Предлагаем Вам ознакомиться с физическими основами работы производства компании RDP Electronics Ltd (United Kingdom), с их основными параметрами, преимуществами и сферами применения.
Сам термин LVDT (Linear Variable Differential Transformer) - означает линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи.
Рассмотрим принцип работы датчиков на LVDT технологии.
Первичная возбуждающая обмотка
Вторичная обмотка 1
Вторичная обмотка 2
Результирующий сигнал от суммы вторичных обмоток
В принципе имеется две схемы работы - с выходным напряжением и выходным током.
|
Схема работы с выходным током (4-20мА) |
 |
Рассмотрим более детально сам процесс измерения перемещения.
Датчик перемещения, работающий по технологии LVDT, состоит из трех обмоток трансформатора - одной первичной и двух вторичных. Степень передачи тока между первичной и двумя вторичными обмотками определяется положением подвижного магнитного сердечника, штока. Вторичные обмотки трансформатора соединены в противофазе.
При нахождении штока в середине трансформатора, напряжение на двух вторичных обмотках равны по амплитуде, а т. к. они соединены противофазно, суммарное напряжение на выходе равно нулю - перемещения нет.
Если шток перемещается от серединного положения в какую либо сторону - происходит увеличение напряжения в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. В результате суммарное напряжение будет не нулевым - датчик будет фиксировать смещение штока.
Соотношение выходной фазы сигнала по сравнению с фазой возбуждающего сигнала дает возможность электронике понять, в какой части обмотки находится в данный момент шток.
Основная особенность принципа работы индуктивных датчиков перемещения состоит в том, что прямой электрический контакт между чувствительным элементом и трансформатором отсутствует (связь осуществляется через магнитное поле), что дает пользователям абсолютные данные по перемещению, теоретически бесконечную точность разрешения и очень долгий срок службы датчика.
Особенности схемы работы с выходным током - т. к. цепь генератор/демодулятор встроена в сам датчик перемещения и питается от выходного тока 4-20 мА, то нет необходимости во внешнем оборудовании для формирования сигнала.
Особенности схемы работы с выходным напряжением - цепь генератор/демодулятор, встроенная в датчик перемещения обеспечивает возбуждение и преобразует сигнал обратной связи в напряжение постоянного тока. При этом так же не требуется внешнее оборудование для формирования сигнала.
Особенности измерения выходного сигнала.
1) Если выходное напряжение измеряется не фазочувствительным (среднеквадратичным) вольтметром, то отклонение штока в любую сторону от центрального положения в трансформаторе датчика будет соответствовать увеличению выходного напряжения.
Заметим, что кривая не касается горизонтальной оси. Это происходит из-за остаточного выходного напряжения.
2) Если используется фазочувствительная демодуляция, то по выходному сигналу можно судить, в какой части трансформатора находится шток в данный момент.
Для формирования сигнала всегда используется фазочувствительная демодуляция, т.к. это исключает влияние на выходной сигнал остаточного выходного напряжения и позволяет пользователю знать положение штока в трансформаторе.
Если мы рассмотрим выходную кривую вне механического диапазона типичного LVDT датчика, то можно заметить, что на краях диапазона кривая изгибается. Это значит, что механический диапазон существенно шире линейного участка работы.
При калибровке датчика, важно, что электрическая нулевая точка используется в качестве ссылки, и что датчик используется в пределах ± FS (полного диапазона) вокруг электрического нулевом положения.
Если проводить калибровку не беря за основу точку ноля вольт, одно из положений полного диапазона будет за пределами линейного диапазона и, следовательно, может привести к ошибке линейности.
Типы индуктивных датчиков перемещения
Несвязанные преобразователи, которые имеют якорь, который отделен от тела корпуса. Части датчика должны быть установлены таким образом, что якорь не прикасался к внутренней трубке корпуса. Сделав это, можно получить абсолютное отсутствие трения при движении чувствительного элемента датчика.
Монолитные преобразователи, которые имеют тефлоновый подшипник, который направляет якорь (шток) по внутренней трубке.
Монолитные преобразователи с возвратной пружиной, которая толкает якорь (шток) наружу.
Внутреннее строение типичного индуктивного датчика перемещения LVDT
Преимущества индуктивных датчиков перемещения LVDT
1. Преимущества над линейными потенциометрами (POTS).
- Не имеют контакта корпуса и внутренних деталей с чувствительным элементом, что означает, что нет никакого износа при движении штока. POTS датчики имеют контакт с чувствительным элементом и могут быстро изнашиваются, особенно под воздействием вибрации.
- Можно легко обеспечить защиту от влаги и пыли на требуемом уровне, даже стандартные версии LVDT датчиков обычно имеют гораздо лучший уровень защиты от внешний воздействий, чем POTS.
- Вибрация не вызывает влияния на пропадание сигнала, в отличие от POTS, где скользящий бегунок может прервать контакт с проводником при вибрации.
2. Преимущества над магнитострикционными датчиками.
3. Преимущества над кодерами (датчиками положения).
- Имеют лучший аналоговый частотный отклик.
- Имеют более прочный корпус.
- Сразу после включения «знают» положение штока, в отличии от кодеров, которым надо указывать постоянную ссылку на известное положение.
4. Преимущества над переменными векторными резистивными преобразователями (VRVT)
- Имеют меньший диаметр корпуса.
- Более прочные и не изнашиваются.
- Могут использоваться значительно дольше.
5. Преимущества над линейными емкостными датчиками
- LVDT датчики как правило более дешевы.
- Менее восприимчивы к внешним условиям эксплуатации.
- Значительно более прочные.
Особенности индуктивных датчиков перемещения LVDT
- Максимальная рабочая температура 600°C.
- Минимальная рабочая температура –220°C (для справки, температура жидкого азота -196°C, температура жидкого гелия -269°С).
- Могут работать при уровне радиации 100,000 рад.
- Могут работать при давлении 200Бар.
- Могут работать под водой, при этом вода может попадать внутрь датчика не причиняя ему вреда. Существует специальная серия подводных датчиков, которые могут без тех. осмотра работать под водов в течении 10-ти лет, работать под водой на глубине до 2,2км. Кабельные разъемы могут подсоединяться так же под водой.
