Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики —ДИД

Дифференциальные индуктивные датчики получили наибольшее распространение, они представляют 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 (рис. 7. 3, a).

По форме магнит­ной системы различа­ют следующие ДИД: плоские с магнитопроводом Ш-образной формы, набранные из листов электротехниче­ской стали (при часто­тах свыше 1000 Гц при­меняются железонике­левые сплавы — пер­маллой), и цилиндри­ческие — со сплошным магнитопроводом круг­лого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания датчика с контролируемым устройством.

Применение Ш-образного магнитопровода обусловлено удобст­вом сборки катушки и уменьшением габаритов датчика. На рис. 7. 3, a изображен ДИД, который состоит из двух Ш-образных магнитопроводов I и 1' с намотанными на них в противоположных направлениях катушками 3 и 3 ', жестко закрепленными относи­тельно друг друга и расположенного между ними подвижного якоря 2. Для питания ДИД используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между этим выводом и об­щим концом обеих катушек включается прибор 4. При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры с обеих сторон одина­ковы, индуктивные сопротивления обеих катушек 3 и 3' одинаковы, следовательно, величины токов в катушках равны (I ₁ = I ₂) и ре­зультирующий ток в приборе равен нулю. При небольшом откло­нении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величины X (например, вверх) зазор между якорем и одним из сердечников (катушка 3) уменьшается, а между другим сердечни­ком (катушка 3') и якорем увеличивается, при этом индуктивное сопротивление катушки 3 возрастает, а катушка 3' уменьшается. Прибор 4 в этом случае регистрирует ток, равный разности токов в обмотках и являющийся функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью маг­нитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямитель­ной схемой В на входе (рис. 7. З, а).

Выходная характеристика датчика для измерительных прибо­ров с нулем в начале шкалы показана на рис. 7. 3, б. Из характе­ристики видно, что полярность выходного тока остается неизмен­ной независимо от знака изменения полного сопротивления кату­шек 3 и 3'.

Разностный ток в катушках может быть определен по формуле

I _р = (I ₀ + Δ I)-(I ₀-Δ I) = 2Δ I.

При среднем положении якоря (Δδ_Β = 0) входная и выходная величины равны нулю (режим баланса) и, следовательно, 2 ∆I = 0, т. е. ток в приборе равен нулю. Входной величиной индуктивного датчика является отклонение якоря от среднего положения, а вы­ходной величиной — разность токов в катушках 3 и 3'.

В дифференциальной схеме индуктивного датчика токи для каждой из ветвей будут определяться в соответствии с формулой (7. 10):

где I _1m, I _2m — амплитуды токов в цепи нагрузки, включенной после­довательно с катушкой датчика; U_m — амплитуда напряжения ис­точника питания.

В зависимости от типа исполнительного устройства, подключае­мого к датчику, используется разность токов ∆I = I _{1 т} — I _{2 т} или их отношение I _{1 m} / I_2m.

На рис. 7. З, в показано изменение токов I _{1 т} и I_2т от длины воз­душного зазора δ_Β (в качестве указателя применен прибор магнитоэлектрической системы с нулем в начале шкалы; на выходе схе­мы установлен мостовой выпрямитель — см. рис. 7. 3, a).

При изменении направления отклонения якоря от нейтрального (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 на микроампер­метре с нулевой отметкой посредине шкалы.

На рис. 7. 4, а, б изображены схема и характеристика диффе­ренциального индуктив­но­го датчика с фазочувствительной вы­пря­ми­тельной схемой. ДИД состоит из якоря, сердеч­ников 2 и 2' с намотанными в противопо­лож­ных направлениях катушками 3 и 3'', фазочувствительной выпрямительной схемой 4, измерительной об­мотки 5, трансформатора питания 6 и измерительного прибора 7 (микро­амперметр магнитоэлектри­чес­кой систе­мы с нулевой отмет­кой посредине шкалы). При симметричном расположении якоря в обмотках 3 и 3', намотанных в противоположных направлениях, разностный магнитный поток не создается, а в измерительной об­мотке 5 в это время э. д. с. не индуктируется.

При смещении якоря от нейтрального положения магнитное сопротивление в одной из обмоток, например 3, увеличивается, а для потока, создаваемого другой обмоткой (3'), уменьшается, в результате чего в сердечнике создается разностный магнитный по­ток, в измерительной обмотке 5 наводится переменная э. д. с, а фаза зависит от направления смещения. Если эту э. д. с. подать на вход фазочувствительной выпрямительной схемы * 4, то магнито­электрический прибор 7 на ее выходе будет показывать величину и направление смещения якоря (рис. 7. 4, б), т. е. датчик приобретает реверсивные свойства и его характеристика будет проходить через; два квадранта координатной сетки (через нуль). Очевидно, эта ха­рактеристика является результатом алгебраического суммирова­ния ординат характеристик нереверсивных датчиков (1 и 2), со­ставляющих реверсивную схему.

