Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Дифференциальные (реверсивные) индуктивные датчики

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух одинарных (нереверсивных) датчиков с общим якорем. Предназначены дифференциальные индуктивные датчики для получения реверсивной статической характеристики и для компенсации электромагнитной силы притяжения якоря.

Рассмотрим работу дифференциального индуктивного датчика (рис. 6.3, а), состоящего из двух одинаковых сердечников 1 и 2 с обмотками и расположенного между сердечниками якоря 3, спо­собного перемещаться влево и вправо относительно среднего сим­метричного положения. Питание дифференциального датчика осу­ществляется от трансформатора с выводом от средней точки вто-

а) 6)

Рис. 6.3. Дифференциальный индуктивный датчик

ричной обмотки. Сопротивление нагрузки RB включается между этой средней точкой и общей точкой обмоток сердечников 1 и 2. Ток в сопротивлении нагрузки можно представить как алгебраиче­скую сумму двух токов: в левом и правом контурах. Каждый кон­тур состоит из половины вторичной обмотки трансформатора, оди­нарного индуктивного датчика и сопротивления нагрузки Rn, общего для обоих контуров. Рассмотрим направления контурных токов в момент времени, когда во вторичной обмотке трансформа­тора индуцируется условно положительный полупериод напряже­ния: плюс — у левого зажима; минус — у правого. Полярность средней точки относительно левого зажима будет минусовая, а относительно правого — плюсовая. Принимая за положительное направление тока во внешней цепи от плюса к минусу, определяем, что ток левого контура направлен сверху вниз, а ток правого кон­тура — снизу вверх. Следовательно, эти токи вычитаются, а через нагрузку пойдет разностный ток. В следующий полупериод поляр­ность изменится на противоположную (на рис. 6.3 показана в скоб­ках). Соответственно изменится направление токов в нагрузке, но опять ток в нагрузке будет равен разности токов и ( их направле­ние показано пунктиром). Очевидно, что каждый из этих контурных токов можно определить по формулам (6.11) или (6.13). При среднем (симметричном) положении якоря 3 индуктивности обмоток 1 и 2 одинаковы. Следовательно, токи I1и I2 равны, раз­ность их равна нулю, выходной сигнал (ток в сопротивлении на­грузки) равен нулю: Iu=I1-I2=0

При перемещении якоря вправо (примем его за положительный входной сигнал) индуктивность L2 возрастает, поскольку воздуш­ный зазор в одинарном индуктивном датчике 2 уменьшается, а ин­дуктивность L1 убывает, поскольку зазор в датчике 1 увеличивает­ся. Следовательно, I1>I2и появляется выходной сигнал в виде тока

 

 

нагрузки определенной полярности. При перемещении якоря влево (отрицательный входной сигнал) соответственно уменьшается L2 и увеличивается L1, соотношение токов I1 I2и полярность тока на­грузки изменяется. Поскольку речь идет о переменном синусоидаль­ном токе, это означает, что фаза тока изменяется на 180°. Таким образом, статическая характеристика дифференциального датчика (рис. 6.3, б) будет реверсивной, зависящей от знака входного сиг­нала. А дифференциальным датчик называется потому, что выход­ной сигнал формируется как разность сигналов двух одинаковых датчиков.

Силы притяжения якоря к сердечникам возникают и в этом слу­чае, но направлены они в противоположные стороны и поэтому почти полностью взаимно компенсируются. Поэтому для перемещения якоря требуется незначительное усилие. Очень важ­ной особенностью дифференциального датчика является равенство нулю выходного сигнала при нулевом входном сигнале. Напомним, что в одинарном датчике выходной сигнал (ток через обмотку) был не равен нулю даже при нулевом воздушном зазоре.

