Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Датчики перемещения - файл 1.doc


Датчики перемещения
скачать (659 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc659kb.23.11.2011 01:54скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Контрольная работа по дисциплине:

«Датчики АС»
Тема: «Датчики перемещения»

Харьков 2008

  1. Общее понятие датчика.

- Принцип действия и классификация.

- Основные виды.

  1. Методы и устройства для определения перемещения.

  2. Емкостные преобразователи

  3. Индуктивные преобразователи

  4. Датчик перемещения с изменяющейся индуктивностью.

- Эксплутационные требования

- Структурная схема

- Принцип действия

6. LVDT-датчики перемещения




Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Зрение......Глаза

Слух........Уши

Вкус........Язык

Обоняние....Нос

Осязание....Кожа

Однако, для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.

Принцип действия и классификация

Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. В табл. 1 приведен сравнительно скромный перечень.

При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах.

Основные виды

Температурные датчики. С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина.

Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных.

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы сопротивления, которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков данного типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), С положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резисторы.

Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов.

Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

Оптические датчики. Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. По принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.

^ Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект, - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/л (где h - постоянная Планка, с - скорость света, л - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

^ Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект, - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости, - ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).

^ Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах p-n-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри p-n-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения.

Пироэлектрические эффекты - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики.

Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра.

Основные преимущества перед датчиками других типов

1.Возможность бесконтактного обнаружения.
2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми раз мерами.
3.Высокая скорость отклика.
4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые),
обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.
5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д.


Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе).

^ Датчики давления. В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение. Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов.

^ Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полупроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других - уменьшается. Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которую входят эти резисторы.

^ Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы.
Датчики влажности и газовые анализаторы
Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы.

^ Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т.д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности, или устройства, работающие по принципу каталитического горения.

При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.

^ Магнитные датчики. Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.

В современном производстве все большую роль играют технические измерения, поскольку они являются единственным способом получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Развитие науки и техники всегда было связано с прогрессом в области измерений. Ведь именно измерения позволили точно устанавливать в физике, механике других науках зависимости, выражающие объективные законы природы. Особенностью электрических приборов для измерения неэлектрических величин является обязательное наличие измерительного преобразователя (ИП) неэлектрической величины в электрическую.

Многообразие измеряемых физических величин влечет за собой разработку и создание ИП различных типов, основанных на самых различных методах измерения. Наибольшую сложность при разработке измерительного преобразователя представляет оптимизация его конструкции. Зачастую применяемые для расчета теоретические выводы не учитывают метрологическую сущность ИП и не устанавливают в очевидной форме связь его конструктивных и метрологических характеристик. В связи с этим в разработке многих устройств превалирует экспериментальный подход при выборе конструктивных и схемных решений, который базируется на опыте разработчика и данных экспериментальных исследований. Таким образом, задачей разработчика является такой выбор конструктивных и основных параметров измерительного преобразователя, который бы обеспечил наилучшие метрологические характеристики разрабатываемого устройства.

Следует отметить, что в настоящее время широкое распространение получили индуктивные преобразователи различных неэлектрических величин, в частности, перемещения. Во многих практически важных случаях необходимо осуществлять допусковый контроль размеров изделий, т.е. не самих размеров, а их отклонений от номинальных параметров. Определенный интерес представляет рассмотрение возможности допускового контроля поперечных размеров диэлектрических и проводящих изделий разных форм при использовании линейного участка характеристики индуктивного ИП.

Применение неразрушающих методов контроля продукции, особенно автоматизированных систем контроля, совместно с передовой технологией производства приводят к колоссальной экономии средств и повышению технического потенциала народного хозяйства.

Под датчиком подразумевается устройство, обеспечивающее функциональное преобразование изменения некоторой величины (любого вида) в изменение другой величины, удобное для усиления и передачи на расстояние. В частности, измерительный преобразователь неэлектрической величины устанавливает функциональную однозначную зависимость выходной электрической величины (ЭДС, сопротивления и т.д.) от входной измеряемой неэлектрической величины (перемещения, температуры и т.д.). Зависимость выходной величины измерительного преобразователя y от входной х выражается уравнением преобразования - y = f(x), которое обычно приходится находить экспериментально, т.е. прибегая к градуировке преобразователей

Значительное место среди датчиков занимают первичные преобразователи перемещений, т.е. устройства, выходной величиной которых являются: перемещения, усиления, давление и другие физические величины, которые могут быть преобразованы в перемещения, а выходной величиной является электрический сигнал.

^ Для удобства рассмотрения измерительные преобразователи классифицируются по принципу их действия, т.е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую.
Рассмотрим только наиболее часто применяемые преобразователи перемещения, которые относятся к классу параметрических преобразователей. В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, C). При использовании таких преобразователей, в отличии от генераторных, где выходной величиной является ЭДС, необходим дополнительный источник питания. Параметрические преобразователи очень разнообразны по своему устройству, назначению и области применения. Рассмотрим устройство и основы теории параметрических преобразователей, получивших наибольшее практическое применение.

Методы и устройства для определения перемещения.
Одним из важнейших элементов всякой системы автоматического регулирования и контроля является датчик, назначение которого состоит в восприятии и преобразовании параметра, характеризующего процесс, а огромное разнообразие технологических процессов приводит к необходимости иметь в наличии весьма широкий выбор датчиков, реализованных на самые различные величины.
Так как датчик - это устройство, обеспечивающее функциональное преобразование изменения некоторой величины (любого вида) в изменение другой величины, удобное для усиления и передачи на расстояние. (см. выше)
В частности, измерительный преобразователь неэлектрической величины устанавливает функциональную однозначную зависимость выходной электрической величины (ЭДС, сопротивления и т.д.) от входной измеряемой неэлектрической величины (перемещения, температуры и т.д.). Зависимость выходной величины измерительного преобразователя y от входной х выражается уравнением преобразования - y = f(x), которое обычно приходится находить экспериментально, т.е. прибегая к градуировке преобразователей.
Значительное место среди датчиков занимают первичные преобразователи перемещений, т.е. устройства, выходной величиной которых являются: перемещения, усиления, давление и другие физические величины, которые могут быть преобразованы в перемещения, а выходной величиной является электрический сигнал.
Подлежащие измерению перемещения находятся в значительном диапазоне – от долей микрометра, например, при измерении микрогеометрии шероховатостей в процессе производственного контроля чистоты отделки поверхностей в точном машиностроении до многих сотен и тысяч километров при измерении расстояний в геодезии, навигации или астрономии. В зависимости от решаемой задачи используются различные типы преобразователей, области, применения которых представлены в таблице.

^ При оценке измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства:
1. Воспроизводимость функции преобразования.

2. Постоянство во времени функции преобразования.

3. Вид функции преобразования.

4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину.

6. Динамические свойства преобразователя.

Для удобства рассмотрения измерительные преобразователи классифицируются по принципу их действия, т.е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Рассмотрим только наиболее часто применяемые преобразователи перемещения, которые относятся к классу параметрических преобразователей .

В параметрических измерительных преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, C). При использовании таких преобразователей, в отличии от генераторных, где выходной величиной является ЭДС, необходим дополнительный источник питания. Параметрические преобразователи очень разнообразны по своему устройству, назначению и области применения. Рассмотрим устройство и основы теории параметрических преобразователей, получивших наибольшее практическое применение.
Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – перемещения. Они представляют собой реостат, движок которого перемещается под воздействием линейного или углового перемещения. Уравнение преобразования таких преобразователей в самом общем виде: R = f(Xвх), где R – выходное сопротивление преобразователя, Xвх – угловое или линейное перемещение движка.
Состоят реостатные преобразователи из обмотки, нанесенной на каркас и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функции преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и др. Габариты преобразователей определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощность, выделяемой в обмотке.

^ Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи.

Выходной величиной реостатных преобразователей является активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону по пути движка и измеряемое обычно с помощью мостовых схем с логометром в измерительной диагонале. Применение автоматических самоуравновешиваю-щихся мостов позволяет избежать влияния сопротивления переходного контакта в движках преобразователя и колебания напряжения источника питания.
При использовании реостатных преобразователей для измерения неэлектрических величин часто ставится задача получения линейной зависимости угла отклонения  измерителя от измеряемой неэлектрической величины, несмотря на то, что ряд звеньев прибора между преобразователем и измерителем характеризуется нелинейной функцией преобразования.

^ К основным достоинствам реостатных преобразователей можно отнести: возможность получения высокой точности и значительных по уровню выходных сигналов, простоту конструкции, малые габариты и массу, возможность питания постоянным и переменным током, высокую стабильность параметров.

^ Недостатки реостатных преобразователей: наличие скользящего контакта, ограниченный срок службы, ограниченный диапазон, нелинейность выходной характеристики, что обеспечивает большую погрешность линейности.

Погрешность от нелинейности реостатных преобразователей может быть получена равной 0,10,03%. Температурная погрешность определяется, прежде всего, ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) провода и составляет, как правило, меньше 0,1% на 10оС.

Наиболее широко реостатные преобразователи применяются для преобразования линейных (более 23 мм) или угловых перемещений объекта, способного развивать усилия от 10-2 Н и более.


Емкостные преобразователи
Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними .

Емкость С между двумя параллельными проводящими плоскостями площадью S, разделенными малым зазором  без учета краевого эффекта выражается следующей формулой

где о – диэлектрическая постоянная;

- - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Из выражения для емкости видно, что преобразователь может быть построен с использованием одной из зависимостей С=f1(), C=f2(S) и C=f3(), т.е. с изменяющейся длиной зазора , с изменяющейся площадью S и с изменяющейся диэлектрической постоянной .

В качестве измерительных цепей емкостных преобразователей в большинстве случаев используют неуравновешенные мосты переменного тока. Для уменьшения влияния емкостей соединительных проводов размещение всех элементов моста производится в непосредственной близости от преобразователя или эти элементы располагают конструктивно вместе с преобразователем. Поскольку емкости большинства преобразователей составляют 10-100 пФ, в связи с чем даже на высоких частотах их выходное сопротивление велико (103-107 Ом), а выходная мощность преобразователей настолько мала (микровольтамперы), то их применяют только в сочетании с электронными усилителями, включенными в измерительную диагональ моста.
Для улучшения линейности преобразования и увеличения чувствительности часто используется цепь с дифференциальным емкостным преобразователем. Емкости дифференциального преобразователя включаются в соседние плечи моста, а в два других плеча включаются низкоомные резисторы, взаимосвязанные индуктивности или полуобмотки питающего трансформатора. Линейность выходной характеристики дифференциального емкостного преобразователя включенного в мост, зависит от сопротивления указателя. Для увеличения линейности выходной характеристики в измерительную диагональ моста с преобразователя с переменным зазором включается указатель с большим входным сопротивлением.

По своим динамическим свойствам емкостной преобразователь, как таковой, если в качестве выходной и входной величин считать соответственно приращение емкости С и изменение  ( или S), относится к безинерционным.

Преимущества емкостных преобразователей - простота устройства, высокая чувствительность, малое потребление энергии, сравнительная простота изготовления.

Недостатками являются малая выходная мощность, необходимость использования источника питания повышенной частоты, необходимость высококачественной изоляции и экранировки от внешних полей, ограниченный диапазон измерения входной величины, влияние температуры и влажности .

Основная погрешность измерения определяется конкретными условиями работы и конструкцией преобразователя и колеблется в пределах от 1% до 0,001%

Область применения емкостных преобразователей с изменяющимся зазором – измерение малых перемещений (от долей микрометра до долей миллиметра). Эти преобразователи обладают высокой чувствительностью (до 500 В/мм), малыми погрешностями и простотой конструкции, что в ряде случаев делает их незаменимыми. Преобразователи с изменяющейся площадью применяются для измерения больших линейных (более 1 см) и угловых (до 270о) перемещений.

Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи. Иными словами индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности или взаимной индуктивности, параметры которой изменяются под воздействием входной величины.
И


9 0
ндуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе определяется формулой
где Zm – магнитное сопротивление магнитопровода;

W – число витков обмотки.

В



заимная индуктивность двух обмоток, расположенных на магнитопроводе определяется как
где W1 и W2 – число витков первой и второй обмоток.

М

(1.4 )
агнитное сопротивление определяется выражением


где активная составляющая магнитного сопротивления;

li, Si, i – соответственно длина, площадь поперечного сечения и относительная магнитная проницаемость i-го участка магнитопровода;

о – магнитная постоянная;

 - длина воздушного зазора;

S – площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода;

Хm=P/(Ф2) – реактивная составляющая магнитного сопротивления;

Р – потери в магнитопроводе, обусловленные вихревыми токами и гистерезисом;

 - угловая частота;

Ф – магнитный поток в магнитопроводе.
Приведенные соотношения показывают, что изменение индуктивности катушки можно осуществить разными способами, что и вызвало существование различных типов индуктивных преобразователей.
Простейшим и вместе с тем наиболее распространенным типом таких преобразователей является преобразователь с малым воздушным зазором , длина которого изменяется под действием измеряемой механической величины Р (сосредоточенной силы, давления, линейного перемещения), Вследствие изменения воздушного зазора изменяется магнитное сопротивление этого зазора и всей магнитной цепи, а значит и индуктивность катушки, надетой на сердечник и включенной в цепь переменного тока. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к изменению ее полного сопротивления Z.

Возникает функциональная зависимость между измеряемой механической величиной Р и электрическим сопротивлением Z преобразователя:

Z = f (P).

Индуктивность катушки можно изменить также путем изменения площади воздушного зазора, изменением механического напряжения в ферромагнитном сердечнике и, следовательно, его магнитной проницаемости (магнитоупругие преобразователи, выполняемые с замкнутой ферромагнитной цепью).
Преобразователи с изменяющимися потерями на вихревые токи основаны на том, что при помещении проводящего тела в переменное магнитное поле преобразователя в этом теле возникают вихревые токи, создающие магнитное поле, направленное навстречу основному. В результате этого параметры катушки (индуктивность и активное сопротивление) изменяются и, между перемещением проводящего тела и параметрами катушки возникает функциональная зависимость. Преобразователи такого типа получили название вихретоковых.

Другим типом индуктивных преобразователей являются преобразователи с распределёнными параметрами, в которых конфигурацию магнитной системы делают такой, чтобы при перемещении подвижной катушки в воздушном зазоре изменялся магнитный поток, сцепляющийся с неподвижной катушкой или изменялся полный поток, сцепляющийся с подвижной катушкой при её перемещении. ЭДС, возникающая в катушке и является функцией её перемещения.
Индуктивные преобразователи широко используются для контроля размеров изделий, перемещений движущихся деталей, усилий, давлений, веса грузов и других физических величин. Такое широкое распространение эти преобразователи получили благодаря своим достоинствам: большой выходной мощности, не требующей дальнейшего усиления сигнала, высокой чувствительности к измеряемой величине, широким пределам измерений, достаточной точности контроля, долговечности в работе, удобству в эксплуатации, простоте конструкции и схемных реализаций.
Однако они имеют нелинейную характеристику зависимости выходной величины от входной, что обуславливает погрешность нелинейности, для уменьшения которой приходится работать на ограниченном участке характеристики.
Электрическое сопротивление индуктивного преобразователя Z связано с длиной  воздушного зазора зависимостью, близкой к гиперболической.
С увеличением зазора и сопротивления R полное электрическое сопротивление уменьшается, от Zmax=R+jW2/(Rm+jXm) при бесконечно малом зазоре до Zmin=R+jW2/(Rm+jXm+Ryт) при бесконечно большом зазоре.
Линейный участок характеристики преобразователя с начальным зазором 0 ограничен значением , равным (0,10,15) 0.

