Что такое индуктивный датчик

9

Индуктивные датчики

Индуктивный датчик — это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления R_М магнитной цепи датчика , в которую входит сердечник.

Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1мкм до 20мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю. В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.

Возможные области применения датчиков чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:

промышленная техника измерения и регулирования,

Достоинства:

— простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;

— возможность подключения к источникам промышленной частоты;

— относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);

Недостатки:

— точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;

— возможна работа только на переменном токе.

Типы преобразователей и их конструктивные особенности

По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.

Переменная площадь зазора

В дифференциальном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.

Как известно, индуктивность катушки:

,

где W– число витков; Ф – пронизывающий ее магнитный поток; – проходящий по катушке ток. Ток связан с МДСсоотношением:

.

,

где – магнитное сопротивление преобразователя.

Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного зазора.

Состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами.

На обмотку 2 через сопротивление нагрузки R_н подается напряжение питания переменного тока.

Ток в цепи нагрузки определяется как :

где r_д — активное сопротивление дросселя ;

L — индуктивность датчика.

Т.к. активное сопротивление цепи величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей

которая зависит от величены воздушного зазора .

Т.о. , каждому значению  соответствует определенное значение I , создающего падение напряжения на сопротивлении R_н:

представляет собой выходной сигнал датчика.

Можно вывести аналитическую зависимость U_вых=f(, при условии что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа R_мж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного зазора R_мв.

Приведем конечное выражение:

В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:

Т.о. зависимость U_вых=f( имеет линейный характер (в первом приближении).

Реальная характеристика имеет вид:

Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением R_мж R_мв.

При малых  магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.

Отклонение при больших  объясняются тем, что при больших  R_L становится соизмеримой с величиной активного сопротивления — R_н+r_д.

В целом рассмотренный датчик имеет ряд существенных недостатков :

— не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;

— при необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I₀,что неудобно;

— ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;

— в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика.

Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)

ДИД представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для ДИД необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.

По форме магнитопровода могут быть ДИД с магнитопроводом Ш- образной формы, набранные из мостов электротехнической стали (при частотах выше 1000Гц применяются железо- никелевые сплавы- пермолой), и цилиндрические- со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш- образного магнитопровода обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.

Для питания ДИД используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке . Между ним и общим концом обеих катушек включается прибор 4. Воздушный зазор 0,2-0,5 мм.

При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры с обеих ? одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3 одинаковы следовательно величины токов в катушках равны I₁=I₂ и результирующий ток в приборе равен 0.

При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величены Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток I₁-I₂,он является функцией смещения якоря от среднего положения . Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.

Характеристика датчика имеет вид:

Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек(для схемы Рис.1). При изменении направления отклонения якоря от среднего положения меняется на противоположную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения.

Характеристика ДИД с ФЧВ имеет вид:

Погрешность преобразования индуктивного датчика

Информативная способность индуктивного датчика в значитель­ной мере определяется его погрешностью преобразования измеряе­мого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей. Можно выделить следующие погрешности индуктивного датчика:

1) Погрешность от нелинейности характеристики. Мультиплика­тивная составляющая общей погрешности. Из-за принципа индук­тивного преобразования измеряемой величины, лежащего в основе работы индуктивных датчиков, является существенной и в боль­шинстве случаев определяет диапазон измерения датчика. Обязательно подлежит оценке при разработке датчика.

2) Температурная погрешность. Случайная составляющая. Ввиду большого числа зависимых от температуры параметров составных частей датчика составляющая погрешность может достичь больших величин и является существенной. Подлежит оценке при разработке датчика.

3) Погрешность от влияния внешних электромагнитных полей. Случайная составляющая общей погрешности. Возникает из-за индуцирования ЭДС в обмотке датчика внешними полями и из-за изменения магнитных характеристик магнитопровода под действием внешних полей. В произ­водственных помещениях с силовыми электроустановками обнару­живаются магнитные поля с индукцией Тл и часто­той в основном 50 Гц. Поскольку магнитопроводы индуктивных датчиков работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то доля от внешних полей составит 0,05–0,005% даже в случае отсутствия экранирования. Введение экрана и применение дифференциального датчика снижают эту долю примерно на два порядка. Таким образом, погрешность от влияния внешних полей должна приниматься в рассмотрение только при проектировании датчиков малой чувствительности и с невозможностью достаточной экрани­ровки. В большинстве случаев эта составляющая погрешности не является существенной.