Основные сферы применения LVDT датчиков
Промышленные измерительные системы
- Регулирующие вентили - везде, где существуют регулирующие вентили индуктивные датчики перемещения могут быть использованы для контроля положения штока вентиля. Особенно, где есть ответственные участки работы, например, в клапанах пара для турбин на электростанциях.
- Контроль положения шлюзов - погружные датчики перемещения подходят для измерения положения шлюзов в водохозяйственных и канализационных системах.
- Измерение зазора между валками.
Для поддержания равномерной толщины проката зазор между валками часто измеряется на обоих концах. - Контроль перемещения штоков вентилей на подводных нефте/газо проводах.
- Контроль работы гидравлических активаторов - измерение перемещения объекта, который передвигает активатор. Благодаря очен высокой износостойкости, данные LVDT датчики перемещения могут выдерживать миллионы циклов перемещения.
- Контроль положения/перемещения режущих инструментов, отрезающих рулонные материалы.
- Измеряет положение/смещение роликов, которые используется для выпрямления полосового проката перед штамповкой.
- Могут быть использованы для динамического измерения размеров (диаметров) рулонов продукта, например, инициировать сигнал к системе управления, когда рулон достигает максимального/минимального размера при наматывании/сматывании материала.
Станки
- Могут быть использованы в испытательных приспособлениях для измерения круглости, плоскостности и т.д. частей машин для анализа качества их изготовления.
- Могут быть использованы для оценки и контроля взаимного расположения компонентов деталей в сборке, когда требуется юстировка/подгонка размеров взаимного расположения деталей.
Авиация/космонавтика
- Могут быть использованы для оценки реакции привода на действие активатора. Например, преобразователь измеряет положение отклонения закрылков крыла самолета при техническом обслуживании. Тут очень важно измерить скорость срабатывания активатора после подачи на него управляющего сигнала, а так же скорость изменения положения закрылков.
- Анализ Ротора вертолета
Датчики LVDT используются на вертолетах, чтобы измерить угол наклона лопастей ротора. - Могут быть использованы для оценки смещения корпуса двигателя при нагревании.
- Могут быть использованы для измерения смещения (деформации) лопасти турбины при внешнем воздействии.
- Могут быть использованы для измерения отклонения диафрагмы сопла реактивного двигателя.
- Могут быть использованы для
Строительство / Проектирование зданий и сооружений
- Могут быть использованы для измерения вибрации или деформации мостов при изменении трафика движения или порывов ветра.
- Могут быть использованы для измерения смещения грунта при строительстве, контроля оползней и насыпных дамб.
- Могут быть использованы при испытании крупногабаритных строительных конструкций, балок, пролетов моста и т. д. на силовую деформацию.
Автомобилестроение
- Могут быть использованы для контроля смещения корпуса двигателя при его испытаниях.
- Идеальным применением LVDT датчиков может быть тестирование компонентов подвески автотранспорта.
- Могут быть использованы для контроля изготовления прецизионных компонентов.
- Могут быть использованы для настройки компонентов двигателя, таких как дизельные форсунки.
- Могут быть использованы для тестирования , дверей, педалей и ручек транспортных средств для моделирования продления их срока службы.
- Могут быть использованы для измерения профиля поверхности заготовки, например стекла или других площадных объектов.
Выработка энергии
- Могут быть использованы для измерения биения вала турбины.
- Могут быть использованы для контроля положения главного парового клапана, который регулирует поток пара в турбину. Клапан постоянно корректирует свое положения для поддержания постоянной скорости вращения турбины. LVDT датчики идеально подходят для работы в зоне высоких температур, грязи и постоянной вибрации.
- Могут быть использованы для контроля положения перепускного клапана. Когда откроется перепускной клапан, датчик может испытать температуру 200°C.
Самым распространенным типом устройств в составе существующих АСУ ТП являются индуктивные датчики положения, их количество превышает 90% от всех применяемых дискретных датчиков положения. Любой технологический процесс в практически любой отрасли промышленности (пищевая, машиностроение, нефтегазовая, энергетика) требует отслеживать положение заслонок, приводов, клапанов, деталей и заготовок, подвижных элементов конструкций агрегатов и т.д. в автоматическом режиме.
Повсеместному распространению индуктивных датчиков послужили их надежность, отличные эксплуатационные характеристики и сравнительно низкая стоимость. Основными рабочими характеристиками индуктивных датчиков положения являются: диапазон срабатывания, степень защиты, рабочая температура и частота отклика.
Принцип действия индуктивных датчиков заключается в следующем. При подаче питания на датчик возбуждается первичная обмотка от переменного напряжения резонатор и тем самым создает вблизи себя электромагнитное поле. При помещении в зону действия электромагнитного поля металлического объекта, который, по сути, становится вторичной обмоткой, начинают наводиться токи вихревого характера, так называемые токи Фуко. Такое явление ведет к ухудшению добротности первичной обмотки, что в свою очередь приводит к изменению в сторону уменьшения амплитуды сигнала резонатора, из-за чего срабатывает компаратор (триггер Шмидта), далее сигнал усиливается посредством усилителя и выдается на выход датчика.
Параметры индуктивных датчиков положения и рекомендации по их применению
Чтобы правильно подобрать индуктивный датчик под определенную задачу необходимо знать ряд основных параметров, а также за какие функции эти параметры отвечают.
Наверное, главным параметром, указанным в паспорте на датчик является номинальный диапазон срабатывания . Он обозначается как Sn. Номинальный диапазон срабатывания, хотя и является основным параметром, но практического значения особо не имеет. Так как его значение получается при ряде ограничений связанных с внешними факторами, а именно: температура окружающей среды 20 градусов Цельсия, питающее напряжение 24 В постоянного или же 230 В переменного тока. А в качестве объекта должна использоваться стальная пластина, выполненная из определенной стали, квадратной формы с шириной в 3 раза больше ширины значения Sn и толщиной 1мм. Практическое же значение имеют такие параметры, как эффективный диапазон срабатывания Sr и полезный диапазон срабатывания Su. Значение Sr варьируется в пределах плюс минус 10% от номинального диапазона срабатывания, а измеряется в температурном диапазоне от 18 до 28 градусов Цельсия и при номинальном напряжении питания. Полезный диапазон срабатывания индуктивного датчика варьируется в пределах плюс минус 10% от эффективного и измеряется при напряжении питания равного 85% - 110% от номинального и температуре от -25 до +70 градусов Цельсия. Часто в техническом описании на датчик можно встретить такой параметр, как гарантированная зона (диапазон) срабатывания . Его нижняя граница равна 0, а верхняя значению 0.81Sn. Также важными параметрами индуктивных датчиков положения, влияющими на точность и достоверность измерений, являются гистерезис и повторяемость H и R соответственно. Гистерезисом называют расстояние между самыми дальними точками срабатывания датчика на объект при приближении и удалении последнего. Нормальным считается значение гистерезиса равное 0.2Sr.
