8.3. Индуктивные преобразователи и датчики положения

Индуктивный измерительный преобразователь представляет собой дроссель без насыщения (см. [1] п. 5.1), который, в зависимости от конструкции, преобразует линейное или угловое перемещение x якоря в изменение индуктивности L своей обмотки. Когда к обмотке приложено переменное напряжение u(t)=U_msinωt, она создает реактивное сопротивление X_L= ωL в электрической цепи.

Для простейшего датчика на основе дросселя без насыщения выходной переменной является ток I в обмотке по величине обратно пропорциональный значению индуктивности L, так как I=U/X_L=U/ωL, если не учитывать малое по величине активное сопротивления обмотки дросселя (U - действующее значение напряжения u(t)).

Как известно (см. [1] п. 5.1),

,

где μ₀ – магнитная проницаемость воздуха; S_ρ – площадь воздушного зазора между сердечником и якорем дросселя; ρ – длина воздушного зазора, w -количество витков обмотки.

Чтобы получить линейную зависимость тока I от перемещения якоря, конструкцию датчика создают такой, чтобы при перемещении якоря изменялось значение ρ, а величина S_ρ оставалась неизменной. Конструкция такого индуктивного датчика подобна конструкции электромагнитного механизма (см. [1] п. 4.1, п. 4.2, п. 4.3). Но это электромагнитный механизм обратного действия, так как входным сигналом является перемещение ρ якоря, выходным – изменение силы тока I, протекающего по виткам катушки.

Существенным недостатком является возникновение большой по величине электромагнитной силы тяги, действующей на якорь. Этот недостаток практически полностью устраняется в дифференциальном индуктивном датчике (ДИД). Функциональная схема, отражающая принцип построения ДИД, показана на рис. 8.6а.

Якорь ДИД поворачивается на угол ±α относительно вертикального положения, изменяя воздушные зазоры до левого и до правого полюсов магнитопровода. Максимальный угол поворота α_max . Электромагнитные силы, действующие на якорь от двух катушек, взаимно компенсируются (см. [1] п. 4.5). Конструкцию преобразователя и параметры схемы выбирают такими, что ток I₁ пропорционален величине (α_max - α) и ток I₂ ~ пропорционален величине (α_max + α). Коэффициент пропорциональности (обозначим через S_I) называют чувствительностью по току. Выходное напряжение

,

где S_U=2S_IR – коэффициент, называемый чувствительностью по напряжению.

Действующее значение U_α напряжения на выходе датчика не зависит от знака входной величины α . Поэтому U_α = S_U | α | . От знака входной величины зависит фаза φ напряжения U_α на выходе датчика. При переходе α через нулевое значение фаза φ изменяется на 180^О. Величины U_α , φ характеризуют выход дифференциального датчика (рис. 8.5б). Характеристики управления датчика показаны на рис. 8.5в.

Увеличение диапазона изменения контролируемого датчиком угла почти до 360^о позволяют получить индуктивные датчики иной конструкции, которую можно представить по рис. 8.5а, если вместо якоря в воздушный зазор поместить профилированный диск из ферромагнитного материала. При соответствующем профилировании диска можно получить зависимость L=f(α) практически любого вида. Если в зазор ввести диск из немагнитного электропроводящего материала, то это аналогично появлению в магнитной цепи короткозамкнутого витка. Тем самым в магнитной цепи создается магнитное сопротивление, которое зависит от формы диска, его электрической проводимости и положения в рабочем зазоре. При повороте диска изменяется магнитное сопротивление, а следовательно, индуктивность L и напряжение U_α на выходе датчика. С целью повышения чувствительности датчика индуктивный преобразователь может быть включен в колебательный контур с частотой 10…15 кГц [9].

Недостатком индуктивных датчиков является сильная зависимость их характеристик от частоты питающего напряжения ~U. Недостатками являются также: работа только на переменном токе, трудность регулировки датчиков. Основное достоинство индуктивных датчиков – высокая надежность, обусловленная отсутствием скользящих контактов. Положительными качествами являются также: больший, чем у потенциометрических датчиков, коэффициент усиления; высокая чувствительность. Разрешающая способность некоторых индуктивных датчиков при тщательной экранировке и регулировке может измеряться сотыми долями микрона.