Для получения реверсивной статической характеристики исполь­зуют и мостовую схему включения индуктивных датчиков (рис. 726.4, а, б). Плечи моста образованы обмотками двух сердечников 1 и 2 с индуктивностями соответственно L1 и L2 и двумя постоянными резисторами с сопротивлением R. К одной диагонали моста подводится напряжение питания Uo переменного тока, со второй диагонали снимается выходное напряжение Uвых. Если якорь 3 занимает среднее положение, то индуктивности L1 и L2 одинаковы и мост сбалансирован. Выходное напряжение Uвых при этом равно нулю. При отклонении якоря от среднего положения баланс моста нарушается, так как индуктивность одной обмотки увеличивается, а другой — уменьшается. Изменение направления перемещения якоря вызывает изменение фазы выходного напряжения на 180°, т. е. характеристика мостовой схемы индуктивных датчиков является реверсивной (см. рис. 6.3, б).

 

 

 

 

Повысить чувствительность можно увеличением напряжения пита­ния и снижением величины начального воздушного зазора, т. е. сближением сердечников 1 и 2.

Питание индуктивных датчиков всегда- осуществляется пере­менным током, но с помощью выпрямительных схем выходной ток может быть и постоянным. Для того чтобы иметь реверсивную ха­рактеристику, используют фазочувствительный выпрямитель. Схе­ма реверсивного индуктивного датчика с выходным постоянным

Рис. 6.5. Схема включения реверсив­ного индуктивного датчика с выход­ным постоянным током

током показана на рис. 6.5. Сер­дечники на схеме показаны Ш-об-разной формы. Такие сердечники используются чаще, чем П-образ-ные, показанные на предыдущих рисунках, хотя принцип действия одинаков для датчиков с сердеч­никами разной формы. Выходной сигнал датчика снимается с по­мощью измерительного трансфор­матора 1 и подается на одну диа­гональ выпрямительного моста 3. Опорное напряжение снимается с трансформатора 2 и подается на другую диагональ моста 3. На­грузка Rн включается между средними точками вторичных обмо­ток трансформаторов 1 и 2. При фазочувствительном выпрямлении изменение фазы сигнала на 180° приводит к изменению полярно­сти выпрямленного напряжения.

Следует отметить, что при неидентичности одинарных индук­тивных датчиков, используемых в дифференциальной или мосто­вой схемах, возникает остаточное напряжение даже в среднем по­ложении якоря. Это остаточное напряжение сдвинуто по фазе от­носительно напряжения питания, определяющего фазу полезного

сигнала. Следовательно, остаточное напряжение может быть раз­ложено на две составляющие. Одна составляющая, совпадающая по фазе с полезным сигналом, называется синфазной. Другая со­ставляющая, сдвинутая по фазе на 90° относительно полезного сигнала, называется квадратурной. Остаточное напряжение явля­ется напряжением погрешности, и поэтому желательно его ском­пенсировать. Синфазную составляющую остаточного напряжения можно скомпенсировать соответствующим перемещением якоря от среднего положения. Одновременно скомпенсировать и синфазное и квадратурное напряжения погрешности таким способом нельзя. Для подавления квадратурной составляющей могут быть исполь­зованы фазочувствительные выпрямители, обладающие свойством не пропускать сигналы, сдвинутые по фазе на 90° относительно опорного напряжения.

Реверсивные индуктивные датчики с сердечниками Ш- и П-об-разной формы используются для измерения довольно малых пе­ремещений; они имеют начальный зазор порядка 0,3—1 мм.

Для измерения больших перемещений применяют индуктивные датчики в виде катушки с подвижным внутренним сердечником. Если сердечник полностью введен внутри катушки, на которую намотана обмотка, то ее индуктивное сопротивление максималь­но, а ток в обмотке имеет минимальное значение. При выводе сердечника из катушки индуктивное сопротивление уменьшается, а ток соответственно увеличивается. Индуктивные датчики в виде катушки с перемещающимся внутри нее сердечником получили название плунжерных датчиков. Их также называют индуктивны­ми датчиками с разомкнутым магнитопроводом, поскольку даже при максимальной индуктивности обмотки основной путь магнит­ного потока проходит по воздуху. С этой точки зрения рассмот­ренные выше датчики с обмоткой на неподвижном сердечнике и с перемещающимся якорем называют индуктивными датчиками с замкнутым магнитопроводом.

У плунжерных датчиков есть одна очень важная особенность: они позволяют получить информацию о перемещении из замкну­того, изолированного пространства. Пусть, например, надо изме­рить уровень какой-либо очень вредной жидкости, пары которой ядовиты, да еще находятся под большим давлением. Тогда ка­тушку / плунжерного датчика (рис. 6.6) надевают на раздели­тельную трубку 3 из нержавеющей немагнитной стали, внутри ко­торой и перемещается сердечник 2 из ферромагнитного материа­ла. Перемещение сердечника изменяет индуктивность катушки, а разделительная трубка не экранирует магнитное поле, поскольку материал трубки имеет очень малую магнитную проницаемость. Таким образом, обмотка датчика, все другие электрические эле­менты измерительной схемы размещены в обычных, нормальных условиях. В связи с этим про плунжерные датчики говорят, что они позволяют вывести перемещение из замкнутого объема.

В этом основное преимущество плунжерных датчиков перед дат­чиками с замкнутым магнитопроводом. А вот по чувствительности, мощности выходного сигнала плунжерные датчики уступают ин­дуктивным датчикам с замкнутым магнитопроводом.

С помощью плунжерных датчиков могут быть реализованы такие же дифференциальные и мостовые схемы, какие были рас­смотрены выше (см. рис. 6.3, 6.4).

Рассмотрим в качестве примера использование плунжерных датчиков в схеме индуктивного моста (рис. 6.7). Обмотка каж­дого из двух датчиков А и Б имеет вывод от средней точки. 06-

мотки датчиков соединены друг с другом проводами линии свя­зи. Напряжение питания приложено между средними точками об­моток. Каждая из половин обмоток образует плечо моста пере­менного тока. Датчик А установлен в передающем приборе, дат­чик Б — в приемном приборе. При перемещении сердечника дат­чика А изменяется индуктивное сопротивление каждой из половин его обмотки. Например, при перемещении сердечника вверх воз­растает индуктивность LAi и уменьшается индуктивность LA2. Ба­ланс моста нарушается, и по проводам линии связи протекают токи разбаланса I1и I2. Эти токи, протекая по обмотке датчика Б, вызывают электромагнитную силу, перемещающую сердечник датчика Б. Под действием этой силы сердечник датчика Б уста­навливается в такое же положение, что и сердечник датчика А. При этом, естественно, происходит соответствующее изменение индуктивностей Lб1 и Lб2. Условием баланса моста является, как известно, равенство произведений сопротивлений противолежа­щих плеч моста или соответствующих индуктивностей: LA1LB2=LA2LB2

Схема индуктивного моста позволяет осуществить дистанцион­ную передачу линейных перемещений. Однако усилие на прием­ной стороне весьма невелико. Например, выпускались приборы с катушками диаметром 65 мм, высотой 135 мм и массой 2,5 кг. При полном ходе в 30 мм обеспечивалось усилие в несколько сан-тиньютон на 1% полного хода сердечника. Такого усилия до­статочно лишь для перемещения стрелки в приемном при­боре.

Для получения значительно больших усилий схема индуктив­ного моста используется совместно с усилителем и электродвига­телем. Напряжение разбаланса моста снимается с измери­тельной диагонали моста и подается на вход усилителя, который питает электродвигатель, перемещающий (через редуктор) сер­дечник датчика Б до тех пор, пока не наступит баланс моста, т. е. =0.

§ 6.4. Трансформаторные датчики

Принцип действия трансформаторных датчиков основан на изменении коэффициента взаимоиндукции обмоток при переме­щении якоря. Они относятся к электромагнитным датчикам гене­раторного типа. ; Магнитные системы трансформаторных датчиков такие же, как и у рассмотренных в предыдущем параграфе индуктивных датчиков. От­личие заключается лишь в том, что до­бавляется еще обмотка, с которой и снимается выходной сигнал. Благода­ря этому в трансформаторных датчи­ках отсутствует непосредственная элек­трическая связь между цепью питания и измерительной цепью. Существует связь лишь за счет магнитного поля (трансформаторная связь), что позво­ляет выбором числа витков выходной обмотки получить любой уровень выходного напряжения.

