Магнитные и емкостные датчики

К магнитным относят датчики, в которых реализуется взаимо­связь между магнитным полем и контролируемой входной величиной (неэлектрической или электрической).

Индуктивные и трансформаторные датчики используют в своей работе явление изменения индуктивности или взаимоиндуктивности катушки со стальным сердечником при перемещении подвижной части магнитной системы (стального ярма). Они получили очень широкое распространение благодаря простоте и надежности конструкции, большой мощности на выходе и отсутст­вию подвижных контактов. Индуктивные и трансформаторные дат­чики действуют от сети переменного тока на частотах от 50 Гц до нескольких килогерц и способны измерять линейные и угловые перемещения в диапазоне от десятых долей микрона до нескольких десятков миллиметров.

В простейшем индуктивном датчике с плоским подвижным якорем, схема и характеристика которого приведены на рисунке 67, а и б, входной величиной является изменение воздушного зазора δ, а выходной — ток І_п во вторичном приборе П. Сила тока І_п зави­сит от индуктивного сопротивления обмотки и активных сопротив­лений обмотки и прибора. Индуктивное сопротивление прибора много меньше, чем датчика, и им можно пренебречь. Индуктивность (Г) катушки с учетом двух воздушных зазоров определяется по прибли­женной формуле

L = (43)

а ток (А) на выходе

I_п = /44)

где R = R_об+ R _п— суммарное активное сопротивление обмотки и вторичного прибора, Ом;

ωL-индуктивное сопротивление обмотки, Ом;

ω – число витков катушки;

Ѕ — поперечное сечение магнитопровода, м²;

δ — воздушный зазор, м.

Чувствительность (А/м) датчика без учета активного сопротив­ления:

(45)

Простейший плоскостной датчик применяется очень редко, так как имеет серьезные недостатки: его характеристика II линейна в очень узкой области и сильно отличается от расчетной характеристики I, фаза выходного сигнала не реагирует на смену знака входной величины.

Рис. 67. Схемы индуктивных и трансформаторных датчиков: а — простейший плоскостной; б — характеристика плоскостного датчи­ка; в — дифференциальный плоскостной; г — дифференциальный плунжер­ный; д — трансформаторный датчик угла поворота; е — характеристики плунжерных и трансформаторных датчиков; 1— подвижный якорь; 2 — неподвижный магнитопровод; 3 — пружина; 4 — подвижный плунжер.

Кроме того, при достаточно большом выходном сигнале на ярмо датчика действует значительная сила притяжения. Отличие реальной характеристики от расчетной при малых воздушных зазорах объяс­няется главным образом наличием тока холостого хода, а при боль­ших — сказывается влияние активного сопротивления обмотки.

В дифференциальном индуктивном датчике, получившем прак­тическое применение, входной величиной является смещение плун­жера (якоря) относительного среднего положения, а выходной — геометрическая разность токов І_{1 -} І₂ (рис. 67, в и г). Когда плун­жер находится в нейтральном положении, эти токи равны друг другу І₁₌І₂ следовательно, ток во вторичном приборе отсутствует.

Рис. 68. Датчик э. д.с. Холла.1— полупроводниковая пластина .2—металлизированные грани для подвод.

При смещении плунжера изменяются ин­дуктивные сопротивления обмоток датчика, поэтому нарушается равен­ство токов I₁ и І₂ и появляется вы­ходной сигнал (рис. 67, е). Фаза выходного сигнала зависит от на­правления отклонения плунжера.

У трансформаторного датчикаугла поворота( рис .67, д) при э.д.с. в обмотке среднего сердечника не наводится, по­скольку магнитные потоки, создаваемые намотанными в противо­положном направлении обмотками крайних сердечников, равны и направлены встречно. Когда же якорь смещается, магнитное сопро­тивление для потока одной обмотки увеличивается, а для потока второй уменьшается, вследствие чего на выходе датчика появляются напряжение и ток.

На рисунке 67, е показана характеристика плунжерных и транс­форматорных датчиков.

Простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих кон­тактов обеспечивают высокую надежность индуктивных и трансфор­маторных датчиков. Они имеют более высокий передаточный коэф­фициент и к. п. д., чем потенциометрические. К их общим недостат­кам следует отнести трудности настройки, отклонение реальной харак­теристики от расчетной и возможность работы лишь на переменном токе.

Датчик э. д. с. Холла представляет собой полупровод­никовую пластину с четырьмя выводами, помещенную в магнитное поле (рис. 68). К двум выводам пластины подводится ток I. При изме­нении магнитного поля носители электричества отклоняются от пер­воначального направления движения тока и создают на двух других выводах разность потенциалов U_x. Таким образом, входной величиной является здесь изменение магнитного поля с индукцией В в результате механических воздействий (перемещение постоянного магнита, вве­дение экрана и т. д.), а выходной — изменение напряжения U_x.

