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.
что такое Датчик индуктивный? Индуктивные датчики широко используются для измерения положения и скорости, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации.Однако терминология и методы работы индуктивных датчиков могут вводить многих инженеров в заблуждение. В этой статье Марк Ховард из компании Zettlex объясняет принципы работы и описывает типы существующих датчиков, а также перечисляет их преимущества и недостатки.
Индуктивные датчики положения и скорости бывают самых разнообразных форм, размеров и конструкций. Можно сказать, что все индуктивные датчики работают по принципу работы трансформатора и физическое явление, основанное на переменных электрических токах. Это явление впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1830-х годах, когда обнаружил, что первый токопроводящий проводник может «индуцировать» ток во втором проводнике. Открытия Фарадея позволили создать электродвигатели, динамометры и, конечно же, индуктивные датчики положения и скорости. В число таких датчиков входят простые бесконтактные реле, датчики переменной индуктивности и сопротивления, синхронизаторы, резольверы, ротационные датчики перемещения и линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (RVDT и LVDT).
Различные типы индуктивных датчиков
В простом бесконтактном датчике (иногда называемом бесконтактным реле) при подключении устройства к источнику электропитания в его катушке (цепи, контуре или обмотке) протекает переменный ток. При приближении к катушке проводящего или магнитопроницаемого материала, например стального диска, импеданс катушки изменяется. Превышение порогового значения служит сигналом о наличии объекта. Бесконтактные датчики обычно используются для определения наличия металла, а их выходной сигнал часто используется для управления переключателем. Эти датчики широко используются во многих областях промышленности, где проблематично использовать электрические контакты обычных переключателей, например там, где много грязи или воды. Даже в обычной автомойке используется множество индуктивных бесконтактных датчиков.
Индуктивные датчики переменной индуктивности и сопротивления обычно генерируют электрический сигнал, пропорциональный смещению проводящего или магнитопроницаемого объекта (обычно стального стержня) относительно катушки. Как и в случае с бесконтактными датчиками, импеданс катушки изменяется пропорционально смещению объекта относительно катушки, в которой протекает переменный ток. Такие устройства обычно используются для измерения смещения поршней в цилиндрах, например в пневматических или гидравлических системах. Можно сделать так, чтобы поршень проходил по внешнему диаметру катушки.
Сельсины измеряют индуктивную связь между катушками, когда те движутся относительно друг друга. Сельсины, которые обычно вращаются, необходимо напрямую подключать как к движущейся, так и к неподвижной деталям (обычно называемым ротором и статором). Они обеспечивают чрезвычайно высокую точность измерений и используются в промышленной метрологии, радиолокационных антеннах и телескопах. Сельсины, как известно, сегодня дорогие и используются все реже, так как на смену им приходят (бесщеточные) резольверы. Последние представляют собой еще один вид индуктивных датчиков, но подключаются только к обмоткам статора.
LVDT, RVDT и резольверы измеряют изменение индуктивной связи между катушками, которые обычно называют первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка передает энергию во вторичные, но количество энергии в каждой из вторичных обмоток изменяется пропорционально относительному смещению магнитопроницаемого материала. В LVDT через отверстие обмоток обычно проходит металлический стержень. Как правило, ротор или полюсная деталь вращаются в RVDT или резольвере относительно обмоток, расположенных вокруг ротора. Обычно LVDT и RVDT используются в гидравлических сервоприводах элеронов аэрокосмических аппаратов, а также элементах управления двигателем и топливной системой. Резольверы, в свою очередь, применяются для коммутации бесщеточных электродвигателей.
Существенным преимуществом индуктивных датчиков является то, что связанные схемы обработки сигналов не нужно располагать в непосредственной близости от чувствительных катушек. Это позволяет размещать чувствительные катушки в неблагоприятных условиях эксплуатации, где другие методы измерения (например, магнитные или оптические) невозможны, поскольку для них относительно чувствительная кремниевая электроника должна находиться в точке измерения.