Помимо свойств присущих непосредственно самому индуктивному датчику положения на диапазон срабатывания влияют свойства материала объекта, речь идет об электропроводимости и магнитной проницаемости. Для этого было введено понятие коэффициента редукции . Эталонным материалом считается Сталь 37, ее коэффициент редукции равен 1. Для других металлов коэффициент редукции имеет значение меньше 1. Например, нержавейка имеет коэффициент редукции 0.85, а медь всего лишь 0.3. То есть, если объектом срабатывания является медь, то диапазон срабатывания уменьшается до значения равного 0.3Sn .
Напряжение питания датчика
Питание индуктивных датчиков может осуществляться как от источников постоянного тока, так и источников переменного тока. Для постоянного тока характерны диапазоны напряжений: 10-30В, 10-60В и 5-60В. Для переменного тока характерен диапазон: 98-253В. Также существуют индуктивные датчики имеющие универсальное питание, такие датчики можно запитать как от источника постоянного, так и от источника переменного тока.
Номинальный ток нагрузки
Параметр показывает, на какое значение тока рассчитан датчик при действии нагрузки продолжительный интервал времени. Стандартным является значение равное 200мА, но бывают спец исполнения датчиков рассчитанные и на 500мА.
Частота отклика
Параметр показывает, с какой максимальной частотой, выраженной в герцах, датчик может осуществлять переключения. Для большинства промышленных применений хватает частоты отклика равной 1000Гц, а вот поднимать частоту выше 5кГц производителям датчиков нет особого смысла, так как такая частота будет выше, частоты выполнения стандартного цикла промышленного контроллера (ПЛК). Тем самым состояние такого датчика может быть неверно интерпретировано модулем ввода ПЛК.
При выборе датчиков также стоит обратить на степень защиты корпуса от брызг и пыли, и диапазон температуры при котором может работать индуктивный датчик. Стандартными являются степень защиты IP67, а температурный диапазон от минус 25 до плюс 70 градусов Цельсия.
При работе с различными технологиями при желании автоматизировать ряд действий обращаются к различным датчикам. В изделиях из металлов важную роль играет индуктивный датчик. Что он собой представляет и зачем необходим?
Что такое индуктивный датчик?
Что это и где он нашел применение? Индуктивный датчик — это бесконтактный прибор, который используется, чтобы контролировать положение объектов, сделанных из металлов. К другим материалам он чувствительности не проявляет. Применяются бесконтактные индуктивные датчики, чтобы решать задачи АСУТП. Могут быть использованы с нормально замкнутым или разомкнутым контактом. Принцип действия базируется на редактировании параметров магнитного поля, которое создаётся катушкой индуктивности, что внутри датчика. Но все тонкости настолько многочисленны, что необходимо их обсудить отдельно.
Принцип действия
Всё базируется на изменении амплитуды колебаний используемого в индуктивном датчике генератора, когда в активную зону вносится предмет определённого размера из металлического, магнитного и ферро-магнитного материала. Так что использование может быть реализовано только с этими типами. Когда подаётся питание на конечный выключатель, расположенный в его области чувствительности, то образуется магнитное поле. Оно наводит в материале вихревые токи, влияние которых меняет амплитуду колебаний генератора. В конечном результате таких преобразований получается аналоговый выходной сигнал. Его величина меняется и зависит от расстояния между контролируемым предметом и датчиком. Триггер Шмитта превращает аналоговый сигнал в логический. Индуктивный датчик перемещения играет важную роль для механизмов, которые отслеживают изменение местоположения металлических деталей. Встретить подобные устройства вы можете в автомобильных конвейерах. Индуктивный датчик положения поможет определить, расположен ли предмет так, как должен. Если ответ отрицательный, то будут предприняты действия, предусмотренные программой, чтобы всё было так, как необходимо для полноценной и правильной работы конвейера.
Построение индуктивного датчика
Из чего состоит данный механизм? Бесконтактные индуктивные датчики имеют такие основные узлы:
- Генератор. Создаёт электромагнитное поле, которое необходимо для взаимодействия с объектом.
- Триггер Шмитта. Он обеспечивает гистерезис, когда происходит переключение.
- Усилитель. Занимается увеличением амплитуды сигнала, чтобы он достиг необходимого значения.
- Светодиодный индикатор. Информирует о состоянии выключателя. Также с его помощью обеспечивается контроль работоспособности и указывает на оперативность настройки.
- Компаунд. Необходим для защиты от попадания вовнутрь воды и твердых частиц.
- Корпус. С его помощью обеспечивается монтаж датчика и его защита от различных механических воздействий. Изготавливается из полиамида или латуни и комплектуется крепежными изделиями.
Определения
Когда необходимо использовать индуктивный датчик, следует разбираться и в терминологическом минимуме, который нужен для приятной и комфортной работы. Итак, что следует понимать:
- Активная зона. Это область перед чувствительной поверхностью индуктивного датчика, где наибольшим образом сконцентрировалось магнитное поле. Диаметр данной площади обычно равен размеру самого прибора.
- Номинальное расстояние переключения. Это теоретическая величина расстояния активной зоны, которая не учитывает разброс производственных параметров индуктивного датчика, температурный режим и подаваемое напряжение питания.
- Рабочий зазор. Это расстояние, которое гарантирует надежную работу прибора в определённом диапазоне напряжения и температуры.
- Поправочный коэффициент. Это показатель, который корректирует значение рабочего зазора, в зависимости от вида металла, из которого был создан объект воздействия.
Достоинства
Почему индуктивные датчики пользуются значительной популярностью? Этому способствует целый ряд параметров, которыми они обладают:
- Прочность и простота конструкции, а также отсутствие скользящих контактов.
- Индуктивный датчик может быть подключен к источникам промышленной частоты.
- Имеют довольно большую выходную мощность, которая может составлять десятки Ватт.
- Обладают значительной чувствительностью.
Погрешности
Но при всех плюсах индуктивные датчики имеют и минусы. Самый главный из них - это погрешность. Выделяют такие недостатки:
- Погрешность, которая зависит от нелинейной характеристики. В приборе используется принцип индуктивного преобразования величины, что базируется на работе датчиков, которые имеют свой диапазон, из-за чего и возникает данная проблема.
- Температурная погрешность. Является случайной составляющей. Поскольку работа прибора зависит от температуры используемых датчиков, то погрешность может достигать значительных значений. Поэтому высокую важность имеет среда работы механизма. Работа индуктивного датчика обычно осуществляется при показателе в 25 градусов в хорошо вентилируемом помещении. Значительное изменение температуры в большее или меньшее значение является нежелательным.
- Погрешность из-за влияния других электромагнитных полей. Является случайной составляющей. Возникает из-за того, что на индуктивный датчик действуют внешние электромагнитные поля, которые могут сильно влиять на работу прибора. Чтобы избежать таких случаев, в промышленности электроустановки почти всегда используют частоту в 50 Гц.
Для минимизации вероятности возникновения погрешности необходимо качественно прорабатывать все нюансы.
Бесконтактные датчики приближения можно встретить в медицинских приборах, в составе автоматизированных промышленных линий, в бытовой технике. Один из ведущих мировых производителей продукции для автоматизации, компания Autonics, предлагает бесконтактные датчики приближения серий (индуктивные) и (емкостные).
Что общего между индуктосином фрезерного станка, сенсорным экраном смартфона, датчиком закрытия двери автомобиля и светильником с автоматическим включением? Ответ – во всех приведенных приложениях используются датчики приближения.
Датчики приближения – элементы, позволяющие обнаруживать присутствие, приближение или удаление различных объектов. Это достаточно широкий класс устройств (рисунок 1).
По типу взаимодействия с объектом датчики приближения делятся на контактные и бесконтактные.
Яркими примерами контактных датчиков являются концевые выключатели (например, датчики закрытия дверей в автомобилях).
Контактные датчики могут выполнять не только функцию включения и выключения, но и определять положение объекта, например, резистивные датчики уровня топлива. Для них выходным является аналоговый сигнал – значение сопротивления, пропорциональное уровню жидкости.
Достоинствами контактных датчиков является простота устройства и использования. Среди их недостатков можно отметить наличие механических подвижных частей и невозможность, в большинстве случаев, создать высокий уровень пыле- и влагозащищенности, что приводит к сокращению срока службы. Гораздо более длительный ресурс и максимальную защиту от негативного воздействия внешней среды имеют бесконтактные датчики.
Бесконтактные датчики делятся на две группы: датчики положения и выключатели. Основная функция бесконтактных выключателей состоит в релейном переключении состояния выхода при обнаружении объекта. В датчиках положения на выходе формируется сигнал, зависящий от расстояния до объекта.
Каждая из групп содержит сенсоры с различными технологиями обнаружения: индуктивные, емкостные и фотоэлектрические.
Рассмотрим бесконтактные индуктивные и емкостные выключатели производства компании Autonics.
Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения
Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и так далее). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.
Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.
При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.
Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.
Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.
В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε = 1), то емкость такого конденсатора невелика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).
Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.
Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком, необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).
Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа – «включен» или «выключен» (рисунок 5). По этой причине схема датчиков имеет переключательный элемент – триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.
Основные характеристики и особенности датчиков приближения
Зона чувствительности или активная зона (Sensing Distance), мм. Как было показано выше, диапазон действия датчиков приближения ограничен. Значительное изменение измеряемой емкости и индуктивности наблюдается вблизи чувствительного элемента сенсора (рисунки 2, 3).
Сенсор начинает «чувствовать» объект только на достаточно близких расстояниях, сравнимых с размерами самого датчика. Эта зона чувствительности называется активной зоной. В случае индуктивных датчиков она определяет область наибольшей плотности линий магнитного поля.
Расстояние срабатывания, мм. После попадания объекта в активную зону датчик переключается не сразу, а при достижении некоего порогового значения, которое задается внутренним триггером с гистерезисом.
Гистерезис необходим для исключения ложных срабатываний. При этом включение и выключение датчика происходят при различном уровне колебаний.
Рабочий зазор (Setting Distance), мм – расстояние, на котором гарантированно обнаруживается заданный объект.
В последнем определении использовался термин «заданный объект». Необходимо сделать дополнительные пояснения. Дело в том, что все перечисленные характеристики не являются жестко заданными. На их величину влияет целый ряд факторов: материал и размер объекта, температурный дрейф, технологические параметры самого датчика. По этой причине все приведенные характеристики измеряются при использовании конкретного объекта при нормальной температуре (обычно 20 или 25°С).
Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры индуктивных датчиков. Как было показано выше, приближающийся металлический объект выступает в роли сердечника для чувствительной катушки. Очевидно, что материал и форма сердечника оказывают значительное влияние на значение индуктивности.
По этой причине все номинальные характеристики относятся к конкретному объекту, который всегда указывается в документации на датчик. Обычно это железная квадратная пластина с заданными размерами.
Если предполагается использовать другой материал, то необходимо использовать поправочный коэффициент редукции (таблица 1).
Таблица 1. Примеры коэффициентов редукции индуктивных датчиков
Влияние материала и размеров объекта обнаружения на параметры емкостных датчиков. Емкость результирующего конденсатора также зависит от формы и материала объекта. Максимальная чувствительность у датчика наблюдается для материалов с большой диэлектрической проницаемостью (таблица 2).
Таблица 2. Значения диэлектрической проницаемости для различных материалов
Важно понимать, что при настройке и установке датчика следует учитывать возможность намокания или замасливания объекта наблюдения. Например, для воды ε = 80, поэтому даже тончайшая водяная пленка приведет к значительному изменению емкости. В этом может убедиться любой пользователь ноутбука с тачпадом. Если тачпад намочить – ноутбук потеряет управление до полного высыхания поверхности сенсора. Такая же картина наблюдается и в случае промышленных емкостных датчиков.