Напряжение на выходе (В), или так называемая э. д. с. Холла,

(46)

где к — коэффициент Холла, изменяющийся для различных полупроводниковых материалов в пределах от 10^-2 до 9·10^-9 м³/А·с;

h — толщина пластины, м;

В — магнитная индукция, Тл;

I —ток через пластину, А.

К достоинствам датчиков Холла следует отнести широкий диапазон входных и выходных сопротивлений, малые размеры, высокую вибро­устойчивость и практически неограниченный срок службы.

К магнитоуправляемым датчикам относят магнитоуправляемые контакты и магнитосопротивления.

Магнитоуправляемые контакты(герконы) помещены в гермети­ческий баллон с изолирующей жидкостью или инертным газом. Они срабатывают при приближении к баллону постоянного магнита или электромагнита переменного тока, закрепленного на перемещаю­щейся детали. Большим их преимуществом является простота конст­рукции, герметичность и низкая стоимость.

Датчики магнитосопротивленияиспользуют в своей работе явление увеличения электрического сопротивления некоторых про­водников и полупроводников в магнитном поле. При изменении маг­нитного поля под действием входной величины относительное изме­нение удельного сопротивления элемента достигает сотен и тысяч единиц и определяется квадратичным законом:

(47)

где В — индукция магнитного поля;

А — коэффициент, зависящий от формы элемента магнитосопротивления; — подвижность носителей тока, м²/В-с.

Магнитоупругие датчики применяют для измере­ния механических усилий, малых деформаций и обнаружения начала пластических деформаций. Действие их основано на зависимости магнитных характеристик ферромагнитных (магнитострикционных) материалов от механического напряжения в материале. Изменение магнитных характеристик материала магнитопровода сказывается в изменении индуктивности или взаимной индуктивности обмоток датчика, жестко укрепленного на исследуемой детали (рис. 69, а). Под действием механических сил, не превосходящих предела упру­гости, у ферромагнитных материалов происходит изменение крутизны петли гистерезиса (рис. 69, б). Сущест­венные недостатки магнитоупругих датчиков (необходимость индивидуаль­ной калибровки и необратимые изме­нения магнитных свойств материала) ограничивают область их применения.

Рис. 69. Магнитоупругий датчик:

а — рабочий элемент датчика; б — характеристика ферромагнитного ма­териала датчика; 1 — магнитопровод; 2 — исследуемая деталь; 3 — слой клея или припоя; а — растягивающее напряжение.

Рис 70. Ёмкостные датчики

а — с изменением зазора ; б — с изменением площади обкладок; в — сизменением диэлектрической проницаемости межобкладочного пространства.

Емкостные датчикипреобразуют разнообразные входные воздействия (меха­нические усилия, линейные или угловые перемещения в изменение своей электри­ческой емкости. Обычный ем­костный датчик представляет собой конденсатор, у кото­рого под действием входных величин изменяется расстоя­ние между обкладками б или площадь обкладок S. На рисунке 70 схематически представлены разновидности ёмкостных датчиков .

Ёмкость (Ф) плоскостного датчика (рис.70, а и б )

(48)

где = 8,85-КГ¹³ Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума (воздуха)' 8 — относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.

Относительное изменение емкости

Зная изменения какого-либо параметра датчика, например и , возникшее в результате действия входной величины, не трудно определить чувствительность плоскостного датчика:

(50)

Емкость (Ф) цилиндрического датчика (рис. 70, в)

(51)

где — диэлектрическая проницаемость среды, заполнившей нижнюю часть датчика.

Чувствительность (Ф/м) цилиндрического датчика

(52)

В емкостных датчиках применяют также специальные диэлект­рические и полупроводниковые материалы, диэлектрическая проницаемость которых весьма велика (ε = 1000 ÷ 30 000) и резко зави­сит от ряда внешних воздействий: температуры, электрической напря­женности постоянного и переменного поля, частоты и радиационных излучений, механического давления и т. д. Основываясь на этих зависимостях, разрабатывают датчики различных параметров [5].

Емкостные датчики практически безинерционны, и поэтому их применяют для измерения быстро меняющихся величин (колебания, вибрации, ускорения и т. п.). С целью увеличения чувствительности обращаются к дифференциальным и резонансным схемам включения емкостных датчиков. Поскольку мощность выходного сигнала этих датчиков мала, к ним присоединяют усилители. Необходимость умень­шения числа каскадов усиления и снижения емкостного сопротивле­ния вынуждает подавать на емкостные датчики питание от источни­ков повышенной частоты. Потребность в источниках повышенной частоты и большое влияние паразитных емкостей являются недостат­ками рассматриваемых датчиков.