4) Погрешность от магнитоупругого эффекта. Возникает из-за нестабильности деформаций магнитопровода при сборке датчика (аддитивная составляющая) и из-за изменения деформаций в про­цессе эксплуатации датчика (случайная составляющая). Расчеты с учетом наличия зазоров в магнитопроводе показывают, что влияние неста­бильности механических напряжений в магнитопроводе вызывает нестабильность выходного сигнала датчика порядка , и в большинстве случаев эта составляющая может специально не учитываться.

5) Погрешность от тензометрического эффекта обмотки. Случай­ная составляющая. При намотке катушки датчика в проводе созда­ются механические напряжения. Изменение этих механических напряжений в процессе эксплуатации датчика ведет к изменению сопротивления катушки постоянному току и, следовательно, к из­менению выходного сигнала датчика. Обычно для правильно спроектированных датчиков , т. е. эту составляющую не следует специально учитывать.

6) Погрешность от соединительного кабеля. Возникает из-за нестабильности электрического сопротивления кабеля под действи­ем температуры или деформаций и из-за наводок ЭДС в кабеле под действием внешних полей. Является случайной составляющей погрешности. При нестабильности собственного сопротивления ка­беля погрешность выходного сигнала датчика . Длина соединительных кабелей составляет 1–3 м и редко больше. При выполнении кабеля из медного провода сечениемсопротивление кабеля менее 0,9 Ом, нестабильность сопротивления. Поскольку полное сопротивление датчика обычно больше 100 Ом, погрешность выходного сигнала датчика может составить величину. Следовательно, для датчиков, имеющих малое сопротивление в рабочем режиме, погрешность следует оце­нивать. В остальных случаях она не является существенной.

7) Конструктивные погрешности. Возникают под действием сле­дующих причин: влияние измерительного усилия на деформации деталей датчика (аддитивная), влияние перепада измерительного усилия на нестабильность деформаций (мультипликативная), влия­ние направляющих измерительного стержня на передачу измери­тельного импульса (мультипликативная), нестабильность передачи измерительного импульса вследствие зазоров и люфтов подвижных частей (случайная). Конструктивные погрешности в первую очередь определяются недостатками в конструкции механических элемен­тов датчика и не являются специфическими для индуктивных дат­чиков. Оценка этих погрешностей производится по известным спо­собам оценки погрешностей кинематических передач измерительных устройств.

8) Технологические погрешности. Возникают вследствие техно­логических отклонений взаимного положения деталей датчика (ад­дитивная), разброса параметров деталей и обмоток при изготов­лении (аддитивная), влияния технологических зазоров и натягов в соединении деталей и в направляющих (случайная).

Технологи­ческие погрешности изготовления механических элементов конструк­ции датчика также не являются специфическими для индуктивного датчика, их оценка производится обычными для механических измерительных устройств способами. Погрешности изготовления магнитопровода и катушек датчика ведут к разбросу параметров датчиков и к затруднениям, возни­кающим при обеспечении взаимозаменяемости последних.

9) Погрешность от старения датчика. Эта составляющая погреш­ности вызывается, во-первых, износом подвижных элементов кон­струкции датчика и, во-вторых, изменением во времени электро­магнитных характеристик магнитопровода датчика. Погрешность следует рассматривать как случайную. При оценке погрешности от износа во внимание принимается кинематический расчет механизма датчика в каждом конкретном случае. На стадии конструирования датчика в этом случае целе­сообразно задавать срок службы датчика в нормальных для него условиях эксплуатации, за время которого дополнительная погреш­ность от износа не превысит заданной величины.

Электромагнитные свойства материалов изменяются во времени.

