2.1.2.Электромагнитные чувствительные элементы

Развитие методов бесконтактного съема информации привело к широ­кому использованию электромагнитных способов преобразования информа­ции. Именно электромагнитные ЧЭ в настоящее время являются основой большинства промышленных датчиков разного назначения. Принцип дейст­вия электромагнитных ЧЭ основан на том, что в измеряемый параметр (например, перемещение) «вовлекается» один из элементов магнитного контура (обычно индуктивность). Изменение индуктивности в свою очередь вызывает изменение магнитного потока через измерительную обмотку, а следовательно, и электрического сигнала.

При построении электромагнитных датчиков наиболее известны два подхода: индуктивный и индукционный. В первом случае информативным параметром является индуктивность ЧЭ (катушки) L или коэффициент вза­имной индукции L₂₁ нескольких ЧЭ, во втором — ЭДС индукции. Параметр L называют также коэффициентом самоиндукции, a L₂₁ — коэффициентом связи между обмотками.

Электромагнитные ЧЭ можно включать по дроссельной и трансформаторной схемам. Дроссельная схема обычно содержит одну или две (при дифференциальном соединении) катушки, в которых изменяется коэффициент самоиндукции L. В трансформаторной схеме используют несколько катушек для изменения коэффициента взаимной индукции. При этом одна из катушек (обычно первичная) неподвижна.

Рассмотрим дроссельную схему. Индуктивность L дросселя с числом витков N катушки, магнитным сопротивлением R_μ и относительной магнитной проницаемостью μ сердечника вычисляют по формуле

Вид функции преобразования ЧЭ зависит от того, какой из параметров является информативным: если s, то функция линейна, если l, то нет. Как правило, оба эти параметра зависят от перемещения сердечника х. Тогда L = L(x) и L₂₁ = L₂₁(х). Согласно правилу буравчика, вектор магнитной индукции В направлен вдоль оси катушки.

Если сечение магнитопровода постоянно по длине, то для справедливо выражение

где l_м, l₀ — длина силовых линий в магнитопроводе и воздухе соответственно; s_м, s₀ — площадь поперечного сечения магнитопровода и воздушного зазора соответственно.

Принцип действия большинства электромагнитных ЧЭ основан на изменении зазора Δl₀ (рис. 2.3, а). Индуктивность

В расчетах используют упрощенную формулу

Величина Δl₀ связана с перемещением обкладки Δх выражением Δl₀= 2 Δх (рис. 2.3, а).

П осле упрощения получаем

Данное выражение можно рассматривать как функцию преобразования электромагнитного ЧЭ. Видно, что зависимость коэффициента самоиндукции L от перемещения Δх нелинейна. При х ≪ l₀ зависимость ΔL(Δx) аппроксимируется рядом:

Существенное уменьшение погрешности, вызванной нелинейностью ΔL(Δx), достигается при дифференциальном (встречном) включении двух одинаковых катушек (рис. 2.3, б;2.4, а). Для первой и второй катушек соответственно имеем

Тогда при ΔL ≈( ΔL₂ -ΔL₁) чувствительность схемы удвоится, а нелинейность уменьшится до членов второго порядка малости вследствие компенсации нелинейностей первого и всех нечетных порядков (рис. 2.4, в). Действительно,

Приведем типичные параметры простейшего дросселя на несущей частоте 5 кГц: индуктивность около 5 мГн, индуктивное (реактивное) сопротивление около 150 Ом, активное сопротивление 20...200 Ом.

В трансформаторной схеме (рис. 2.4, б) используют три обмотки: пер­вичную и две вторичные. Это позволяет электрически развязать первичную и вторичную цепи и существенно снизить влияние катушек на подвижный элемент датчика.

Первичная и вторичные обмотки могут быть включены в схеме согласно (встречно) либо взаимно заменены.

Д ля питания датчиков дроссельного и трансформаторного типов исполь­зуют синусоидальное напряжение с частотой сети до 50 кГц. Правильный выбор частоты сети уменьшает помехи и магнитные потери.

В зависимости от диапазона измерений применяют схемы с продольным и поперечным перемещением сердечника. В первом случае (см. рис. 2.4, б) сердечник перемещается вдоль своей главной оси инерции, во втором (см. рис. 2.4, а) — перпендикулярно ей.

Индуктивные ЧЭ широко используют при построении бесконтактных датчиков перемещения. В частности, дифференциальные схемы с продоль­ным перемещением сердечника позволяют измерять расстояния 1 ...500 мм, а с поперечным — от 20 мкм до 1 мм. При использовании сердечников дли­ной, равной длине катушки, регистрируемое перемещение может достигать 80 % от длины сердечника.

С равнительная характеристика нескольких моделей электромагнитных ЧЭ дана в

табл. 2.3.