Применение
Индуктивные датчики известны своей надежностью при работе в сложных условиях. Следовательно, часто именно их сразу выбирают тогда, когда необходимо обеспечить безопасность или высокую надежность работы. Такие требования широко распространены в военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности.
Причина солидной репутации датчиков связана с фундаментальными законами физики и принципами работы, которые, как правило, не зависят от:
- подвижных электрических контактов;
- температуры;
- влажности, воды и наличия конденсата;
- посторонних предметов, например грязи, жира, твердых частиц и песка.
Преимущества и недостатки
Особенности конструкции основных элементов управления (катушек обмотки и металлических деталей) обеспечивают чрезвычайную надежность большинства индуктивных датчиков. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики не используются чаще?» Причина в том, что их физическая прочность является одновременно их преимуществом и недостатком. Индуктивные датчики отличаются точностью, надежностью и стабильностью, но при этом являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой расход материала и необходимость тщательной намотки катушек обуславливают дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующий прецизионной намотки. Помимо простых бесконтактных датчиков, более сложные индуктивные датчики стоят слишком дорого для использования в широко распространенных коммерческих или промышленных сферах применения.
Другая причина их относительно редкого использования заключается в сложности составления инженерами-конструкторами технических условий. Это связано с тем, что схемы генерации переменного тока и обработки сигналов для каждого датчика необходимо рассчитывать и приобретать отдельно. Для этого обычно требуются глубокие навыки и знания в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры стремятся сосредоточиться на цифровой электронике, они рассматривают изучение таких дисциплин как приобретение ненужной квалификации, которую следует избегать.
Индуктивные датчики следующего поколения
Тем не менее, в последние годы на рынке появилось новое поколение индуктивных датчиков , которые пользуются все большей популярностью не только в традиционных сферах, но и в промышленном, автомобильном, медицинском, коммунальном, научном и нефтегазовом секторах. В этих индуктивных датчиках нового поколения используются те же фундаментальные законы физики, что и традиционных устройствах, но в них применяются печатные платы и современная цифровая электроника, а не громоздкие трансформаторные конструкции и аналоговая электроника. Такой элегантный подход также позволяет использовать эти технологии в 2D и 3D-датчиках, линейных устройствах с укороченным (< 1 мм) шагом перемещения, устройствах измерения криволинейной геометрии и высокопрецизионных энкодерах угла поворота.
Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.
Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю.
В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.
Достоинства индуктивных датчиков:
простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов;
возможность подключения к источникам промышленной частоты;
относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
значительная чувствительность.
Недостатки индуктивных датчиков:
точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте;
возможна работа только на переменном токе.
Типы индуктивных преобразователей и их конструктивные особенности
По схеме построения индуктивные датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.
В дифференциальном индуктивном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.
Как известно, :
где W– число витков; Ф – пронизывающий ее магнитный поток; I – проходящий по катушке ток.
Ток связан с МДС соотношением:
Откуда получаем:
где Rm = HL / Ф – магнитное сопротивление индуктивного датчика.
Рассмотрим, например, одинарный индуктивный датчик. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величены воздушного зазора.
Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки Rн подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как:
где rд - активное сопротивление дросселя; L - индуктивность датчика.
Т.к. активное сопротивление цепи величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей XL=IRн, которая зависит от величены воздушного зазора δ .
Каждому значению δ соответствует определенное значение I, создающего падение напряжения на сопротивлении Rн: Uвых=IRн - представляет собой выходной сигнал датчика. Можно вывести аналитическую зависимость Uвых=f(δ ), при условии что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа Rмж по сравнению с магнитным сопротвлением воздушного зазора Rмв.
Приведем конечное выражение:
В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:
Зависимость Uвых=f(δ) имеет линейный характер (в первом приближении). Реальная характеристика имеет вид:
Отклонение от линейности в начале объясняется принятым допущением Rмж<< Rмв.