Размер объекта также имеет значение. Чем больше объект – тем больше емкость.
Температурный дрейф параметров датчиков приближения. Данная зависимость характеризует изменение характеристик датчика (размеров активной зоны и рабочего зазора) при изменении температуры.
Начальная точность, %. В документации на датчик кроме номинальных значений всегда указывается начальная точность – значение для заданной температуры и влажности. Этот разброс связан с технологическими особенностями производства датчика.
Частота срабатывания (Response Frequency), Гц, характеризует частоту переключений датчика.
Наибольшей частотой срабатывания обладают датчики, питающиеся от постоянного напряжения. При этом имеет место зависимость частоты от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта (таблица 3).
Таблица 3. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика постоянного тока 24 В
| Диаметр, мм | Расстояние, мм | Частота, Гц |
| М08 | 1,5 | 1500 |
| 2 | 1000 | |
| M12 | 2 | 1500 |
| 4 | 500 | |
| M18 | 5 | 500 |
| 8 | 350 | |
| M30 | 10 | 400 |
| 15 | 200 |
Датчики, питающиеся от переменной сети, имеют меньшую частоту переключений. Однако зависимость от размеров активной поверхности датчика и расстояния до объекта отсутствует (таблица 4).
Таблица 4. Влияние размеров активной поверхности и расстояния до объекта на частоту срабатывания 2-проводного цилиндрического датчика переменного тока 100…240 В
| Диаметр, мм | Расстояние, мм | Частота, Гц |
| М12 | 2 | 20 |
| 4 | 20 | |
| М18 | 5 | 20 |
| 8 | 20 | |
| М30 | 10 | 20 |
| 15 | 20 |
Еще одной особенностью, о которой стоит помнить при использовании бесконтактных датчиков, является возможность взаимного влияния соседних сенсоров (рисунок 6). При монтаже датчиков не допускается их слишком близкое расположение на расстояниях меньших, чем указано в документации. Это касается случаев как встречной, так и параллельной установки.
Тип выходного каскада – одна из важнейших характеристик датчиков приближения. Датчики могут быть двух- и трехпроводными с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами (рисунок 7).
Двухпроводные датчики Autonics выпускаются для работы с постоянным и переменным напряжением. Нагрузка может быть подключена как до, так и после датчика. При этом важно, чтобы величина сопротивления нагрузки обеспечивала протекание тока питания датчика. Если сопротивление нагрузки слишком велико – необходимо шунтировать его дополнительным резистором.
Трехпроводные сенсоры Autonics предназначены для работы в цепях постоянного тока и имеют два варианта исполнения с NPN- и PNP-выходным транзистором (рисунок 7). Если требуется постоянный контакт нагрузки с общей шиной – следует использовать датчик с PNP-выходом. Если же нагрузка требует подключения к шине питания – используется датчик с выходом NPN.
Выходной ток, мА – ток, который способен обеспечить выходной каскад датчика. Важный параметр, если сенсор напрямую управляет мощным потребителем. Если его мощности не хватает – следует использовать более мощный дополнительный внешний ключ.
Собственное падение напряжения, В, характеризует падение на датчике в замкнутом состоянии.
Собственный потребляемый ток, мА, измеряется для случая разомкнутых выходных контактов, то есть, когда через нагрузку не протекает ток.
Эксплуатационные характеристики. При использовании датчиков в жестких условиях промышленного производства следует помнить о таких параметрах как сопротивление изоляции, электрическая прочность, стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам, рейтинг пыле- и влагозащищенности, рабочий диапазон температуры влажности.
Компания Autonics выпускает огромное количество бесконтактных выключателей. Рассмотрим два популярных семейства: индуктивные датчики PRDCM и емкостные датчики CR.
Обзор индуктивных датчиков PRDCM
PRDCM – серия индуктивных цилиндрических выключателей с увеличенной зоной чувствительности и светодиодом состояния (рисунок 8).
|
|
|
Датчики выпускаются в двухпроводном (таблица 6) и трехпроводном (таблица 5) исполнении. Активная зона представителей семейства достигает 25 мм, а рабочий зазор – 17,5 мм. Диапазон частот срабатываний составляет до 600 Гц.
Таблица 5. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства PRDCM
| Параметр | Наименование | |||||
| PRDCM12-4DN, PRDCM12-4DP, PRDCM12-4DN2, PRDCM12-4DP2, PRDCML12-4DN, PRDCML12-4DP, PRDCML12-4DN2, PRDCML12-4DP2 | PRDCM12-8DN, PRDCM12-8DP, PRDCM12-8DN2, PRDCM12-8DP2, PRDCML12-8DN, PRDCML12-8DP, PRDCML12-8DN2, PRDCML12-8DP2 | PRDCM18-7DN, PRDCM18-7DP, PRDCM18-7DN2, PRDCM18-7DP2, PRDCML18-7DN, PRDCML18-7DP, PRDCML18-7DN2, PRDCML18-7DP2 | PRDCM18-14DN, PRDCM18-14DP, PRDCM18-14DN2, PRDCM18-14DP2, PRDCML18-14DN, PRDCML18-14DP, PRDCML18-14DN2, PRDCML18-14DP2 | PRDCM30-15DN, PRDCM30-15DP, PRDCM30-15DN2, PRDCM30-15DP2, PRDCML30-15DN, PRDCML30-15DP, PRDCML30-15DN2, PRDCML30-15DP2 | PRDCM30-25DN, PRDCM30-25DP, PRDCM30-25DN2, PRDCM30-25DP2, PRDCML30-25DN, PRDCML30-25DP, PRDCML30-2SDN2, PRDCML30-25DP2 | |
| Зона чувствительности, мм | 4 | 8 | 7 | 14 | 15 | 25 |
| Гистерезис | Макс. 10% от расстояния срабатывания | |||||