На рис. 6.8 показан трансформаторный датчик с подвижным якорем. Обмотка возбуждения w1 питается напряжением U1, ко­торое создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Во вторичной обмотке w2 индуцируется ЭДС E2, значение кото­рой зависит от величины воздушного зазора б. Максимальная ЭДС Е2 получается при =0, поскольку при этом магнитное со­противление замкнутого магнитопровода минимально и по нему проходит максимальный магнитный поток Ф. С увеличением ! уменьшаются магнитный поток и соответствующая ему ЭДС E2.

 

 
 

 

Рис. 6.8. Трансформаторный датчик линейных перемещений

 

 

Такой датчик используется для измерения малых линейных пе ремещений, но имеет серьезный недостаток: зависимость ЭДС Е2 от перемещения якоря х нелинейна и не проходит через нуль.

На рис. 6.9, а показан трансформаторный датчик с поворот­ной обмоткой. Магнитопровод датчика не подвижен и состоит из ярма 1 и сердечника 2. Обмотка возбуждения wt размещена на ярме 1, запитана переменным напряжением Ut и создает в зазоре между ярмом 1и сердечником 2 переменный магнитный поток Ф, амплитудное значение которого неизменно. В зазоре с равномер­ным распределением индукции размещена поворотная рамка 3 с

 

 

 

 

Рис. 6.9. Трансформаторный датчик угловых перемещений

вторичной обмоткой w2, в которой индуцируется ЭДС Е2, являю­щаяся выходным сигналом датчика. В зависимости от угла по­ворота а Е2 изменяется от нуля (при =0 плоскость рамки раз­мещена вдоль направления магнитного потока) до максимально­го значения (при =90° плоскость рамки размещена поперек на­правления магнитного потока, весь магнитный поток сцеплен с витками вторичной обмотки w2). При изменении знака угла по­ворота а фаза ЭДС Е2 изменяется на 180°, т. е. датчик является реверсивным. В некотором диапазоне входного сигнала (угла по­ворота а) обеспечивается линейная зависимость E2=f( ). Стати­ческая характеристика трансформаторного датчика с поворотной обмоткой показана на рис. 6.9, б. Такие датчики получили рас­пространение для дистанционных передач показаний различных приборов под названием ферродинамических преобразователей. Недостатком ферродинамических преобразователей является за­висимость выходного сигнала от колебаний напряжения и часто­ты питания.

Если необходимо измерять большие угловые перемещения в одну сторону, то последовательно с вторичной обмоткой включа­ется дополнительная обмотка смещения wсм , размещенная на ярме 1. Потокосцепление ее неизменно; следовательно, в ней индуциру­ется ЭДС Есм с постоянным амплитудным значением. При после довательном соединении обмоток w2 и wсм ЭДС Е2 и Есм сумми­руются (с учетом фазы). Результирующая статическая характе­ристика датчика с обмоткой смещения показана на рис. 6.9, б.

Трансформаторные датчики с входным сигналом в виде угло­вого перемещения часто выполняют в виде электрических микро­машин, известных под названием «вращающиеся трансформато­ры» (ВТ). На статоре и роторе ВТ размещены по две взаимно перпендикулярные обмотки. Коэффициент взаимоиндукции ста-торных и роторных обмоток изменяется по синусоидальному зако-

       
   


 

Рис. 6.10. Синусно-косинуеный вращающийся Рис. 6.11. Линейный вращаю­щийся трансформатор

трансформатор

ну в зависимости от угла поворота а. В зависимости от схемы соединения обмоток различают синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и линейные вращающиеся трансформа­торы (Л ВТ).

Схема соединения обмоток СКВТ показана на рис. 6.10. На­пряжение питания Ui подано на одну обмотку статора. С ротор­ных обмоток снимаются два выходных сигнала U2 и U3, изменяю­щиеся соответственно по закону синуса и косинуса в функции уг­ла поворота ротора. Если роторные обмотки подключить к каким-нибудь измерительным цепям, то по обмоткам пойдут токи на­грузки. Под влиянием токов нагрузки синусная и косинусная за­висимости искажаются. Для устранения таких искажений выпол­няются так называемые операции симметрирования ВТ, заклю­чающиеся в подборе соответствующих сопротивлений R1 (первич­ное симметрирование) и R2, R3 {вторичное симметрирование).

Выходные напряжения вторичных напряжений СКВТ могут быть записаны в виде U2=kU1 sin a; U3=kUi cos а. Коэффици­ент пропорциональности k зависит от соотношения витков w2/w1 = ==w3/w1 и при выполнении симметрирования не зависит от уг­ла поворота а (обычно w2=w3).

Схема соединения обмоток ЛВТ показана на рис. 6.11. Зави­симость выходного напряжения U2 от угла поворота ротора имеет вид

 

Для малых углов а можно принять sin а cos l, и зави­симость £/г=/(а) принимает вид

т. е. выходное напряжение имеет линейную зависимость от угла а. Относительная приведенная погрешность ЛВТ при соответст­вующем выборе обмоточных данных в диапазоне углов а до 50° может не превышать 0,05%.

Для дистанционных передач угловых перемещений широко при­меняются также электромашинные элементы автоматики — сель-

сины. ини имеют однофазную об­
мотку на статоре и трехфазную
обмотку синхронизации на роторе
(возможно и обратное расположе­
ние обмоток). Сельсины могут ра­
ботать в индикаторном и транс­
форматорном
режимах. На пере­
дающей стороне устанавливается
сельсин-датчик, а на приемной —
сельсин-приемник, который дол­
жен автоматически повторять
угол поворота сельсина-датчика.
В индикаторной схеме (рис.
6.12) обмотки возбуждения сель­
сина-датчика и сельсина-приемни­
ка подключаются к сети перемен-

ного тока, а обмотки синхронизации обоих сельсинов соединяются друг с другом проводами линий связи. ЭДС в каждой из фаз об­мотки синхронизаци изменяется пропорционально косинусу угла между осью обмотки возбуждения и осью этой фазы. ЭДС фаз син­хронизации датчика, ротор которого повернут на угол а, будут оп­ределяться уравнениями

 
 

 

 


ЭДС фаз синхронизации приемника, ротор которого повернут на угол р, будут определяться уравнениями

Под действием разности этих ЭДС по проводам линии связи меж­ду обмотками синхронизации пойдут токи





где z — сопротивление фаз приемника, датчика и линии связи. В сельсине-приемнике взаимодействие этих токов с магнитным потоком возбуждения вызывает появление вращающего момента


 

 

где ku — постоянный коэффициент, определяемый обмоточными и конструктивными данными сельсина.

Под действием этого момента сельсин-приемник поворачива­ется в то же положение, что и датчик, поскольку только при вращающий момент становится равным нулю. Вращающий момент воздействует и на вал сельсина-датчика, однако его угол поворота задан механизмом или чувствительным элементом, угло­вое перемещение которого подлежит контролю. Для сельсинной индикаторной схемы очень важной характеристикой является ве­личина удельного синхронизирующего момента, т. е. момента на 1° рассогласования. Для сельсинов, используемых в промышлен­ности, эта величина составляет (40-50) 10-4 Нм.

Для повышения вращающего момента используется трансфор­маторная схема включения сельсинов. В этой схеме обмотка воз­буждения сельсина-приемника не подключается к сети, а с нее снимается напряжение, которое пропорционально синусу угла рас­согласования. Это напряжение подается на усилитель, который питает электродвигатель, приводящий через редуктор сельсин-при­емник в согласованное с сельсином-датчиком положение. Одновре­менно устанавливается в требуемое положение и нагрузка — тот производственный механизм, угловым перемещением которого тре­буется управлять на расстоянии. Такие автоматические устройст­ва называются следящими системами: приемник как бы «следитэ за датчиком.

Наряду с контактными сельсинами большое распространение получили бесконтактные сельсины. В контактных сельсинах под­ключение обмоток ротора во внешнюю цепь осуществляется с по­мощью контактных колец и щеток. В бесконтактных сельсинах обмотки возбуждения и синхронизации размещены на статоре, а изменение магнитной связи между ними по синусоидальному закону обеспечивается с помощью безобмоточного ротора с неоди­наковым магнитным сопротивлением по взаимно перпендикуляр ным осям. Надежность бесконтактных сельсинов существенно вы­ше, чем контактных.

Трансформаторные датчики, так же как и индуктивные, часто используют с дифференциальной схемой включения обмоток. Ес­ли в дифференциальном индуктивном датчике с подвижным яко­рем использовалось два одинарных индуктивных датчика (см. рис. 6.3), а следовательно, и два сердечника, то в дифференциальном трансформаторном датчике возможно использование общего сер­дечника.

На рис. 6.13, а показана схема дифференциально-трансформа­торного датчика с общим сердечником 1 и подвижным якорем 2, перемещающимися в горизонтальном направлении.

Сердечник Ш-образной формы набирается из тонких (толщи­ной 0,5 или 0,35 мм) листов электротехнической стали. На сред­нем сердечнике размещена первичная обмотка w1 на двух край­них— вторичные обмотки w2, которые включены .встречно. Пер­вичная обмотка w1 включается на напряжение переменного тока и создает магнитный поток Ф. Этот поток проходит через сред­ний стержень и разветвляется в правый и левый сердечники про­порционально магнитным проводимостям зазоров под этими стержнями.

Магнитная проводимость воздушного зазора пропорциональна площади зазора s и обратно пропорциональна его длине При перемещении якоря в горизонтальном направлении (рис. 6.13) изменяется не длина зазора, а его площадь s. При симметричном расположении якоря относительно сердечника маг­нитная проводимость зазора под левым стержнем сердечника (О]) равна проводимости под правым стержнем (Ga). Следова­тельно, одинаковы и магнитные потоки в стержнях, и соответст­вующие им ЭДС во вторичных обмотках: E1=E2.

Выходной сигнал датчика формируется в виде разности этих ЭДС, которая в данном случае равна нулю. При смещении сердечника под одним стержнем площадь зазора и соответствующая магнитная проводи­мость возрастают, а под другим — уменьшаются. Например, при перемещении якоря влево G1>G2 и через левый стержень прохо­дит больший магнитный поток, чем через правый. Соответственно ЭДС вторичной обмотки на левом стержне становится больше ЭДС вторичной обмотки правого стержня: E,1>E2. Выходной сиг­нал датчика UВых1-Е2. При изменении направления смещения

якоря относительно среднего положения фаза выходного сигна­ла меняется на 180°. Статическая характеристика дифференци­ально-трансформаторного датчика показана па рис. 6.13, б.

Дифференциалыю-трансформаторпьш датчик плунжерного ти­па показан на рис. 6.14, а, б. На общем изоляционном каркасе размещены три катушечные обмотки: первичная w1 и две вторич­ные w2' и w2". Обе вторичные обмотки одинаковы, имеют одно и тоже число витков, намотаны проводом одного и того же диа­метра. Внутри катушек перемещается цилиндрический сердечник (плунжер) из ферромагнитного материала. Обмотка w\ включена на напряжение переменного тока. Выходное напряжение снимает­ся со встречно включенных обмоток w2' и w2". При нейтральном (среднем) положении сердечника наведенные во вторичных об­мотках ЭДС равны 2'—Е2") и выходное напряжение U= Е2'-Е2"=0 При смещении сердечника от среднего положения равенство ЭДС нарушается и появляется выходное напряжение. Например, при перемещении сердечника вверх возрастает Е2' и убывает Е2". При перемещении сердечника вниз фаза выходного сигнала изменяется на 180°. Статическая характеристика имеет та­кой же вид, как и для других конструкций дифференциально-трансформаторных датчиков (см. рис. 6.13, б). Дифференциально-трансформаторный датчик плунжерного типа может быть выпол­нен с разделительной трубкой (см, рис. 6.6), т. е. позволяет по­лучить выходной сигнал о перемещении из зоны, где могут быть высокая температура, высокое давление или вакуум, вредные па­ры или излучение и т. п.