При малых d магнитное сопротивление железа соизмеримо с магнитным сопротивлением воздуха.
Отклонение при больших d объясняются тем, что при больших d RL становится соизмеримой с величиной активного сопротивления - Rн+rд.
В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет ряд существенных недостатков:
не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;
при необходимости измерять в обоих направлениях перемещение нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I0,что неудобно;
ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;
в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается, и значит вносит погрешность в работу датчика.
Дифференциальные индуктивные датчики представляет собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками. Для дифференциальных индуктивных датчиков необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.
По форме магнитопровода могут быть дифференциально-индуктивные датчики с магнитопроводом Ш-образной формы, набранные из мостов электротехнической стали (при частотах выше 1000Гц применяются железоникелевые сплавы - пермолой), и цилиндрические со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш-образного магнитопровода обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.
Для питания дифференциально-индуктивного датчика используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между ним и общим концом обеих катушек включается прибор 4. Воздушный зазор 0,2-0,5 мм.
При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3" одинаковы следовательно величины токов в катушках равны I1=I2 и результирующий ток в приборе равен 0.
При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величены Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток I1-I2, он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью магнитоэлектрического прибора 4 (микроамперметра) с выпрямительной схемой В на входе.
Характеристика индуктивного датчика имеет вид:
Полярность выходного тока остается неизменной независимо от знака изменения полного сопротивления катушек. При изменении направления отклонения якоря от среднего положения меняется на противоположную (на 180°) фаза тока на выходе датчика. При использовании фазочувствительных выпрямительных схем можно получить индикацию направления перемещения якоря от среднего положения. Характеристика дифференциального индуктивного датчика с ФЧВ имеет вид:
Погрешность преобразования индуктивного датчика
Информативная способность индуктивного датчика в значительной мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей.
Можно выделить следующие погрешности индуктивного датчика:
1) Погрешность от нелинейности характеристики. Мультипликативная составляющая общей погрешности. Из-за принципа индуктивного преобразования измеряемой величины, лежащего в основе работы индуктивных датчиков, является существенной и в большинстве случаев определяет диапазон измерения датчика. Обязательно подлежит оценке при разработке датчика.
2) Температурная погрешность. Случайная составляющая. Ввиду большого числа зависимых от температуры параметров составных частей датчика составляющая погрешность может достичь больших величин и является существенной. Подлежит оценке при разработке датчика.
3) Погрешность от влияния внешних электромагнитных полей. Случайная составляющая общей погрешности. Возникает из-за индуцирования ЭДС в обмотке датчика внешними полями и из-за изменения магнитных характеристик магнитопровода под действием внешних полей. В производственных помещениях с силовыми электроустановками обнаруживаются магнитные поля с индукцией Тл и частотой в основном 50 Гц.
Поскольку магнитопроводы индуктивных датчиков работают при индукциях 0,1 – 1 Тл, то доля от внешних полей составит 0,05–0,005% даже в случае отсутствия экранирования. Введение экрана и применение дифференциального датчика снижают эту долю примерно на два порядка. Таким образом, погрешность от влияния внешних полей должна приниматься в рассмотрение только при проектировании датчиков малой чувствительности и с невозможностью достаточной экранировки. В большинстве случаев эта составляющая погрешности не является существенной.
4) Погрешность от магнитоупругого эффекта. Возникает из-за нестабильности деформаций магнитопровода при сборке датчика (аддитивная составляющая) и из-за изменения деформаций в процессе эксплуатации датчика (случайная составляющая). Расчеты с учетом наличия зазоров в магнитопроводе показывают, что влияние нестабильности механических напряжений в магнитопроводе вызывает нестабильность выходного сигнала датчика порядка, и в большинстве случаев эта составляющая может специально не учитываться.
5) Погрешность от тензометрического эффекта обмотки. Случайная составляющая. При намотке катушки датчика в проводе создаются механические напряжения. Изменение этих механических напряжений в процессе эксплуатации датчика ведет к изменению сопротивления катушки постоянному току и, следовательно, к изменению выходного сигнала датчика. Обычно для правильно спроектированных датчиков, т. е. эту составляющую не следует специально учитывать.
6) Погрешность от соединительного кабеля. Возникает из-за нестабильности электрического сопротивления кабеля под действием температуры или деформаций и из-за наводок ЭДС в кабеле под действием внешних полей. Является случайной составляющей погрешности. При нестабильности собственного сопротивления кабеля погрешность выходного сигнала датчика. Длина соединительных кабелей составляет 1–3 м и редко больше. При выполнении кабеля из медного провода сечением сопротивление кабеля менее 0,9 Ом, нестабильность сопротивления. Поскольку полное сопротивление датчика обычно больше 100 Ом, погрешность выходного сигнала датчика может составить величину. Следовательно, для датчиков, имеющих малое сопротивление в рабочем режиме, погрешность следует оценивать. В остальных случаях она не является существенной.
7) Конструктивные погрешности.
Возникают под действием следующих причин: влияние измерительного усилия на деформации деталей датчика (аддитивная), влияние перепада измерительного усилия на нестабильность деформаций (мультипликативная), влияние направляющих измерительного стержня на передачу измерительного импульса (мультипликативная), нестабильность передачи измерительного импульса вследствие зазоров и люфтов подвижных частей (случайная). Конструктивные погрешности в первую очередь определяются недостатками в конструкции механических элементов датчика и не являются специфическими для индуктивных датчиков. Оценка этих погрешностей производится по известным способам оценки погрешностей кинематических передач измерительных устройств.
8) Технологические погрешности. Возникают вследствие технологических отклонений взаимного положения деталей датчика (аддитивная), разброса параметров деталей и обмоток при изготовлении (аддитивная), влияния технологических зазоров и натягов в соединении деталей и в направляющих (случайная).
Технологические погрешности изготовления механических элементов конструкции датчика также не являются специфическими для индуктивного датчика, их оценка производится обычными для механических измерительных устройств способами. Погрешности изготовления магнитопровода и катушек датчика ведут к разбросу параметров датчиков и к затруднениям, возникающим при обеспечении взаимозаменяемости последних.
9) Погрешность от старения датчика. Эта составляющая погрешности вызывается, во-первых, износом подвижных элементов конструкции датчика и, во-вторых, изменением во времени электромагнитных характеристик магнитопровода датчика. Погрешность следует рассматривать как случайную. При оценке погрешности от износа во внимание принимается кинематический расчет механизма датчика в каждом конкретном случае. На стадии конструирования датчика в этом случае целесообразно задавать срок службы датчика в нормальных для него условиях эксплуатации, за время которого дополнительная погрешность от износа не превысит заданной величины.
Электромагнитные свойства материалов изменяются во времени.
В большинстве случаев выраженные процессы изменения электромагнитных характеристик заканчиваются в течение первых 200 часов после термообработки и размагничивания магнитопровода. В дальнейшем они остаются практически постоянными и не играют существенной роли в общей погрешности индуктивного датчика.
Проведенное выше рассмотрение составляющих погрешности индуктивного датчика дает возможность оценить их роль в формировании общей погрешности датчика. В большинстве случаев определяющими являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность индуктивного преобразователя.
Индуктивные, оптические и другие виды датчиков широко используются в области промышленной электроники. И в этой статье вы узнаете, что из себя представляют датчики, какими они бывают, как применяются и где их можно приобрести. Особое внимание здесь уделится индуктивным датчикам, принципу их работы, видам и применению. Купить такие датчики непросто, поскольку они не производятся широким тиражом, но если есть заинтересованность в их покупке, приобрести индукционные датчики можно на сайте teko-com.ru .
Для начала давайте узнаем, что такое обычный датчик. Датчик - это устройство, выдающее определенный сигнал при появлении какого-то события. Иными словами, датчик реагирует на некоторые изменения и на его выходе активизируется дискретный, аналоговый или цифровой сигнал.
Виды датчиков
Датчиков существует огромное множество и здесь приведены самые часто используемые из всех видов.
Индуктивные. Активизация происходит благодаря наличию металла в зоне срабатывания. Другие наименования: индукционный, бесконтактный датчик, датчик присутствия или выключатель.
Оптические. По-другому называются фотодатчик, оптический выключатель, в быту датчик освещенности.
Емкостные. Такие датчики реагируют на наличие любого предмета в зоне активности.
Давления. Если нет давления воздуха и масла - сигнал на контроллер и тогда рвет аварийную цепь.
Электрические. Обыкновенные пассивные датчики, которые срабатывают тогда, когда к ним прикасается или давит предмет.
Что же такое индуктивные датчики?
По сути, индуктивный датчик - это прибор, который измеряет перемещение части оборудования. А при превышении пределов проходимости отключает его.
В основе работы датчика значится генератор, в который встроена катушка индуктивности. Собственно, отсюда и происходит название. При появлении металлосодержащего элемента в электромагнитной зоне катушки активизируется сигнал, зона резко меняется и это влияет на работу схемы. Проще говоря, нет металла - нет сигнала.
Виды индуктивных датчиков и параметры по которым датчики отличаются друг от друга.
1. Конструкция корпуса. Корпус бывает двух видов: прямоугольный и цилиндрический. Изготавливаются из металла или пластика.
2. Диаметр датчика. Основные варианты: 12 и 18 мм. Реже применяемы: 4 мм, 8 мм, 22 мм и 30 мм.
3. Количество проводов для подключения. Разделяются на двух-, трех-, четырех- и пятипроводные.
Двухпроводные - подобны выключателям, которыми мы включаем свет. Датчик включается в цепь нагрузки. Такие датчики легко применяются в монтаже, но слабы в нагрузке.
Трехпроводные - самые применяемые. Два проводе для питания и один для нагрузки.
Четырехпроводные - используются как два выхода на нагрузку.
Пятипроводные - применяются при выборе режима работы или состояния выхода.
4. Расстояние переключения. Расстояние до металлической пластины, которое необходимо для точного срабатывания датчика. Для мелких датчиков: от 0 до 2 мм, для средних: от 4 мм до 8 мм и для крупных: до 30 мм.
5. Выходы датчиков. Бывает только три варианта выходов датчиков:
Релейный. Реле коммутирует нужное напряжение либо использует один из проводов питания. Главным плюсом такого выхода является то, что обеспечивается полная развязка от схемы питания счетчика.
Транзисторный PNP. На выходе стоит транзистор PNP, а это значит, что есть коммутация "плюсового" провода. К "минусу" нагрузка включена постоянно.
Транзисторный NPN. На выходе - транзистор NPN, коммутируется "минусовый" провод. К "плюсу" нагрузка включена постоянно.
Применение индуктивного датчика
В области промышленной автоматики индуктивные датчики широко применяются для определения положения какой-то части механизма. Сигнал с выхода переключается на вход контроллера, реле, пускателя и т.п. Главное, чтобы все соответствовало току и напряжению.
Достоинства и недостатки индуктивных датчиков
А сейчас мы узнаем, чем так хороши эти датчики, а чего в них стоит остерегаться.
Простота и надежность конструкции.
Повышенная чувствительность.
Выдержка большой выходной мощности.
Индуктивный датчик приближения. Внешний вид
В промышленной электронике индуктивные, и другие датчики применяются очень широко.
Статья будет обзорной (если хотите, научно-популярной). Приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.
Виды датчиков
Итак, что вообще такое датчик. Датчик – это устройство, которое выдаёт определённый сигнал при наступлении какого-либо определённого события. Иначе говоря, датчик при определённом условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал.
Точнее можем посмотреть в Википедии: Датчик (сенсор, от англ. sensor) - понятие в системах управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
Там же и много другой информации, но у меня своё, инженерно-электронно-прикладное, видение вопроса.