| 12x12x1 | 25x25x1 | 20x20x1 | 40x40x1 | 45x45x1 | 75x75x1 | |
| Рабочий зазор, мм | 0…2,8 | 0…5,6 | 0…4,9 | 0…9,8 | 0…10,5 | 0…17,5 |
| Напряжение питания ном., В | 12/24 | |||||
| 0…30 | ||||||
| Ток потребления, мА | Макс. 10 | |||||
| Частота срабатывания*, Гц | 500 | 400 | 300 | 200 | 100 | 100 |
| Макс. 1,5 | ||||||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температурной окружающей среды 20°С | |||||
| Номинальный ток, мА | Макс. 200 | |||||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (500 В пост. тока) | |||||
| 1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | ||||||
| Стойкость к вибрациям | ||||||
| Индикатор | ||||||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | |||||
| Температура хранения, °C | -30…80 | |||||
| Влажность, % | 35…95 | |||||
| Встроенная защита | ||||||
| Степень защиты (IP) | IP67 (Стандарт МЭК) | |||||
| Материал | ||||||
| Масса, г | PRDCM: 26 | PRDCM: 48 | PRDCM: 142 | |||
| PRDCML: 34 | PRDCML: 66 | PRDCML: 182 | ||||
Таблица 6. Основные характеристики двухпроводных датчиков семейства PRDCM
| Параметр | Наименование | Наименование | ||||||
| PRDCMT08-2DO, PRDCMT08-2DC, PRDCMT08-2DO-I, PRDCMT08-2DC-I | PRDCMT08-4DO, PRDCMT08-4DC, PRDCMT08-4DO-I, PRDCMT08-4DC-I | PRDCMT12-4DO, PRDCMT12-4DC, PRDCMT12-4DO-I, PRDCMT12-4DC-I, PRDCMLT12-4DO, PRDCMLT12-4DC, PRDCMLT12-4DO-I, PRDCMLT12-4DC-I |
PRDCMT18-7DO, PRDCMT18-7DC, PRDCMT18-7DO-I, PRDCMT18-7DC-I, PRDCMLT18-7DO, PRDCMLT18-7DC, PRDCMLT18-7DO-I, PRDCMLT18-7DC-I |
PRDCMT18-7DO, PRDCMT18-7DC, PRDCMT18-7DO-I, PRDCMT18-7DC-I, PRDCMLT18-7DO, PRDCMLT18-7DC, PRDCMLT18-7DO-I, PRDCMLT18-7DC-I |
PRDCMT18-14DO, PRDCMT18-14DC, PRDCMT18-14DO-I, PRDCMT18-14DC-I, PRDCMLT18-14DO, PRDCMLT18-14DC, PRDCMLT18-14DO-I, PRDCMLT18-14DC-I |
PRDCMT30-15DO, PRDCMT30-15DC, PRDCMT30-15DO-I, PRDCMT30-15DC-I, PRDCMLT30-15DO, PRDCMLT30-15DC, PRDCMLT30-15DO-I, PRDCMLT30-15DC-I |
PRDCMT30-25DO, PRDCMT30-25DC, PRDCMT30-25DO-I, PRDCMT30-25DC-I, PRDCMLT30-25DO, PRDCMLT30-25DC, PRDCMLT30-25DO-I, PRDCMLT30-25DC-I |
|
| Зона чувствительности, мм | 2 | 4 | 8 | 7 | 14 | 15 | 25 | |
| Гистерезис | Макс, 10% от расстояния срабатывания | |||||||
| Стандартный объект для обнаружения (железо), мм | 8x8x1 | 12x12x1 | 25x25x1 | 20x20x1 | 40x40x1 | 45x45x1 | 75x75x1 | |
| Рабочий зазор, мм | 0…1,4 | 0…2,8 | 0…5,6 | 0…5,6 | 0…9,8 | 0…10,5 | 0…17,5 | |
| Напряжение питания ном., В | 12/24 | 12/24 | ||||||
| Предельное напряжение питания, В | 10…30 | 10…30 | ||||||
| Ток потребления, мА | Макс. 0,6 | Макс. 0,6 | ||||||
| Частота срабатывания*, Гц | 600 | 500 | 500 | 400 | 250 | 200 | 100 | |
| Падение напряжения на датчике, В | Макс. 3,5 | Макс. 3,5 | ||||||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°C | |||||||
| Номинальный ток, мА | 2…100 | 2…100 | ||||||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (=500 В) | Мин. 50 МОм (=500 В) | ||||||
| Электрическая прочность диэлектрика | ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | |||||||
| Стойкость к вибрациям | Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | Амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | ||||
| Индикатор | Индикатор работы (красный светодиод) | Индикатор работы (красный светодиод) | ||||||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | -25…70 | ||||||
| Температура хранения, °C | -30…80 | -30…80 | ||||||
| Влажность, % | 35…95% | 35…95% | ||||||
| Встроенная защита | От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков | От перенапряжения, обратной полярности, сверхтоков | ||||||
| Материал | Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол | Корпус/гайка: никелированная латунь, шайба: никелированное железо, считывающая поверхность: термоустойчивый акрилонитрил-бутадиен-стирол | ||||||
| Степень защиты (IP) | IP67 (Стандарт МЭК) | IP67 (Стандарт МЭК) | ||||||
| Масса стандартной версии, г | – | PRDCMT: 26 | PRDCMT: 48 | PRDCMT: 142 | ||||
| PRDCMLT: 36 | PRDCMLT: 66 | PRDCMLT: 182 | ||||||
| Масса улучшенной версии**, г | 15,5 | 15 | 23,5 | 22 | 46,5 | 42,5 | 160 | 165 |
* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального
** – Масса обновленной единицы относится только к PRDCMT
Особенностями данной серии являются расстояние срабатывания, увеличенное до 2,5 раз по сравнению с предыдущим поколением, и наличие коннектора на корпусе, что удобно в эксплуатации и сокращает временные и материальные затраты на монтаж.
Выходной каскад имеет шесть вариантов исполнения: двухпроводной нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной NPN нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый, трехпроводной PNP нормально-замкнутый и нормально-разомкнутый. Диапазон питающих напряжений для всех датчиков: 10…30 В.
Нагрузочные характеристики трехпроводных представителей несколько выше: ток – до 200 мА, собственное падение напряжения – до 1,5 В. У двухпроводных – 100 мА и 3,5 В соответственно. Однако у трехпроводных выше и собственное потребление – до 10 мА (против всего 0,6 мА у двухпроводных).
Все датчики серии имеют отличные изоляционные свойства (до 1500 В) и высокое сопротивление изоляции 50 МОм.