Идеальная характеристика датчика изображена на рисунке штриховой линией, а реальная — сплошной. По реальной характе­ристке может быть определена чувствительность датчика. Так, чувствительность датчика по току может быть определена как S _I = dl/dδ _B = ∆I/∆δ _B, т. е. чувствительность представляет собой отно­шение изменения величины тока на выходе датчика к соответствую­щей величине линейного перемещения подвижной части датчика на его входе.

Как уже отмечалось, при нейтральном положении, когда δ₀ = 0, ток на выходе датчика равен нулю. Это будет справедливо при идентичности обеих половин схемы. Однако практически это усло­вие выполнить сложно, так как изготовить два одинаковых датчика с совершенно одинаковыми характеристи­ками очень трудно, поэто­му при δ₀ = 0 всегда имеется небольшой выходной ток — так назы­ваемый ток небаланса. Наличие тока небаланса устанавливается проверкой общего выходного тока датчика без якоря. Для умень­шения имеющегося тока небаланса снимают часть витков с одной из катушек (при встречно включенных катушках).

ДИД, изображенный на рис. 7. 3, а, применяется для измерения перемещений порядка долей и десятых долей миллиметра. При использовании ДИД величина начального воздушного зазора δ₀ = δ_Β1 = δ_Β2 на одну сторону должна быть в два раза больше мак­симального хода якоря, чтобы не допустить замыкания стальных частей якоря и магнитопровода. Обычно минимальный возможный воздушный зазор δ₀ по конструктивным условиям выбирается по­рядка 0, 2—0, 5 мм.

На рис. 7. 5, а представлен цилиндрический датчик, предназна­ченный для измерения значительных перемещений (плунжерный датчик). Подобный датчик применяется в цепи обратной связи автопилотов. В этом случае якорь соединяется с рулевой тягой са­молета. Магнитопровод датчика выполняется в виде цилиндриче­ской трубки 1, выполняющей роль ярма с двумя крышками. Якорь (плунжер) 4 также имеет цилиндрическую форму. Для увеличения магнитной проводимости между наружным ярмом и якорем посре­дине цилиндра (на линии AB) помещается ферромагнитный диск. Якорь перемещается внутри катушек 2 и 3, что позволяет получать значительно больший рабочий диапазон величин измеряемых пере­мещений, который может достигать нескольких сантиметров. Катушки датчика 2 и 3 расположены по обе стороны диска и включаются в из­мерительную схему аналогично включению, показанному на рис. 7. 3, а. Если обозначить индуктивно­сти обмоток при нейтральном поло­жении плунжера через L ₀, а коэффи­циент взаимоиндукции через M, то реактивные сопротивления катушек 2 и 3 определяются так:

X _L2 = j ω (L₀+∆L+M);

X _L3 = jω(L ₀ - ∆L +M),

где D L — приращение индуктивно­сти при перемещении якоря (плун­жера). При среднем нулевом поло­жении якоря ток через измеритель­ный прибор равен нулю (I _ПР = 0), так как X _l2 = X _l3.При смещении якоря от среднего положения изменяются в противоположных направлениях реактивные сопротивления X _L2, Х _L3и через из­мерительный прибор протекает ток, пропорциональный величине смещения якоря, а фаза тока зависит от направления перемеще­ния якоря.

На рис. 7. 5, б показаны характеристики плунжерного датчика, которые практически прямолинейны. При использовании прибора магнитоэлектрической системы с нулевой отметкой в начале шка­лы необходимо на выходе схемы установить мостовой выпрями­тель.

X _L2 = f ₂(δ%), I _ПP= f ₁(δ%), X _L3 =f ₃(δ%),

где X _L2и X _L3— реактивные сопротивления катушек с учетом их взаимной индуктивности M.

Чувствительность цилиндрического датчика составляет десятые доли вольта на 1 мм перемещения якоря.

На рис. 7. 6 приведены характеристики ДИД:

Ζ₁ = f ₁(δ), Z ₂= = f ₂(δ₂), ∆ Z = Z₁-Z₂ = f ₃(∆δ), где Δδ —смещение якоря от среднего положения.

Дифференциальные индуктивные датчики по сравнению с оди­нарными датчиками имеют следующие преимущества:

1. Линейная часть aб характеристики ΔΖ (рис. 7. 6) имеет боль­ший участок, что позволяет увеличить рабочее перемещение Δδякоря до Δδ= (0, 3÷0, 4)δ₀·

2. Погрешности от наличия усилий притяжения, колебаний пи­тающего напряжения и температуры окружающей среды в значи­тельной степени взаимно компенсируются во всем рабочем диапа­зоне измеряемых перемещений (в частности, нулевая точка харак­теристики при нейтральном положении якоря не смещается приколебаниях напряжения).

3. Чувствительность схемы в два раза больше (если катушки датчика включены в соседние плечи мостовой схемы, т. е. S _I = 2 S _I; см. §2. 5).

ГЛАВА VIII

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (ДАТЧИКИ С ИЗМЕРЯЮЩЕЙСЯ Э. Д. С.)

Дата добавления: 2015-05-09