Краткая теория. 2.1. Индуктивные датчики ли­нейного перемещения с переменной величиной воздушного зазора

2.1. Индуктивные датчики ли­нейного перемещения
с переменной величиной воздушного зазора

Принцип работы индуктивных датчиков основан на изменении индуктивности катушки с магнитопроводом под воздействием раз­личных факторов. Они широко применяются при преобразовании линейных и угловых перемещений, при контроле изменения давле­ния, расходов жидкостей и газов и т. д. Индуктивность L катушки с магнитопроводом при наличии воздушного зазора δ равна:

где w – число витков катушки; R _м.ст = l _м/(μ S _м), R_d = 2δ/(μ₀ S _d) – магнитные сопротивления стального магнитопровода и воздушного зазора, Гн^-1; l _м – средняя длина стального магнитопровода, м; d – длина воздушного зазора, м; μ, μ₀ – магнитные проницаемости стального магнитопровода и воздуха, Гн/м; S _м, S _d– площади по­перечного сечения стального магнитопровода и воздушного зазо­ра, м².

Согласно данному выражению индуктивные датчики можно построить на ис­пользовании изменения величин, входящих в это выражение. Наи­большее применение находят индуктивные датчики с переменными величинами воздушного зазора, площадью зазора или магнитной проницаемостью (магнитоупругие датчики).

На рис. 5.1, а изображен простейший индуктивный датчик ли­нейного перемещения с переменной величиной воздушного зазора d, являющейся входной. Изменение воздушного зазора δ при пере­мещении якоря 1 относительно неподвижного магнитопровода 2 приводит к изменению индуктивности L катушки датчика 3. Магнитное сопротивление R _мцепи определяется сопротивлениями стального магнитопровода (сердечника и якоря) R _м.ст и двух воз­душных зазоров R _d,т. е. R _м = R _м.ст + R _d. Так как R _d>> R _м.ст, то индуктивность катушки

.

Рис. 5.1

Отсюда видно, что индуктивность катушки обратно пропорциональна величине воздушного зазора. Ток в цепи катушки (рис. 5.1, а)

,

где R _ки х _к = ω L – активное и индуктивное сопротивления катуш­ки; R _ни х _н– активное и индуктивное сопротивления нагрузки.

При этом напряжение на выходе датчика

Обычно х _к>> R _к. При активной нагрузке Z _н = R _н,и при условии, что сопротивление нагрузки мало по сравнению с сопротивлением катушки, вышеприведенное выражение можно представить в виде:

или U _вых =k d,

где .

Таким образом, при принятых допущениях статическая характеристика U _вых=φ(δ) индуктивного датчика будет линейной (прямая 1, рис. 5.1, б).Реальная же характеристика будет иметь нелинейные участки при малых и больших зазорах d (кривая 2,рис. 5.1, б). При малых δ сказывается сопротивление R _м.ст,а при боль­ших d возрастают потоки рассеяния, которые не учитываются в вышеприведенном выражении.

Индуктивные датчики с переменной величиной воздушного за­зора применяют для измерений перемещений в диапазоне 0,1¸1 мм. При больших величинах статическая характеристика датчика ста­новится нелинейной. Поэтому при перемещениях до 5¸8 мм ис­пользуют индуктивные датчики с переменной площадью (рис 5.1, в),а при еще больших перемещениях (до 50 мм) – индуктив­ные датчики плунжерного типа (рис. 5.1, г).Для питания индук­тивных преобразователей применяется переменный ток как про­мышленной (50 Гц), так и повышенной частоты (400, 500, 1000 Гц), что позволяет уменьшить габариты датчиков.

К недостаткам простейших индуктивных датчиков относятся наличие тока I _х.х и, следовательно, напряжения U _ост на выходе при d = 0 (рис. 5.1, б),а также низкая чувствительность при малых перемещениях. Кроме того, эти датчики являются однотактными и поэтому не реагируют на изменение знака входной величины.

Отмеченные недостатки отсутствуют у двухтактных (реверсив­ных) индуктивных датчиков, обычно включаемых по дифференци­альной или мостовой схемам.