Состояние датчика можно определить по светодиоду: если он светится, то ток поступает в нагрузку.
Датчики устойчивы к высоким вибрациям и ударным нагрузкам. Степень защиты (IP) составляет 67. Все это делает их отличным выбором для бытовых и промышленных приложений, таких как:
- концевые датчики координатных столов в станках;
- детекторы положения карусели инструментов фрезерных станков с ЧПУ;
- датчики открытия дверей;
- датчики приближения в установках автоматической роботизированной сварки;
- датчики приближения в системах автоматической сборки;
- детекторы брака (например, в линиях по производству консервов);
- детекторы положения каруселей автоматического розлива молочных продуктов и так далее.
Код для заказа датчиков PRDCM представляет собой восьмипозиционное обозначение (таблица 7).
Таблица 7. Именование датчиков семейства PRDCM
| P | R | D | CMT | 18 | -7 | DN | -I | ||
| Тип датчика | Форма корпуса | Особенности | Тип подключения | Диаметр головки датчика, мм | Зона чувствительности, мм | Тип выхода | Тип кабеля | ||
| P – индуктивный | R – цилиндр | D – с увеличенным расстоянием срабатывания | CMT | 2-проводной, стандартный, коннектор | 12 | DN | NPN, 3-проводной, нормально разомкнутый | I – стандарт МЭК | |
| CMLT | 2-проводной, удлиненный коннектор | 18 | DN2 | NPN, 3-проводной, нормально замкнутый | |||||
| CM | 3-проводной, стандартный, коннектор | 30 | DP | PNP, 3-проводной, нормально разомкнутый | |||||
| CML | 3-проводной, удлиненный коннектор | DP2 | PNP, 3-проводной, нормально замкнутый | ||||||
| DO | 2-проводной, нормально разомкнутый | ||||||||
| DС | 2-проводной, нормально замкнутый | ||||||||
Обзор емкостных датчиков CR
CR – серия емкостных цилиндрических датчиков от Autonics (рисунок 9).
Выпускаются датчики двух типоразмеров – и с зонами чувствительности 8 и 15 мм соответственно.
Двухпроводные нормально разомкнутые версии CRxx-xAO и двухпроводные нормально замкнутые версии CRxx-xAС работают с переменным выходным напряжением 110…240 В и током 5…200 мА. Частота срабатывания – 20 Гц.
Трехпроводные версии предназначены для работы в цепях постоянного напряжения 10…30 В с выходными токами до 200 мА. Их частота срабатывания достигает 50 Гц (таблица 8).
Таблица 8. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства CR
| Параметр | Наименование | |||
| , | 85…264 | |||
| Ток потребления, мА | Макс. 15 | Макс. 2,2 | ||
| Частота срабатывания *, Гц | 50 | 20 | ||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°С | |||
| Номинальный ток, мА | Макс. 200 | |||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (500 В=) | |||
| Электрическая прочность диэлектрика | ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | |||
| Стойкость к вибрациям | амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | ||
| Индикатор | Индикатор работы (красный светодиод) | |||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | |||
| Температура хранения, °C | -30…80 | |||
| Влажность, % | 35…95 | |||
| Встроенная защита | от перенапряжения, обратной полярности | от перенапряжения | ||
| Степень защиты (IP) | IP66 | IP65 | IP66 | IP65 |
| Масса, г | 76 | 206 | 70 | 200 |
* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального.
Состояние датчика можно определить по светодиоду. Если он светится – ток поступает в нагрузку.
Код для заказа датчиков серии CR включает 5 позиций: тип датчика, форму, диаметр головки, код зоны чувствительности, код типа выходного каскада (таблица 9).
Таблица 9. Именование датчиков семейства CR
| C | R | 30 | -15 | DN | |
| Тип датчика | Форма корпуса | Диаметр головки датчика, мм | Зона чувствительности, мм | Тип выхода | |
| С – емкостной | R – цилиндр | 18 | 8 | DN | 3-проводной, NPN, нормально разомкнутый, питание 24 В DC |
| 30 | 15 | DN2 | |||
| DP | 3-проводной, PNP, нормально разомкнутый, питание 24 В DC | ||||
| DP2 | 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC | ||||
| AO | 2-проводной, нормально разомкнутый, питание 110…240 В AC | ||||
| AС | 2-проводной, нормально замкнутый, питание 110…240 В AC | ||||
Стоит отметить и высокую степень защиты: IP66 – для CR18, IP66 – для CR30. Изоляционные свойства также на высоте. Так как емкостные датчики способны обнаруживать не только металлические объекты, то спектр приложений серии CR еще шире, чем у индуктивных датчиков. Сфера их применения:
- концевые выключатели станков;
- детекторы автоматических линий розлива молока, пива, и тому подобное;
- датчики уровня жидкости;
- детекторы обнаружения брака в текстильном производстве.
Заключение
Серия индуктивных датчиков PRDCM производства компании Autonics предназначена для обнаружения металлических объектов на расстояниях до 25 мм. Существует шесть возможных конфигураций выходного каскада сенсоров этой серии: двухпроводной нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной NPN нормально замкнутый и нормально разомкнутый, трехпроводной PNP-нормально замкнутый и нормально разомкнутый.
Серия емкостных датчиков CR производства компании Autonics предназначена для обнаружения различных объектов (в том числе – деревянных, металлических и пластиковых) на расстояниях до 15 мм. Датчики выпускаются с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами для работы в цепях переменного напряжения 110…240 В (суффиксы AO и AC) и постоянного напряжения 10…30 В (суффиксы DN и DP).
Индуктивные датчики применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Простейший индуктивный датчик (называемый однотактным) представляет собой катушку индуктивности 1 с железным сердечником 2 и подвижным якорем З, отделенным от сердечника воздушным зазором (рис. 2-4). Катушка индуктивности с сердечником, называемая статором датчика, закрепляется неподвижно, а якорь соединяется механически с подвижной частью ОУ, перемещение которой нужно преобразовывать в электрический сигнал. При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи датчика вследствие изменения воздушного зазора δ между статором и якорем (при вертикальном движении якоря) или площади воздушного зазора S (при горизонтальном движении якоря).