В большинстве случаев выраженные про­цессы изменения электромагнитных характеристик заканчиваются в течение первых 200 часов после термообработки и размагничивания магнитопровода. В дальнейшем они остаются практически посто­янными и не играют существенной роли в общей погрешности дат­чика.

Проведенное выше рассмотрение составляющих погрешности индуктивного датчика дает возможность оценить их роль в форми­ровании общей погрешности датчика. В большинстве случаев опре­деляющими являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность преобразователя.

Расчет индуктивных датчиков перемещений

Целью расчета индуктивного измерительного преобразователя является определение его конструктивных параметров по заданным метрологическим характеристикам или расчет метрологических ха­рактеристик данной конструкции индуктивного измерительного пре­образователя.

Эти расчеты связаны с теорией электромагнитных це­пей. Основными метрологическими характеристиками индуктивного измерительного преобразователя являются:

1) диапазон измерения с допустимой погрешностью ;

2) чувствительность преобразования (относительная) ;

3) погрешность преобразования (относительная) .

В качестве конструктивных параметров индуктивного преобра­зователя, определяющих его метрологические характеристики, не­обходимо учитывать геометрические размеры магнитопровода и его материал, геометрические размеры и число витков катушки преоб­разователя.

С точки зрения расчета индуктивные измерительные преобразо­ватели можно разделить на три вида: преобразователи с переменной длиной немагнитных зазоров в магнитопроводе, преобразователи с переменной площадью немагнитных зазоров в магнитопроводе и соленоидные преобра­зователи.

Выходной величиной индуктивного измерительного преобразователя является его полное сопротивление, модуль которого определяется зависимостью , где– добротность преобразователя.

Индуктивность преобразователя в первую очередь зависит от конструктивных параметров преобразователя и электромагнитных характеристик его элементов (в рабочем диапазоне частот). Величиныисущественно зависят ещё и от режима работы преобразователя и, в частности, от частоты. В связи с этим модуль полного сопротивления преобразователябудет определенной величиной только для фиксированного режима работы преобразователя.

С другой стороны, характерной особенностью добротности является слабая зависимость этой величины (в рабочем диапазоне режимов преобразователя) от режима работы преобразователя и входной величины.

Приведенные рассуждения показывают целесообразность применения для характеристики индуктивного измерительного преобразователя двух достаточно стабильных величин и.

При этом с небольшой погрешностью результата в практических случаях можно принять и вместо зависимостирассматривать зависимость, приняв последнюю в качестве функции преобразования индуктивного измерительного преобразователя.

Применяемые методы расчета индуктивных преобразователей базируются на теории магнитных цепей с зазорами. Исходными являются следующие расчетные соотношения: магнитный поток в магнитопроводе , где– намагничивающая сила обмотки преобразователя,– магнитное комплексное сопротивление магнитопроводов и зазоров;

индуктивность преобразователя , где– число витков обмотки преобразователя.

Решение задачи сводится к определению магнитного сопротивления магнитной цепи. Последнее складывается из магнитного сопротивления ферромагнитных и немагнитных участков цепи , где,– полное активное магнитное сопротивление и полное реактивное магнитное сопротивление.

Для нахождения ипредлагаются следующие соотношения:

; ,

где ,– удельное активное и реактивное магнитные сопротивления,,– длина и площадь сечения однородных участков магнитопровода.

Удельное активное сопротивление учитывает магнитные свойства вещества магнитопровода и определяется из соотношения

.

Удельное реактивное магнитное сопротивление учитывает потери в магнитопроводе, в первую очередь от вихревых токов, в значительной мере определяется не только материалом магнитопровода, но и его конструкцией. При слабо выраженном поверхностном эффекте в магнитопроводе преобразователя допустимо при расчете принимать. С учетом сказанного при практических расчетах часто принимают

, где,– длина и площадь сечения немагнитных зазоров.

Схемы включения индуктивных датчиков

Схема включения индуктивного датчика перемещений осущест­вляет его согласование с электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электри­ческие вторичные измерительные преобразователи индуктивных из­мерительных устройств являются общими для самых разнообраз­ных электрических устройств, предназначенных для измерения раз­личных неэлектрических величин.