Основные погрешности этих преобразователей обусловлены колебаниями напряжения и частоты источника питания, а также колебаниями температуры преобразователя.
Из всего многообразия индуктивных преобразователей наибольшее применение получили преобразователи с изменяющейся длиной или площадью воздушного зазора и среди них дифференциальные преобразователи в силу присущих им преимуществ по сравнению с одинарными.


Индуктивный преобразователь трансформаторного типа

Л


юбой преобразователь с изменяющейся индуктивностью легко превращается в преобразователь с изменяющейся взаимной индуктивностью, если на магнитный сердечник поместить вторую (измерительную) обмотку. В этой обмотке возникает ЭДС, увеличение или уменьшение которой обусловлено изменением какого-либо параметра магнитной цепи. Такие преобразователи получили название трансформаторных или взаимноиндуктивных.
Обмотка W1 питается от источника переменного тока. К зажимам вторичной обмотки W2 подключается вольтметр или вибратор осциллографа. При изменении воздушного зазора, изменяется магнитное сопротивление для потока Ф, сцепленного с витками обмотки W2 (ток I1 – постоянен).
Таким образом, величина потока и индуктированная во вторичной обмотке ЭДС Е2 будут функциями длины воздушного зазора, т.е. величины Р:
Е2=W2Ф=W2F/ZM=f(P)
Чувствительность трансформаторных преобразователей с изменяющейся длиной или площадью воздушного зазора растет с ростом частоты источника питания и тока в обмотке возбуждения.
Для трансформаторных преобразователей применяют обычные методы измерения напряжения переменного тока. При необходимости определения знака измеряемой величины используют фазочувствительные демодуляторы.
Основным достоинством таких преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1-5 ВА), это позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления.

Дифференциальный индуктивный преобразователь

Как любой параметрический преобразователь, индуктивный преобразователь может выполняться дифференциальным, т.е. с двумя магнитными системами, изменяющими свои параметры в разных направлениях.

Использование дифференциальных преобразователей позволяет увеличить линейный участок характеристики по сравнению с линейным участком характеристики одинарного преобразователя, причем, рабочее перемещение  якоря увеличивается до

=(0,30,4) 0, а также является радикальным средством уменьшения погрешности от влияния внешних факторов и увеличения относительной чувствительности преобразователя к измеряемой величине. Для увеличения чувствительности преобразователя к измеряемой величине следует максимально использовать длину зазора, т.е. увеличивать / (вплоть до =0).

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

^ Области применения индуктивных преобразователей весьма разнообразны, поскольку ИП данного типа используются в широком диапазоне измерений перемещений:
- преобразователи с малым воздушным зазором имеют рабочее перемещение 0,01-10 мм;

- преобразователи с изменяющейся площадью воздушного зазора применяют при измерении перемещений порядка 5-20 мм;

- преобразователи с разомкнутой магнитной системой – для измерения значительных перемещений сердечника – 10-100 мм.

Датчик перемещения с изменяющейся индуктивностью.
Наиболее широко для контроля размеров изделий, перемещений движущихся деталей, усилий, давлений, веса грузов и других физических величин используются индуктивные преобразователи.
Такое широкое распространение они получили благодаря своим достоинствам: большой выходной мощности, не требующей дальнейшего усиления сигнала, высокой чувствительности к измеряемой величине, широким пределам измерений, достаточной точности контроля, долговечности в работе, удобству в эксплуатации, простоте конструкции и схемных реализаций.
Однако наряду с отличными достоинствами индуктивные преобразователи обладают нелинейностью характеристики. Поэтому при разработке индуктивного измерительного преобразователя необходимо провести оптимизацию его конструкции, т.е. выбрать такие конструктивных и основных параметров преобразователя, которые бы позволили получить наилучшие метрологические характеристики.
Очень часто в практических целях возникает необходимость осуществлять допусковый контроль размеров изделий, т.е. не самих размеров, а отклонений их от номинальных параметров. Поэтому определенный интерес представляет выяснение протяженности линейного участка характеристики индуктивного преобразователя вблизи заданной ее рабочей точки.


^ Датчик перемещения с изменяющейся индуктивностью предназначен для преобразования линейного перемещения в изменение индуктивности его обмоток.

Датчик перемещения с изменяющейся индуктивностью, во время работы должен быть устойчивым и прочным к воздействию однократных и многократных механических ударов.

Данные датчики должны сохранять свои характеристики при воздействии постоянных магнитных полей сетевой частоты с напряженностью до 400А/м.
Эксплутационные требования:
Безопасность эксплуатации датчика перемещения с изменяющейся индуктивностью должна обеспечиваться
1)прочностью установленной в стандартах,

2)изоляцией электрических цепей,

3)надежным креплением при монтаже на объекте.

Структурная схема:

Для получения выходного сигнала, индуктивный датчик должен быть включен в электрическую схему.


Принцип действия датчика перемещения с изменяющейся индуктивностью:
Действие датчика основано на преобразование линейного перемещения в изменение индуктивности его обмоток путем воздействия на подвижный элемент магнитной системы - якорь(1).Обмотки(2) датчика включены в фазочувствительный мост с выпрямителем, собранный по кольцевой схеме .






Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении

индуктивной системы под воздействием входной величены. Индуктивность электромагнитной системы L определяется отношением потока сцепления к вызвавшему их I.



В индуктивных датчиках изменяющимся параметром цепи является индуктивное сопротивление



частота переменного тока

Lx- индуктивность датчика, изменяющаяся при перемещение подвижной системы датчика.

Эти системы применяются лишь на переменном токе, величина которого будет изменяться при изменении



И

ндуктивность дроселя при ненасыщенном магнитопроводе может быть выраженна следующей формулой
Где w-число витков обмотки дросселя,

Rm-магнитное сопротивление сердечника и якоря,

-длинна воздушного зазора,

Sb- площадь поперечного сечения воздушного зазора.

ля тока и тангенса угла сдвига фаз в цепи нагрузки имеем:





где R-активное сопротивление обмотки дросселя



Zн - полное сопротивление нагрузки

Таким образом, при изменении длинны или площади поперечного сечения Sb воздушного зазора будет изменяться величина тока и угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока.



Для определения пределов изменения тока в цепи нагрузки для магнитных систем при различных положениях якоря можно поступить следующим образом: амплитуда тока в цепи нагрузки Zн, С другой стороны, где значение магнитного потока

может быть выражено через магнитную индукцию B как



таким образом,




При определение магнитного потока формула для индуктивности

имеет следующий вид


или



Подставляя Im и умножая на ,находим

Н
аконец из выражения








Где Lc-средняя длинна магнитной силовой линии в сердечнике,

Sc-площадь поперечного сечения сердечника

Lяк- длинна пути магнитного потока в якоре

Sяк-площадь поперечного сечения якоря

-магнитная проницаемость для сердечника при значении магнитной индукции Bm1

  • магнитная проницаемость для якоря при значении магнитной индукции в якоре Bm2


Далее имеем

Задаваясь значением Lx по формуле №1 определяется величина Bm и соответствующие ей значения , а затем по формуле №2



Либо в зависимости оттого,какая из этих величин изменяется при работе датчика.
Как пример рассмотрим LVDT-датчики перемещения:

Датчики перемещения находят применение во многих приложениях, и, хотя выбор устройств довольно широк, все же рассматриваемые в статье датчики компании Macro Sensors следует выделить из ряда подобных благодаря, как минимум, двум причинам. Во-первых, значительный динамический диапазон измеряемых перемещений, во-вторых — способность работать в самых жестких условиях эксплуатации.

