Линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (ЛРДТ) и поворотно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (ПРДТ)

Некоторые датчики положения и перемещений используют принцип электромаг­нитной индукции. При движении объекта между двумя катушками меняется маг­нитный поток. Это изменение потока может быть преобразовано в напряжение. Индуктивные датчики, в которых для изменения сопротивления магнитного кон­тура используются различные ферромагнитные материалы, называются преобра­зователями магнитного сопротивления [4]. Индукционный преобразователь, как правило, состоит из двух катушек: первичной и вторичной. На первичную катуш­ку подается переменное опорное напряжение V_ref индуцирующее переменное на­пряжение V_out,во вторичной катушке (рис. 7.9). Амплитуда V_out зависит от величи­ны потокосцепления между двумя катушками. Существует два способа измене­ния потокосцепления. Один из них — перемещение объекта, изготовленного из ферромагнитного материала, внутри магнитного контура. Это приводит к изме­нению магнитного сопротивления между катушками, что, в свою очередь, вызы­вает изменение потокосцепления. На этом принципе реализуются ЛРДТ, ПРДТ и индуктивные датчики приближения. Другой метод заключается в физическом пе­ремещении одной катушки относительно другой.

ЛРДТ — это трансформатор с механически управляемым сердечником. На его первичную обмотку подается синусоидальное напряжение постоянной амплитуды. Применение синусоидального сигнала позволяет избавиться от паразитных гармоник [5]. На вторичных обмотках индуцируется переменное напря­жение. В цилиндрическое отверстие между катушками вставляется сердечник из ферромагнитного материала. При этом сердечник не касается обмоток. Две вторичные обмотки включены в противофазе. Когда сердечник рас­положен в центре трансформатора, выходные сигналы вторичных катушек взаимно уничтожают друг друга, по­этому на выходе трансформатора нет никакого напряже­ния. Перемещение сердечника в сторону от центрального положения приводит к изменению магнитных потоков во вторичных обмотках. В результате возникшего разбаланса появляется выходное напряжение. Изменение магнитных потоков происходит за счет изменения магнитных

7.4. Индуктивные и магнитные датчики

сопротивлений пространства между катушками. Из всего вышесказанного следует, что величина потокосцепления определяется осевым положением сердечника. В линейной рабочей области в стационарном режиме амплитуда индуцированного сигнала пропорциональна смещению сердечника. Поэтому выходное напряжение может служить мерой перемещения. Выходной сигнал ЛРДТ не только показывает величину перемещения, но и его направление. Направление перемещения опреде­ляется фазовым углом между опорным и выходным напряжением. Опорное напря­жение вырабатывается стабилизированным генератором. На рис. 7.10 показан ЛРДТ, соединенный с синхронным демодулятором, используемым для выпрямления си­нусоидального сигнала и представления его в виде выходного постоянного напря­жения. Синхронный демодулятор состоит из аналогового мультиплексора и детек­тора пересечения нулевого уровня, преобразующего синусоидальный сигнал в пря­моугольные импульсы, управляющие мультиплексором. Фаза сигнала детектора настраивается так, чтобы при нахождении сердечника в центральном положении выходное напряжение равнялось нулю. Выходной усилитель преобразует выход­ной сигнал к виду, совместимому с последующими схемами. Величина напряжения на выходе устройства соответствует расстоянию от сердечника до центральной точ­ки, а его знак — направлению смещения.

Для точного опре деления величины перемещений частота генератора долж­на быть, по крайней мере, на порядок выше максимальной частоты движения. При медленно меняющихся процессах стабилизированный генератор можно за­менить подсоединением к сети, частота которой равна либо 60, либо 50 Гц.

ЛРДТ и ПРДТ обладают следующими достоинствами:

1. Датчики, реализованные на их основе, являются бесконтактными устройства­ми, с практически нулевыми потерями на трение.

2. Незначительным гистерезисом как магнитным, так и механическим.