В любую схему включения индуктивный датчик размера мо­жет входить либо непосредственно, либо в составе резонансного контура параллельного или последовательного. Применение вклю­чения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев по­высить чувствительность измерения и улучшить линейность харак­теристики датчика. С этой точки зрения все схемы включения — ин­дуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в кото­рых индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резо­нансные, в которых индуктивный датчик входит в схему в составе колебательного контура.

Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения индуктивных датчиков:

последовательную (схема генератора тока);

схему делителя напряжения;

Применяемый тип схемы зависит от того, какой датчик при­меняется — индуктивный или взаимоиндуктивный. Кроме того, вид схемы одного и того же типа изменяется при включении простого и дифференциального датчика.

Последовательные схемы включения

арианты последователь­ных схем показаны на рисунке 4.8.1.1. Индуктивный датчикпитается переменным напряжением. Величина тока в датчике при по­стоянной величине питающего напряжения будет зависеть от его сопротивления: , где– круговая частота питания схемы,– добротность датчика,– сопротивление потерь датчика,– частота питающего датчик тока.

Чувствительность преобразования последовательной схемы

.

Изменение тока (выходной сигнал) при изменении полного со­противления датчика

,

где – коэффициент преобразования схемы включения.

Схема чувствительна к изменению напряжения питания и частоты питающего тока Используя простую последовательную схему включения индук­тивного датчика, нельзя получить высокую чувствительность и точ­ность измерений.

Последовательная схема может быть безрезонансной и резонансной (см. 4.8.1.1 в). В резонансной схеме ток в цепи будет определяться сопротивлением резонансного контура, состоящего из индуктивности датчика и конденсатора. При измененииэто сопротивление меняется, вызывая изменение тока.

Если частота питающего напряжения совпадает с собствен­ной частотой колебательного контура , то сопротивление последовательного колебательного контура мини­мально, а параллельного – максимально. При изменении индуктивности датчика равенство частот будет нарушено, и сопротивление

последовательного контура будет увеличиваться, а па­раллельного – уменьшаться. Соответствующим образом будет из­меняться и ток в цепи. Чувствительность резонансной последова­тельной схемы в несколько раз выше чувствительности безрезонанс­ной последовательной схемы.

Вариант последовательной схемы для включения дифференци­ального датчика показан на рисунке 4.8.1.2. Каждая половина датчикаипитается переменным током с напряжением. При из­менении измеряемого размера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается на одну и ту же величину. Соответствующим образом изменяются токи в цепях обмоток датчиков. Эти токи ивыпрямляются диодамиии во встречной полярности протекают через измеритель токаА. Измеритель тока будет показывать разницу токов в цепях обмоток и . При равенстве полных сопротивленийтоки в их цепях будут равны, и амперметрА покажет нуль. При измене­нии измеряемого размера равенство сопротивлений нарушится, и показания амперметра будут отличаться от нуля.

Направление тока через амперметр будет зависеть от того, в цепи какой катушки илиток в данный момент больше.

Такие схемы включения дифференциальных индуктивных дат­чиков, которые реагируют не только на величину смещения изме­рительного стержня из нулевого положения, но и на направление смещения, называют фазочувствительными.

Схемы делителей напряжения

При включении по схеме дели­теля напряжения датчик включается в цепь последова­тельно с некоторым постоянным сопротивлением , которое в об­щем виде может быть комплексным. Добавочным сопротивлением может служить, например, резистор, индуктивность или емкость (см. рис. 4.8.2.1). При питании цепи переменным напряжением, напряжение на дат­чике, измеряемое вольтметромV того или иного типа, будет зави­сеть от полного сопротивления датчика. Если соблюдается условие , то

,

откуда следует, что напряжение на датчике прямо пропорционально величине его индуктивности.

Чувствительность по напряжению схемы

.

Выходной сигнал схемы включения при изменении полного со­противления датчика

.

С другой стороны, выходное напряжение схемы делителя напря­жения зависит также от величины напряжения питания и час­тоты питающего тока. Нетрудно убедиться, что и ; следовательно, стабильность источника питания по часто­те и напряжению определяет погрешность преобразования измери­тельного сигнала схемой делителя напряжения.

Включение дифференциального датчика в схему делителя напря­жения показано на рисунке 4.8.2.2. Обмот­ки датчика иобразуют делитель напряжения, питаемый переменным током.

При изменении индуктивностей обмоток будет из­меняться их полное сопротивление и падение напряжения на обмотках. Это падение напряжения выпрям­ляется диодами и. Конден­саторы и служат для сгла­живания пульсаций выпрямленного напряжения, а резисторы ,,являются сопротивлениями на­грузки для выпрямителей.

Показывающий вольтметр V подключен к одноименным полюсам выпрямителей. В этом случае он будет пока­зывать разницу напряжений на обмотках датчика и. Когда индуктивности обмоток равны, равны и их полные сопротивления и падения напряжения на них. Вольтметр при этом покажет нуль. Ре­гулировка нулевых показаний вольтметра при настройке может осу­ществляться переменным резистором.

Мостовые схемы

Весьма широкое распространение для вклю­чения индуктивных датчиков нашла мостовая схема включения в различных вариантах (см. рис. 4.8.3.1). Общий вид мостовых схем включения недиф­ференциального индуктивного датчика показан на рисунке. Если соблюдается условие

где– фазовый угол соответствующего комплексного сопротив­ления, то выходное напряжениеравно нулю, и мост в этом слу­чае сбалансирован или уравновешен. Условие равновесия мостовой схемы формулируется следующим образом: «для равновесия мос­товой схемы необходимо, чтобы произведения модулей комплексных сопротивлений накрест лежащих плеч моста, а также суммы их углов фазовых сдвигов были равны между собой». При изменении индуктивности датчика условие равновесия мос­та нарушается, и выходное напряжение моста пропорционально из­менению индуктивности.

Плечи мостовой схемы в общем случае являются комплексными сопротивлениями и в конкретных схемах включения могут быть реа­лизованы включением резисторов, индуктивностей или емкостей. Пример реализации мостовой схемы приведен на рисунке 4.8.3.1 б). Одним плечом моста является индуктивность датчика , второе плечо – компенсационная индуктивность, третье и четвертое – образова­ны резисторами ,и. Для резисторов фазовый угол . Для индуктивностей. В связи с этим удается обеспечить усло­вие равновесия мостовой схемы. Балансировка мостовой схемы для определенного значенияпри настройке осуществляется резисто­ром или изменением компенсационной индуктивности .

Мостовые схемы с компенсационной индуктивностью не всегда удобны при практическом исполнении. В этом отношении проще схемы на резистивно-емкостных элементах (см. рис. 4.8.3.1 в). Конденса­тор введен в схему для того, чтобы можно было обеспечить ра­венство сумм фазовых углов накрест лежащих плеч моста. Регу­лировкой резистора устанавливается требуемый угол фазового сдвига плеча, составленного резисторами , , частично и конденсатором и накрест лежащего по отношению к плечу с . Регулировкой резистора добиваются выполнения условия равен­ства произведений модулей сопротивлений накрест лежащих плеч. Таким образом оба регулировочных элемента и одновремен­но используются для балансировки мостовой схемы.

Мостовая схема используется и для включения дифференци­альных датчиков. В схеме на рисунке 4.8.3.2 а) два плеча моста образованы индуктивностями обмоток дифференциального датчика, а два других резисторами ,и. Поскольку катушки датчика имеют одинаковую конструкцию и одинаковые параметры, то для них углы фазовых сдвигов близки, и второе условие равновесия мостовой схемы обеспечивается автоматически.

Для балансировки мостовой схемы при неравных значениях индуктивностей ив процессе настройки служит резистор, которым добиваются выполнения первого условия равновесия мостовой схемы.

Вмостовой схеме, приведенной на рисунке 4.8.3.2 б), плечами моста являются индуктивности датчика и, а также обмотки тран­сформатора и резистор . В этой схеме указатель подключен к измерительной диагонали моста через трансформатор . Такое включение позволяет наилучшим образом согласовать между со­бой выходное сопротивление мостовой схемы и сопротивление из­мерителя для получения наибольшей чувствительности.

Резистор служит для балансировки мостовой схемы при настройке.

На рисунке 4.8.3.2 в), в приведена схема, аналогичная показанной на рисунке 4.8.3.2 а), а, но в данном случае изменено назначение диагоналей моста.

Все рассмотренные мостовые схемы работают в режиме неурав­новешенного моста, при котором изменение индуктивности датчика размера ведет к пропорциональному изменению выходного напря­жения на измерительной диагонали моста.

Выходное напряжение мостовой неуравновешенной схемы

,

где – относительное изменение полного сопротивления одного плеча (обмотки датчика) мостовой схемы;– коэффициент пре­образования мостовой схемы (плечевой коэффициент).

Величина определяется соотношением углов фазовых сдви­гов комплексных сопротивлений смежных плеч.

Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.

Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

• магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
• катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
• объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
• зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
• генератор (5) — предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

• замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
• размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
• переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

• напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
• минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
• расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
• индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
• поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
• частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
• габаритные размеры и способ установки.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Рис. 7. Схема подключения двухпроводного датчика

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 8. Схема подключения трехпроводного датчика индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

Рис. 9. Схема подключения четырехпроводного датчика индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

Рис. 10. Схема подключения пятипроводного датчика индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

• высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
• может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
• способны обеспечивать значительную мощность на выходе — порядка нескольких десятков Ватт;
• характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Что такое индуктивный бесконтактный датчик, его устройство и принцип работы

Датчик в общем понимании – это устройство, преобразующее одну физическую величину в другую, удобную для обработки, передачи или последующего преобразования. Как правило, первая величина физическая, не поддающаяся непосредственному измерению (температура, скорость, перемещение и т.п.), а вторая – электрический или оптический сигнал. Свою нишу в области средств измерения занимают датчики, основным элементом которых служит катушка индуктивности.

Как устроен датчик индуктивности и принцип его работы

По принципу действия индуктивные датчики относятся к активным, то есть, для работы им требуется внешний генератор. Он обеспечивает подачу на катушку индуктивности сигнала с заданной частотой и амплитудой.

Ток, проходящий через витки катушки, создает магнитное поле. Если в магнитное поле попадает токопроводящий предмет, параметры катушки изменяются. Остается только зафиксировать это изменение.

Простые бесконтактные датчики реагируют на появление металлических объектов в ближней зоне обмотки. При этом изменяется импеданс катушки, это изменение надо преобразовать в электрический сигнал, усилить и (или) зафиксировать прохождение порога с помощью схемы сравнения.

Датчики другого типа реагируют на изменение продольного положения объекта, который служит сердечником катушки. При изменении положения объекта он вдвигается или выдвигается из катушки, тем самым изменяя её индуктивность. Это изменение можно преобразовать в электрический сигнал и измерить. Другой вариант исполнения такого датчика – когда объект надвигается на катушку снаружи. Это вызывает уменьшение индуктивности вследствие экранного эффекта.

Ещё один вариант исполнения индуктивного датчика перемещения – линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT). Он представляет собой составную катушку, выполненную в следующем порядке:

• вторичная обмотка 1;
• первичная обмотка;
• вторичная обмотка 2.

Сигнал с генератора подается на первичную обмотку. Магнитное поле, создаваемое средней катушкой, наводит ЭДС в каждой из вторичных (принцип трансформатора ). Сердечник при его перемещении изменяет взаимную связь между катушками, изменяя электродвижущую силу в каждой из обмоток. Это изменение можно зафиксировать схемой измерения. Так как длина сердечника меньше общей длины составной катушки, то по соотношению ЭДС во вторичных обмотках можно однозначно определить положение объекта.

На этом же принципе – изменение индуктивной связи между обмотками – построен датчик поворота. Он состоит из двух соосных катушек. Сигнал подаётся на одну из обмоток, ЭДС во второй зависит от взаимного угла поворота.

Из принципа действия очевидно, что индуктивные датчики, независимо от исполнения, относятся к бесконтактным. Они работают на расстоянии, и непосредственного касания контролируемого объекта не требуют.

Достоинства и недостатки индуктивных датчиков

К плюсам датчиков индуктивного типа в первую очередь относят:

• надежность конструкции;
• отсутствие контактных соединений;
• большую выходную мощность, что снижает влияние шумов и упрощает схему управления;
• высокая чувствительность;
• возможность работы от источников переменного напряжения промышленной частоты.

К основному недостатку датчиков индуктивного типа можно отнести их размеры, вес и сложность изготовления. Для намотки катушек с заданными параметрами требуется специальное оборудование. Также минусом считается необходимость точного поддержания амплитуды сигнала с задающего генератора. При её изменении меняется и область чувствительности. Так как датчики работают только на переменном токе, поддержание амплитуды становится определенной технической проблемой. Напрямую (или через понижающий трансформатор) в бытовую или производственную сеть включить датчик не получится – в ней колебания напряжения по амплитуде или частоте могут даже в нормальном режиме достигать 10%, что делает точность измерения неприемлемой.

Также на точность измерения могут влиять:

• сторонние магнитные поля (экранировка датчика невозможна исходя из принципа его действия);
• сторонние наводки ЭДС в питающих и измерительных кабелях;
• погрешности при изготовлении;
• погрешность характеристики датчика;
• люфты или деформации в месте установки датчика, не влияющие на общую работоспособность;
• зависимость точности от температуры (изменяются параметры намоточного провода, включая его сопротивление).

Неспособность датчиков индуктивности реагировать на появление в их магнитном поле диэлектрических предметов можно отнести как к достоинствам, так и к недостаткам. С одной стороны, это ограничивает область их применения. С другой – делает нечувствительными к наличию на контролируемых объектах грязи, жиров, песка и т.п.

Знание недостатков и возможных ограничений при работе индуктивных датчиков позволяют рационально использовать их достоинства.

Область применения индуктивных датчиков

Индуктивные бесконтактные датчики часто применяют в качестве концевых выключателей. Такие устройства получили распространение:

• в охранных системах, как датчики несанкционированного открытия окон и дверей;
• в системах телемеханики, как датчики конечного положения узлов и механизмов;
• в быту в схемах индикации закрытого положения дверей, створок;
• для подсчета предметов (например, движущихся по ленте транспортера);
• для определения частоты вращения зубчатых колес (каждый зубец, проходя мимо датчика, создает импульс);
• в прочих ситуациях.

Датчики углового положения могут применяться для определения углов поворота валов, шестерней и других вращающихся узлов, а также в качестве абсолютных энкодеров. Также такие устройства могут использоваться в станочном оборудовании и в робототехнических устройствах наряду с датчиками линейного положения. Там, где надо точно знать положение узлов механизмов.

Практические примеры реализации индуктивных датчиков

На практике конструкции индуктивных датчиков могут быть реализованы по-разному. Самое простое исполнение и включение у двухпроводного одинарного датчика, который контролирует наличие металлических предметов в своей зоне чувствительности. Такие устройства часто делаются на основе Ш-образного сердечника, но это непринципиальный момент. Подобное исполнение проще в производстве.

При изменении сопротивления катушки меняется ток в цепи и падение напряжения на нагрузке. Эти изменения можно зафиксировать. Проблема в том, что сопротивление нагрузки становится критичным. Если оно слишком большое, то изменения тока при появлении металлического предмета будут относительно небольшими. Это снижает чувствительность и помехоустойчивость системы. Если оно мало, то ток в цепи будет велик, потребуется более стойкий датчик.

Поэтому существуют конструкции, у которых схема измерения встроена в корпус датчика. Генератор формирует импульсы, которые питают катушку индуктивности. При достижении определенного уровня срабатывает триггер, перебрасываясь из состояния 0 в 1 или обратно. Буферный усилитель усиливает сигнал по мощности и (или) напряжению, зажигает (гасит) светодиод и выдает дискретный сигнал для внешней схемы.