Аббревиатура LVDT образована от словосочетания Linear Variable Differential Transformer — линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи. LVDT-датчики — электромеханический преобразователь, преобразующий прямолинейное перемещение объекта, с которым он связан механически, в электрический сигнал. К отличительным особенностям рассматриваемых датчиков можно причислить очень большой динамический диапазон измеряемых перемещений (от десятков микрон до ±0,5 м) и возможность работать в самых жестких условиях эксплуатации. Первое следует из принципа действия, а второе — из конструктивного исполнения.

Существует довольно много импульсных датчиков перемещения, принцип действия которых основан на регистрации момента пересечения (с помощью магнитных или оптронных датчиков) движущимся объектом определенной метки. При наступлении указанного события на выходе датчика генерируется импульс. Подобные устройства по понятным причинам имеют не только ограниченный динамический диапазон измерений перемещений, но и увеличивают ошибку вычисления скорости и ускорения (первая и вторая производная от перемещения), что не всегда является приемлемым. Рассматриваемые в статье LVDT-датчики, в силу того что их выходной сигнал непрерывен, лишены отмеченных недостатков.

^ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ LVDT-ДАТЧИКА

На рисунке 1 схематично представлена конструкция LVDT-датчика, основными составляющими которого являются первичная и две вторичные обмотки (как правило, обмотки расположены на неподвижном сердечнике) и подвижное ядро. Первичная обмотка размещена симметрично между двумя идентичными вторичными обмотками. Катушки расположены на цельном термостабильном армированном полимере и заключены в герметичную оболочку, защищающую их от попадания влаги и агрессивных сред. Подвижное ядро, выполненное из высокопроницаемого магнитного материала, имеет цилиндрическую форму и свободно перемещается по внутренней полости датчика.



Электропитание первичной обмотки осуществляется переменным синусоидальным напряжением — типовое значение 3 В, 3 кГц. Выходным сигналом датчика является разность напряжений вторичных обмоток u8212 — дифференциальное напряжение. Обычно дифференциальное переменное напряжение преобразуется встроенным электронным модулем в сигнал постоянного тока.

На рисунке 2 проиллюстрирован принцип действия LVDT-датчика. Если подвижное ядро находится строго в центре (так называемая нулевая позиция), то магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой Р, симметрично, следовательно магнитные потоки через вторичные обмотки S1 и S2 равны, а значит равны и ЭДС Е1 и Е2, индуцируемые в этих обмотках, а значит равно нулю дифференциальное напряжение. Если же подвижное ядро смещается относительно нулевого положения, то искажается симметрия магнитного поля — через одну из вторичных обмоток, в зависимости от положения ядра, проходит больший магнитный поток, нежели чем через другую (см. рис. 2). Следовательно, различаются и ЭДС, индуцируемые во вторичных обмотках, — чем больше магнитный поток, тем больше ЭДС.

На рисунке 3а показано, как изменяется амплитуда дифференциального выходного напряжения ЕOUT в зависимости от положения ядра внутри сердечника. Максимальное значение ЕOUT обычно достигает нескольких вольт. Угол сдвига фаз выходного напряжения ЕOUT относительно первичного напряжения остается постоянным вплоть до нулевой позиции, при пересечении которой сдвиг фаз изменяется на 180 градусов (см. рис. 3б). Сдвиг фазы можно использовать для определения направления движения относительно нулевой позиции при преобразовании сигнала переменного тока электронным модулем. Тогда выходной сигнал последнего будет иметь вид, как показано на рисунке 3в.