Дифференциально-трансформаторные датчики могут работать в широком диапазоне перемещений: от малых долей миллиметра до десятков сантиметров. Они имеют высокую чувствительность, точность и надежность. Для питания датчиков обычно использу­ется сеть с промышленной частотой 50 Гц, но можно использовать и источники повышенной частоты (до 10 кГц), что позволяет по­высить чувствительность и коэффициент преобразования.

Магнитоупругие датчики

Принцип действия магнитоупругих датчиков основан на магнитоупругом эффекте — физическом явлении, проявляющемся в виде изменения магнитной проницаемости ферромагнитного ма­териала в зависимости от механических напряжений в нем. Маг­нитоупругие датчики используются для измерения силовых пара­метров: усилий, давлений, крутящих и изгибающих моментов, ме­ханических напряжений и т. п.

конструктивно магнитоупругие датчики представляют магни-топровод с одной или несколькими обмотками. Магнитное сопро­тивление сердечника , где l и 5 — длина и площадь се­чения сердечника. Если к сердечнику приложено механическое усилие F, то магнитная проницаемость р изменится. Следователь­но, изменятся и магнитное сопротивление сердечника, и индуктив­ность обмотки на сердечнике. Как видим, есть аналогия с индук­тивными датчиками. В индуктивных датчиках также происходит изменение магнитного сопротивления, но за счет длины или сече­ния воздушного зазора. В магнитоупругих датчиках зазор не ну­жен, сердечники могут быть замкнутыми.

Так же как и индуктивные датчики, магнитоупругие датчики могут быть использованы в виде одинарных (рис. 6.15, а), транс­форматорных (рис. 6.15, б), дифференциально-трансформаторных (рис. 6.15, в).

Зависимость магнитной проницаемости от механических на­пряжений имеет нелинейный характер. Связано это как с нели­нейностью кривой намагничивания, так и с нелинейной зависимо­стью деформаций от усилия. Нелинейность магнитоупругого эф­фекта выражена очень сильно. Например, в слабых магнитных полях магнитная проницаемость под действием механических на­пряжений возрастает, а в сильных полях — уменьшается. Однако при определенных значениях напряженности магнитного поля Н

Чувствительность магнитоупругого датчика определяется по формуле


к линейной зависимость изменения маг­нитной проницаемости . сердечника от относительной деформации или нор­мального механического напряжения в зоне линейных деформаций. Наиболее заметен магнитоупругий эффект в пер-маллоевых (железокобальтовых и желе-зоникелевых) сплавах. На рис. 6.16 по­казана зависимость относительной маг­нитной проницаемости от измене­ния механического напряжения . Отно­сительная деформация в зоне упру­гих деформаций связана с механическим напряжением а через модуль упруго­сти Е:

она может достигать значений 200—300. Зависимость индуктивно­сти от механического напряжения в для магнитоупругого датчика по рис. 6.15, а показана на рис. 6.17.

В магнитоупругих датчиках, используемых в тензометрах, маг-нитопровод имеет отверстия, в которые наматываются обмотки. На рис. 6.18 показан магнитоупругий датчик с взаимно перпен­дикулярными обмотками. Первичная обмотка, проходящая через отверстия 1 и 2, при отсутствии механической нагрузки (F=0) создает магнитный поток Ф0, не сцепленный с витками вторичной обмотки, проходящей через отверстия 3 и 4.

Под действием усилия F в основном изменяется магнитная про­ницаемость в направлении сжатия, что вызывает поворот вектора магнитной индукции на угол а и одновременно изменение магнит­ного потока ФF. Этот поток уже пересекает плоскость вторичной обмотки, на выходе которой появляется ЭДС Е2.

Если до приложения усилия магнитный материал был изотро­пен (имел одинаковые магнитные свойства во всех направлениях), то при наличии усилия материал становится анизотропным. Угол поворота а вектора магнитной индукции достигает 10—12°.

К достоинствам магнитоупругих датчиков следует отнести вы­сокую чувствительность и возможность измерения больших уси­лий (до нескольких тысяч тонн). В то же время магнитоупругие датчики имеют и следующие серьезные недостатки: 1) наличие температурной погрешности, вызванной влиянием температуры ок-

ружающей среды на магнитные свойства сердечника; 2) наличие погрешности, вызванной влиянием гистерезиса (как магнитного, так и механического, связанного с остаточной деформацией); 3) наличие погрешности, вызванной колебаниями напряжения пита­ния.

Следует отметить, что в магнитоупругих датчиках имеет место и еще одно физическое явление — магнитострикционный эффект. Его действие обратно магнитоупругому эффекту: ферромагнитное тело, помещенное в магнитное поле, изменяет свои геометриче­ские размеры, т. е. в нем появляются механические деформации.

В переменном магнитном поле и деформации будут перемен­ными. А так как знак деформации не зависит от направления магнитного поля, то частота колебаний деформации будет в два раза выше частоты переменного тока. На этом принципе работа­ют, например, магиитострикционные излучатели ультразвуковых колебаний.

Индукционные датчики

Индукционные датчики предназначены для преобразо­вания скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они от­носятся к датчикам генераторного типа. Принцип действия индук датчиков основан на законе электромагнитной индукции. Выходным сигналом индукционных датчиков является ЭДС, кото­рая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, про­низывающего витки катушки. Это изменение происходит за счет перемещения катушки в постоянном магнитном поле или за счет вращения ферромагнитного индуктора относительно неподвижной катушки.

Основным отличием индукционных датчиков от индуктивных является то, что в них используется постоянное магнитное поле, а не переменное (питание индуктивных датчиков осуществляется от

 
 

 


сети переменного тока). Постоянное магнитное поле в индукцион­ных датчиках создается двумя способами: постоянными магнита­ми или катушкой, обтекаемой постоянным током.

На рис. 6.19, а показана схема датчика с обмоткой ш2, разме­щенной в воздушном зазоре, в котором постоянный магнитный по­ток Ф создается катушкой шь включенной на постоянное напряже­ние . При перемещении катушки в магнитном поле в ней инду­цируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения: Е =

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий

от числа витков w2 и конструктивных параметров датчика.

На рис. 6.19, б показан датчик, в котором постоянный магнит­ный поток создается с помощью постоянного магнита с полюсными наконечниками. ЭДС, индуцируемая во вращающейся катушке, пропорциональна скорости вращения й:

В обоих этих датчиках катушки подвижны, поэтому для отвода от них выходного сигнала (ЭДС) необходимы гибкие токоподводы или контактные кольца со щетками.

 


 

Индукционный датчик может быть выполнен и другой конструк­ции: с неподвижной катушкой и вращающимся постоянным магни­том (рис. 6.19, в). Надежность при этом повышается за счет отсут-вия скользящего контакта.

Возможен и другой способ повышения надежности датчика по схеме рис. 6.19, б: и катушка, и постоянный магнит неподвижны, а в зазоре между ними вращается ферромагнитное кольцо с выреза­ми (рис. 6.19, г) или иной элемент, имеющий существенно разную магнитную проводимость по взаимно перпендикулярным осям. Пои

вращении изменяется поток, пронизывающий плоскость ка­тушки.

В датчиках (рис. 6.19, б, в, г) в кач

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-20

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...