Выходной сигнал может формироваться:

• посредством электромагнитного или твердотельного реле – уровень напряжения нуля или единицы;
• «сухой контакт» электромагнитного реле;
• открытым коллектором транзистора (структуры n-p-n или p-n-p).

В этом случае для подключения датчика потребуется три провода:

• питание;
• общий провод (0 вольт);
• сигнальный провод.

Такие датчики могут питаться и от постоянного напряжения. Импульсы на индуктивность у них формируются посредством внутреннего генератора.

Для контроля положения используются дифференциальные датчики. Если контролируемый объект находится симметрично относительно обеих катушек, ток через них одинаков. При смещении в сторону поля любой обмотки происходит разбаланс, суммарный ток перестает быть равным нулю, что может быть зафиксировано индикатором со стрелкой посередине шкалы. По индикатору можно определить как величину смещения, так и его направление. Вместо стрелочного прибора можно применить схему управления, которая при получении информации об изменении положения выдаст сигнал, примет меры по выравниванию объекта, внесет коррективы в технологический процесс и т.п.

Датчики, выполненные по принципу линейно-регулируемых дифференциальных трансформаторов, выпускаются в виде законченных конструкций, представляющих собой каркас с первичной и вторичными обмотками и штоком, перемещающимся внутри (он бывает подпружиненным). Наружу выведены провода для подачи сигнала с генератора и съёма ЭДС со вторичных обмоток. К штоку механическим путём может быть присоединен контролируемый объект. Он может быть изготовлен и из диэлектрика – для измерения имеет значение лишь положение штока.

Индуктивные датчики: виды и принцип работы

Индуктивные датчики предназначены для бесконтактного обнаружения и подсчета различных объектов, находящихся в зоне их чувствительности.

Назначение

Индуктивный датчик позволяет обнаруживать присутствие объекта без необходимости прикасаться к нему. В отличие от других датчиков, такие приборы могут обнаружить только металлы и нечувствительны к другим материалам, что повышает их защищенность от помех. Даже если в зону чувствительности датчика попадет посторонний предмет, ложное срабатывание будет исключено.

Типы индуктивных датчиков

По устройству датчики подразделяют на:

• одинарные — с одним магнитопроводом, ветвью измерения. Схема реализована в бесконтактных выключателях.
• трансформаторные — коэффициент трансформации изменяется при перемещении якоря, генерируя определенное напряжение на выходе вторичной обмотки. Принцип используется в элементах фиксации угловых, небольших линейных перемещений.
• дифференциальные — с двумя магнитопроводами ш-образной формы, взаимно компенсирующим воздействие на сердечник, что повышает чувствительность и точность измерений. По сути, представляют собой систему двух одинарных датчиков, с общим якорем.

По типу подключения: датчики могут иметь от двух до пяти выходов.

Принцип работы

Принцип действия индуктивных датчиков основан на изменении параметров магнитного поля катушки индуктивности, в зону которой попадает металлический объект. Схема колебаний внутри прибора генерирует электромагнитное поле. Так как на ней возникают индуцированные токи, колебания уменьшается, что мгновенно считывает датчик.

• Применим только к металлическим объектам.
• Довольно маленькое расстояние до объекта: до 80 мм.
• Относительно низкая цена.
• Долгий срок службы.
• Устойчивость к неблагоприятным условиям среды.
• Высокая скорость измерения.

Как выбрать индуктивный датчик?

Чтобы правильно выбрать индуктивный датчик, требуется определить необходимую скорость измеряемого процесса, надежность, допустимую стоимость. Также необходимо знать, каково будет расстояние между объектом и датчиком, а также форму объекта.

Сферы применения

Индуктивные датчики известны своей надежностью и безопасностью при работе в сложных условиях. Это делает их лучшим выбором для военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности. Также индуктивные датчики находят применение в станках, машинах для текстильной промышленности, автомобильной промышленности, на сборочных линиях и т.д. Они используются для обнаружения металлических деталей в трудных условиях и при необходимости контроля быстро движущихся деталей.