Из принципа действия и конструкции LVDT-датчика следует ряд очевидных преимуществ. Ниже мы перечислим основные из них

Отсутствие трущихся частей — одно из главных преимуществ LVDT-датчика. При использовании в штатном режиме нет механического контакта между подвижным ядром и катушками. Это преимущество особенно важно при измерениях малых перемещений, например при контроле вибраций.

Высокая чувствительность: отсутствие трения и физический принцип действия позволяют измерять очень малые перемещения ядра при хорошей повторяемости результатов измерений. Минимальная величина измерения ограничивается шумом и разрешением индицирующего прибора.

Практически неограниченная механическая износостойкость является следствием отсутствия трущихся частей. Из-за отсутствия трения и механических контактов между ядром и катушками нет факторов, оказывающих отрицательное влияние на механическую износостойкость. Следовательно, повышается надежность, что очень важно при использовании, например, в аэрокосмической промышленности и ядерной энергетике, а также в других приложениях, где надежность является ключевым параметром.

Повышенная защита от выбега за пределы трансформатора. Внутреннее отверстие большинства LVDT-датчиков открыто с обеих сторон, поэтому в случае «зашкаливания» (перемещения контролируемого объекта и жестко связанного с ним ядра за предусмотренные пределы) не происходит механического повреждения датчика — подвижное ядро попросту вылетает за пределы датчика, не нанося тому никаких повреждений. Эта неуязвимость очень хороша для применений в тензометрах и экстензометрах (приборы для измерения удлинений), которые используются в тестах на растяжение материалов.

 

Одно направление чувствительности. LVDT-датчик реагирует на перемещение ядра только в одном направлении и нечувствителен к перемещению в других направлениях. Эта особенность важна в приложениях, когда ядро передвигается не по идеальной прямой линии, а слегка «рыскает » при перемещении.

Разделение катушек и ядра. Катушки механически отделены от подвижного ядра, причем катушки помещены в герметичную капсулу. Это обстоятельство часто используется для применения LVDT в гидроприводах и сервоприводах.

Устойчивость к воздействию внешней среды. Материалы и конструкция, используемые в LVDT, антикоррозионные, износоустойчивые и прочные, что делает LVDT маловосприимчивым к негативным воздействиям внешней среды. Обмотки залиты эпоксидной смолой и почти невосприимчивы к влажности и осадкам, хорошо противостоят одиночным ударам и вибрациям. Внутренний экран из магнитопроницаемого материала минимизирует эффект внешних электромагнитных полей. И ядро и сердечник изготовлены из антикоррозионных материалов, также являющихся магнитными экранами. Для применения датчика во взрыво- и пожароопасных средах, а также в агрессивных средах датчик может быть изолирован от внешней среды посредством заключения в капсулу и «запечатан» с помощью сварки. Обычно LVDT-датчики работают в расширенном диапазоне рабочих температур и могут применяться и в криогенной технике, и при повышенных температурах и радиации, например в ядерных реакторах.

Повторяемость нулевой точки. Положение нулевой точки чрезвычайно стабильно и повторяемо даже при сверхшироких температурных диапазонах.

Хорошие динамические свойства. Отсутствие трения позволяет LVDT очень быстро изменять положение ядра. Динамический отклик ограничивается только массой ядра.

^ ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ LVDT

Для электропитания LVDT-датчиков требуется синусоидальное переменное напряжение (обычно 3 В и 3 кГц), формирование которого является одной из задач электронного модуля. Другая функция модуля состоит в преобразовании и усилении дифференциального переменного напряжения в знакопеременный выходной сигнал с учетом направления движения (сдвиг фазы дифференциального напряжения от напряжения на первичной обмотке). Сегодня доступны различные электронные модули — от кристаллов до печатных плат. Производятся также индикаторы для работы с LVDT-датчиками.




Скачать файл (659 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации