеме, показанной на рисунке 1, а. В этом случае приращение перемещения х всегда равно приращению зазора δ, поэтому нам необходимо получить математическую зависимость тока I от зазора δ: I = ƒ(δ).
Одинарные индуктивные датчики имеют ряд существенных недостатков:
· на его якорь действует сила притяжения к сердечнику. Эта сила вносит погрешность в работу датчика тем большую, чем меньше перестановочное усилие детали, перемещение которой надо измерить;
· при изменении знака входного сигнала не меняется знак выходного сигнала (т.е. датчик не является реверсивным);
· диапазон изменения входного сигнала, при котором сохраняется линейность статической характеристики, невелик.
Применение:
· в качестве бесконтактных датчиков положения и концевых выключателей при управлении механизмами, имеющими значительные перестановочные усилия.