Датчиков бывает великое множество. Перечислю лишь те разновидности датчиков, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.
Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия – датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут “proximity sensor”. Фактически это – датчик металла.
Оптические. Другие названия – фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются “датчик освещённости”
Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.
Давления . Давления воздуха или масла нет – сигнал на контроллер или рвёт . Это если дискретный. Может быть датчик с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.
Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него наезжает или давит объект.
Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами .
Пока хватит, перейдём к теме статьи.
Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.
В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.
Поле индукционного датчика. Металлическая пластина меняет резонансную частоту колебательного контура
Схема индуктивного npn датчика. Приведена функциональная схема, на которой: генератор с колебательным контуром, пороговое устройство (компаратор), выходной транзистор NPN, защитные стабилитрон и диоды
Большинство картинок в статье – не мои, в конце можно будет скачать источники.
Применение индуктивного датчика
Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма. Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, пускателя, и так далее. Единственное условие – соответствие по току и напряжению.
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?
Подписывайся, и читай статью дальше:
Работа индуктивного датчика. Флажок движется вправо, и когда достигает зоны чувствительности датчика, датчик срабатывает.
Кстати, производители датчиков предупреждают, что не рекомендуется подключать непосредственно на выход датчика лампочку накаливания. О причинах я уже писал – .
Характеристики индуктивных датчиков
Чем отличаются датчики.
Почти всё, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим и ёмкостным датчикам .
Конструкция, вид корпуса
Тут два основных варианта – цилиндрический и прямоугольный . Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса – металл (различные сплавы) или пластик.
Диаметр цилиндрического датчика
Основные размеры – 12 и 18 мм . Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.
Чтобы закрепить датчик 18 мм, нужны 2 ключа на 22 или 24 мм.
Расстояние переключения (рабочий зазор)
Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надёжное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние – от 0 до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм – до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков – до 20…30 мм.
Количество проводов для подключения
Подбираемся к схемотехнике.
2-проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки.
2-проводный датчик. Схема включения
Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением – не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Можно вообще не думать, как их подключать. Главное – обеспечить ток.
3-проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один – для нагрузки. Подробнее расскажу отдельно.
4- и 5-проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод – выбор режима работы или состояния выхода.
Виды выходов датчиков по полярности
У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента:
Релейный. Тут всё понятно. Реле коммутирует необходимое напряжение либо один из проводов питания. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка от схемы питания датчика, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением. Используется в основном в крупногабаритных датчиках.
Транзисторный PNP. Это – PNP датчик. На выходе – транзистор PNP, то есть коммутируется “плюсовой” провод. К “минусу” нагрузка подключена постоянно.
Транзисторный NPN. На выходе – транзистор NPN, то есть коммутируется “минусовой”, или нулевой провод. К “плюсу” нагрузка подключена постоянно.
Можно чётко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод и коммутируется. Другой провод подключен к нагрузке постоянно.
Ниже будут даны схемы включения датчиков , на которых будет хорошо видно эти отличия.
Виды датчиков по состоянию выхода (НЗ и НО)
Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров – электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).
Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание) либо выключен. Соответственно, говорят – нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт либо нормально открытый (НО) контакт. В иностранной аппаратуре, соответственно – NС и NО.
То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков – то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода:
- PNP NO
- PNP NC
- NPN NO
- NPN NC
Положительная и отрицательная логика работы
Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле).
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ или ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.
ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ логика: вход контроллера активизируется (логическая “1”) при подключении к ЗЕМЛЕ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В=. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.
ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика: вход активизируется при подключении к +24 В=. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с ЗЕМЛЕЙ. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.
Существуют варианты различных устройств и подключения к ним датчиков, спрашивайте в комментариях, вместе подумаем.
Продолжение статьи – . Во второй части даны реальные схемы и рассмотрено практическое применение различных типов датчиков с транзисторным выходом.