Сопротивление магнитной цепи датчика складывается из сопротивления участка цепи со сталью Rст и сопротивления участка цепи с воздушным зазором Rв. Магнитное сопротивление участка цепи со сталью:
Rст = Lст/(mст/Sст),
где Lст - суммарная длина средней магнитной силовой линии в стали сердечника и якоря; Sст - площадь поперечного сечения стального сердечника; mст - магнитная проницаемость материала сердечника и якоря.
Магнитное сопротивление участка цепи с воздушным зазором:
Rст = 2δ/(μоSв), где δ - длина воздушного зазора между статором и якорем датчика; μо - проницаемость воздуха; Sв - площадь поперечного сечения воздушного зазора. Так как μо>>μо, то Rст 0 . сопротивление магнитной цепи датчика будет определяться в основном сопротивлением участка цепи с воздушным зазором:
Rм ≈ Rв = 2δ/(;μоSr)
Переменный магнитный поток Ф, возникающий при подключении источника питания к катушке датчика, равен
где I - ТОК в цепи катушки датчика; w - число витков катушки датчика,w - число витков катушки датчика.
Индуктивность катушки датчика (если пренебречь потоком рассеяния):
L = ωФ/I = [ω 2 /2δ]μS
Формула (2-1) устанавливает функциональную связь между перемещением якоря индуктивного датчика (при перемещении изменяется или d, или Sв) и индуктивностью катушки датчика.
У индуктивных датчиков с изменяющимся воздушным зазором статическая характеристика L=f(x) нелинейная (рис. 2-5, 1) и при больших зазорах (δ > 1 мм) чувствительность датчика уменьшается. Такие датчики используют при ограниченном диапазоне перемещения якоря - до 1 мм, а начальная рабочая точка выбирается в области характеристики, где она имеет наибольшую крутизну и приближается к линейной чувствительность датчиков с изменяющимся воздушным зазором высокая – до 0,2 мкм.
У индуктивных датчиков с изменяющейся площадью воздушного зазора статическая характеристика L=f(Sв) линейная, диапазон перемещения якоря шире - до 8 мм, но чувствительность меньше - до 0,3 мкм (рис. 2-5, 2). Изменение индуктивности катушки датчика L приводит к изменению ее индуктивного сопротивления: ХL = ωL, где ω - круговая частота питающего напряжения. Следовательно, происходит и изменение полного сопротивления катушки: Z = √Rа*2+XL*2, где Ra - активное сопротивление катушки датчика.
Ток I, протекающий в катушке датчика под действием приложенного переменного напряжения U, также изменяется при перемещении якоря и может служить выходным сигналом датчика (выходной характеристикой). Условно принцип работы индуктивных датчиков можно представить в виде цепи преобразований происходящих при перемещении якоря датчика (для датчиков с изменяющимся воздушным зазором):
x → δ → Rm → Ф↓ → L↓ → Xl↓ → Z↓ → I
Однотактные индуктивные датчики имеют высокую чувствительность и надежность, практически неограниченный срок службы, большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт), что позволяет в ряде случаев не применять усилитель. К недостаткам индуктивных датчиков следует отнести нереверсивность характеристики, небольшой диапазон перемещений якоря, наличие тока холостого хода и электромагнитной силы притяжения между якорем и статором, влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки полностью или частично отсутствуют у дифференциальных индуктивных датчиков.
Дифференциальный индуктивный датчик
Он содержит два статора с катушками индуктивности L1 и L2 и один общий якорь. При перемещении якоря индуктивность одной катушки увеличивается, другой - уменьшается. Катушки индуктивности включаются или в дифференциальную измерительную схему, или как смежные плечи в мостовую измерительную схему.
Дифференциальные индуктивные датчики по сравнению с однотактными имеют более высокую точность преобразования и чувствительность. Статическая характеристика этих датчиков линейная и реверсивная.
Трансформаторные датчики
Они являются разновидностью индуктивных датчиков. Трансформаторный датчик можно рассматривать как трансформатор, у которого коэффициент трансформации изменяется за счет изменения коэффициента взаимоиндуктивности М между его обмотками. Такие датчики применяются для преобразования в электрический сигнал (напряжение переменного тока) небольших линейных и угловых перемещений.
На рис. 2-6 представлен дифференциальный трансформаторный датчик с угловым перемещением якоря. Первичная обмотка датчика ω1 расположена на центральном стержне сердечника 1 и подключена к источнику переменного тока. Вторичные обмотки ω2а и ω2б расположены на крайних стержнях и соединяются последовательно и встречно. Ток, протекающий по ω1 создает переменный магнитный поток Ф1, разветвляющийся на два потока: Ф1а и Ф1б. При симметричном положении якоря 2 по отношению к статору датчика (сердечник 1 с обмотками ω1, ω2а и ω2б) магнитные потоки равны: Ф1а=Ф1б=Ф1/2, и ЭДС, индуцирующиеся во вторичных обмотках, будут также равны: Е2а=Е2б.
Так как фазы этих ЭДС противоположны (за счет встречного включения обмоток ω2а и ω2б), то напряжение на выходе датчика будет равно нулю: Uвых = Е2а - Е2б=О. При повороте якоря, который механически связан с подвижной частью объекта управления, изменяются площади поперечного сечения воздушных зазоров и между якорем и крайними стержнями сердечника. В результате этого изменятся сопротивления RM1 и RM2 магнитных цепей потоков Ф1а и Ф1б, да и сами потоки: один из них увеличивается на ΔФ, а другой уменьшится на ΔФ. Индуцирующие во вторичных обмотках ЭДС Е2а и Е2б также изменятся пропорционально изменению потоков ФIа и Ф2б. На выходе датчика появится напряжение Uвых, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС Е2а и Е2б: Uвых = Е2а-Е2б, а фаза выходного напряжения будет определяться фазой большей из ЭДС.
Таким образом, характеристика такого датчика будет реверсивной и линейной (в рабочей зоне). Чувствительность дифференциального трансформаторного датчика в два раза выше, чем у однотактного, рабочая зона в два раза больше, и при симметричном положении якоря выходное напряжение равно нулю. Точность преобразования у дифференциальных трансформаторных датчиков выше, так как ввиду симметричности конструкции и схемы датчика частично взаимно компенсируются погрешности от изменения окружающей температуры и частоты источника питания.