3. Очень низким выходными импедансом.

4. Высокой помехоустойчивостью.

Глава 7. Детекторы положения, перемещений и уровня

5. Прочной и надежной конструкцией.

6. Очень высокой разрешающей способностью.

Примером датчиков перемещений на основе ЛРДТ является так называемая измерительная головка, применяемая во многих видах тестового оборудования. В таких системах внутренний сердечник ЛРДТ подвешен на пружине, возвращаю­щей измерительную головку в исходное положение.

ПРДТ работают на том же принципе, что и ЛРДТ, за исключением того, что в них используются вращающиеся сердечники. Основное применение ПРДТ — из­мерение угловых перемещений. Линейный диапазон измерений таких датчиков составляет порядка ±40° с погрешностью нелинейности около 1%.

Вихретоковые датчики

На рис. 7.11А показан датчик, состоящий из двух катушек, использующий вихре­вые токи для детектирования приближения объектов из немагнитных, но прово­дящих материалов. Одна из катушек является эталонной, а другая — чувствитель­ной, реагирующей на вихревые токи, индуцируемые в проводящем объекте. Вих­ревые (круговые) токи формируют магнитное поле, направленное навстречу полю чувствительной катушки, приводящее к разбалансу между двумя катушками. Чем ближе объект придвигается к катушке, тем больше изменяется магнитное сопро­тивление. Толщина слоя, в котором циркулируют вихревые токи, определяется следующим выражением:

гдеƒ— частота, а σ— удельная проводимость объекта. Для эффективной работы датчика толщина объекта должна быть больше величины δ. Очевидно, что вихре­токовые детекторы не следует применять для работы с металлизированными плен­ками и фольгой. Обычно зависимость между импедансом катушки и расстоянием до объекта х является нелинейной и температурочувствительной. Диапазон рабо­чих частот вихретоковых детекторов лежит в диапазоне 50 кГц... 10 МГц.

Рис.7.11. А— электромаг­нитный датчик прибли­жения, Б — экранирован­ный датчик, В — неэкра-нированный датчик

7.4. Индуктивные и магнитные датчики 291

На рис. 7.11Б и 7.11Впоказаны две конфигурации вихретоковых датчиков: с эк­ранированием и без. В состав экранированного датчика входит металлический ко­жух вокруг ферритового сердечника и катушек. Он фокусирует электромагнитное поле на переднюю часть датчика. Это позволяет встраивать датчики такого типа в метал­лические структуры без изменения диапазона измерений. Неэкранированный дат­чик обладает чувствительностью к перемещению не только с переднего конца, но и с боковых сторон. Поэтому диапазон измерения неэкранированного датчика несколько выше, чем у экранированного точно такого же диаметра. Для корректной работы в окружении неэкранированного датчика не должно быть металлических объектов.

Вихретоковые датчики могут не только определять положение объектов, но также измерять толщину материалов, толщину непроводящих покрытий, удельную прово­димость и дефекты в изделиях. Дефектоскопия — это наиболее популярная область применения датчиков данного типа. В некоторых случаях используются не две, а боль­шее число катушек: одна часть из них имеет очень маленький диаметр (2-3 мм), а дру­гая — довольно большой (25 мм). Некоторые производители изготавливают вихретоко­вые детекторы с уникальными характеристиками под конкретные заказы (например, Staveley instruments, Inc.Kennewick, WA). Главное достоинство таких электромагнит­ных детекторов заключается в том, что они не нуждаются в магнитных материалах, и за счет этого они могут работать достаточно эффективно при высоких температурах (зна­чительно превышающих температуру Кюри для магнитных материалов), поэтому они часто применяются для измерения уровней расплавленных металлов и других прово­дящих жидкостей. Другое достоинство вихретоковых датчиков — отсутствие механи­ческой связи с объектом, поэтому нагрузка практически никак не влияет на их работу.

Поиск по сайту: