Электромагнитные преобразователи

Электромагнитные преобразователи достаточно широко применяются в научных исследованиях и технике для решения самых разнообразных задач измерений механических величин [67,68]. Принято выделять несколько разновидностей электромагнитных преобразователей.

К первой группе относят параметрические преобразователи, имеющие функции преобразования двух типов:

,

где L – индуктивность обмотки преобразователя;

W – число витков обмотки;

Zм – магнитное сопротивление;

и ,

где M – взаимная индуктивность обмоток преобразователя;

W₁ , W₂ – число витков обмоток;

Zм – магнитное сопротивление;

Соответственно преобразователи, реализующие эти функции, называют индуктивными и трансформаторными. Изменение индуктивности или взаимной индуктивности осуществляется за счет изменения различных параметров, от которых зависит магнитное сопротивление Zм.

Например, такими параметрами могут являться длины d или площади s воздушного зазора (рисунок а, б):

1, 4, – катушка; 2, 5 – сердечник; 3, 6 – якорь;

d - длина зазора; s – площадь зазора

Существует еще одна разновидность датчиков этого типа с разомкнутым магнитным полем – соленоидные (рисунок в). Индуктивность этих преобразователей изменяется вследствие перемещения ферромагнитного сердечника внутри катушки.

7 – катушка; 8 – каркас; 9 – сердечник

Существуют магнитоупругие преобразователи (индуктивные или трансформаторные), у которых при деформации ферромагнитного сердечника изменяется его магнитная проницаемость m и, как следствие – магнитное сопротивление цепи.

Ко второй группе относятся генераторные преобразователи, принцип действия которых основан на законе электромагнитной индукции:

Преобразователи такого типа называются индукционными, ЭДС пропорциональна изменению магнитного потока dФ / dt при движении катушки в постоянном магнитном поле.

Примером индукционного преобразователя с неподвижной катушкой могут служить датчики угла поворота или частоты вращения, применяемые в автомобилях. Такой датчик состоит из постоянного магнита с электрической обмоткой и зубчатого диска. При вращении диска напротив магнита оказывается то зуб, то впадина, что приводит к изменению магнитного потока в системе магнит-диск. В результате в обмотке индуцируется переменная ЭДС, частота которой пропорциональна частоте вращения диска, умноженной на число зубьев.

Рассмотрим отдельные примеры современных преобразователей, действие которых основано на электромагнитных явлениях.

Линейные дифференциальные трансформаторы

Линейные дифференциальные трансформаторы (ЛДТ) являются точным и надежным средством для измерения линейного перемещения. ЛДТ широко используются в современной механообработке, робототехнике, авиации и компьютеризированном производстве. ЛДТ известны давно, во время второй мировой войны применялись в военной технике (в авиации, в торпедах и системах управления оружием).

ЛДТ (см. Рис.6.2) являются датчиками, у которых выходное напряжение пропорционально положению перемещающегося ферромагнитного сердечника. Сердечник перемещается вдоль оси внутри трансформатора, состоящего из центральной (первичной) обмотки и двух вторичных обмоток цилиндрической формы.

Первичная обмотка возбуждается источником переменного напряжения (частота обычно составляет несколько КГц), наводя при этом во вторичных обмотках напряжения, которые меняются с изменением положения магнитного сердечника внутри сборки. Обычно, сердечник снабжается изнутри резьбой, для того чтобы облегчить крепление немагнитного штока, который в свою очередь прикрепляется к объекту, перемещение и смещение которого будет измеряться. Вторичные обмотки наматываются встречно, и когда сердечник находится в центре, напряжения на вторичных обмотках равны и противоположны по знаку, а выходное результирующее напряжение равно нулю. Когда сердечник смещается от центра, напряжение во вторичной обмотке, в сторону которой этот сердечник смещается, возрастает, в то время как напряжение на противоположной обмотке уменьшается.

В результате выходное дифференциальное напряжение меняется линейно в зависимости от положения сердечника. Линейность такой системы в рабочем диапазоне перемещения сердечника весьма высока: 0.5 % или лучше. ЛДТ обеспечивает хорошую точность, линейность, чувствительность и разрешение, обладает высокой жесткостью, работает без трения элементов преобразователя.

ЛДТ обладает широким спектром диапазонов измерения перемещения, обычно от ± (0,01 … 250) мм. Типовые значения напряжения возбуждения 1 … 24 В, частота - 50 … 20000 Гц.

В реальности истинного нулевого значения выходного напряжения при расположении сердечника в центре не будет вследствие рассогласования вторичных обмоток и наличия индуктивности рассеяния. Кроме того, простое измерение выходного напряжения не дает информацию о том, в какую сторону от нулевой позиции движется сердечник.

Поэтому используют цепь преобразования измерительного сигнала, которая устраняет перечисленные проблемы. Величины выходных напряжений А и В вычитаются и определяется знак перемещения измерительного штока от центрального положения.

В данном устройстве используется прецизионный выпрямитель, работу которого схематично поясняет рисунок.

Сигнал подается на преобразователь напряжение/ток (ПНТ), с выхода которого подается на вход аналогового умножителя. Знак входного сигнала определяется компаратором, выход которого изменяет знак выходного сигнала умножителя (умножение на =/- 1). Результирующее выходное напряжение является точной копией абсолютной величины входного напряжения.

Известной фирмой Analog Devices выпускается микросхема AD598 индустриального стандарта, которая выполняет всю необходимую обработку сигналов, поступающих с ЛДТ.

С помощью внешнего конденсатора можно менять частоту возбуждения внутреннего генератора от 20 Гц до 20 КГц. Для формирования функции [А - В]/[А + В] используются специальные аналоговые цепи. Отметим, что данная функция не зависит от амплитуды напряжения возбуждения на первичной обмотке из условия, что сумма выходных напряжений ЛДТ остается постоянной по всему рабочему диапазону.

Бесконтактные индуктивные преобразователи

Одной из разновидностей рассматриваемых типов преобразователей являются бесконтактные индуктивные преобразователи, два конструктивных варианта которых схематично представлены на рисунке ( а, б ). Отличаются эти варианты друг от друга исполнением активных элементов.

Основой этих элементов являются катушки, намотанные, в первом случае, на тороидальных ферромагнитных сердечниках (а), во втором – на цилиндрических каркасах, внутри которых находятся ферромагнитные вставки (б). Указанные элементы размещены в диэлектрическом корпусе 3, который, в свою очередь, закреплен в металлическом корпусе 4.

С тыльной стороны датчика имеются винты 5, которые используются при настройке измерительной системы. Конфигурация корпуса 4 датчиков может быть различной, в зависимости от конкретных условий применения.

Бесконтактные индуктивные датчики могут применяться в различных измерительных схемах. Катушки датчика включаются в схему моста переменного тока, при этом магнитное поле катушки, размещенной в передней части датчика взаимодействует с контролируемой поверхностью, а вторая катушка, включенная в смежное плечо моста выполняет роль термокомпенсатора. При этом реализуется схема, при которой изменение воздушного зазора между рабочим торцом датчика и контролируемой поверхностью приводит к изменению индуктивности активного элемента датчика и к пропорциональному изменению сигнала на выходе моста переменного тока. Описываемые датчики могут применяться для контроля динамических процессов, например, виброперемещений, или затухающих колебаний конструкции.

Контролируемая поверхность поверхность должна быть металлической (например, сталь, чугун, алюминий). Должна быть выполнена калибровка измерительной системы применительно к условиям измерений.

Датчики Холла

В настоящее время очень широко применяются интегральные датчики магнитного поля, использующие эффект, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E. Hall) в 1879 г.

Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла.

Для прямоугольной пластины с однородными током и магнитным полем, направленными, как показано на рис., эта э.д.с. равна:

где k_н – постоянная Холла, V_S – напряжение, создаваемое на токоподводящих выводах датчика Холла, B – магнитная индукция. Для кремния k_н составляет величину по рядка 70 мВ/(В•Тл). ЭДС датчика Холла требуется, как правило, усиливать.