Датчик в общем понимании – это устройство, преобразующее одну физическую величину в другую, удобную для обработки, передачи или последующего преобразования. Как правило, первая величина физическая, не поддающаяся непосредственному измерению (температура, скорость, перемещение и т.п.), а вторая – электрический или оптический сигнал. Свою нишу в области средств измерения занимают датчики, основным элементом которых служит катушка индуктивности.
Содержание
Как устроен датчик индуктивности и принцип его работы
По принципу действия индуктивные датчики относятся к активным, то есть, для работы им требуется внешний генератор. Он обеспечивает подачу на катушку индуктивности сигнала с заданной частотой и амплитудой.
Ток, проходящий через витки катушки, создает магнитное поле. Если в магнитное поле попадает токопроводящий предмет, параметры катушки изменяются. Остается только зафиксировать это изменение.
Простые бесконтактные датчики реагируют на появление металлических объектов в ближней зоне обмотки. При этом изменяется импеданс катушки, это изменение надо преобразовать в электрический сигнал, усилить и (или) зафиксировать прохождение порога с помощью схемы сравнения.
Датчики другого типа реагируют на изменение продольного положения объекта, который служит сердечником катушки. При изменении положения объекта он вдвигается или выдвигается из катушки, тем самым изменяя её индуктивность. Это изменение можно преобразовать в электрический сигнал и измерить. Другой вариант исполнения такого датчика – когда объект надвигается на катушку снаружи. Это вызывает уменьшение индуктивности вследствие экранного эффекта.
Ещё один вариант исполнения индуктивного датчика перемещения – линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT). Он представляет собой составную катушку, выполненную в следующем порядке:
- вторичная обмотка 1;
- первичная обмотка;
- вторичная обмотка 2.
Сигнал с генератора подается на первичную обмотку. Магнитное поле, создаваемое средней катушкой, наводит ЭДС в каждой из вторичных (принцип трансформатора). Сердечник при его перемещении изменяет взаимную связь между катушками, изменяя электродвижущую силу в каждой из обмоток. Это изменение можно зафиксировать схемой измерения. Так как длина сердечника меньше общей длины составной катушки, то по соотношению ЭДС во вторичных обмотках можно однозначно определить положение объекта.
На этом же принципе – изменение индуктивной связи между обмотками – построен датчик поворота. Он состоит из двух соосных катушек. Сигнал подаётся на одну из обмоток, ЭДС во второй зависит от взаимного угла поворота.
Из принципа действия очевидно, что индуктивные датчики, независимо от исполнения, относятся к бесконтактным. Они работают на расстоянии, и непосредственного касания контролируемого объекта не требуют.
Достоинства и недостатки индуктивных датчиков
К плюсам датчиков индуктивного типа в первую очередь относят:
- надежность конструкции;
- отсутствие контактных соединений;
- большую выходную мощность, что снижает влияние шумов и упрощает схему управления;
- высокая чувствительность;
- возможность работы от источников переменного напряжения промышленной частоты.
К основному недостатку датчиков индуктивного типа можно отнести их размеры, вес и сложность изготовления. Для намотки катушек с заданными параметрами требуется специальное оборудование. Также минусом считается необходимость точного поддержания амплитуды сигнала с задающего генератора. При её изменении меняется и область чувствительности. Так как датчики работают только на переменном токе, поддержание амплитуды становится определенной технической проблемой. Напрямую (или через понижающий трансформатор) в бытовую или производственную сеть включить датчик не получится – в ней колебания напряжения по амплитуде или частоте могут даже в нормальном режиме достигать 10%, что делает точность измерения неприемлемой.
Также на точность измерения могут влиять:
- сторонние магнитные поля (экранировка датчика невозможна исходя из принципа его действия);
- сторонние наводки ЭДС в питающих и измерительных кабелях;
- погрешности при изготовлении;
- погрешность характеристики датчика;
- люфты или деформации в месте установки датчика, не влияющие на общую работоспособность;
- зависимость точности от температуры (изменяются параметры намоточного провода, включая его сопротивление).
Неспособность датчиков индуктивности реагировать на появление в их магнитном поле диэлектрических предметов можно отнести как к достоинствам, так и к недостаткам. С одной стороны, это ограничивает область их применения. С другой – делает нечувствительными к наличию на контролируемых объектах грязи, жиров, песка и т.п.
Знание недостатков и возможных ограничений при работе индуктивных датчиков позволяют рационально использовать их достоинства.
Область применения индуктивных датчиков
Индуктивные бесконтактные датчики часто применяют в качестве концевых выключателей. Такие устройства получили распространение:
- в охранных системах, как датчики несанкционированного открытия окон и дверей;
- в системах телемеханики, как датчики конечного положения узлов и механизмов;
- в быту в схемах индикации закрытого положения дверей, створок;
- для подсчета предметов (например, движущихся по ленте транспортера);
- для определения частоты вращения зубчатых колес (каждый зубец, проходя мимо датчика, создает импульс);
- в прочих ситуациях.
Датчики углового положения могут применяться для определения углов поворота валов, шестерней и других вращающихся узлов, а также в качестве абсолютных энкодеров. Также такие устройства могут использоваться в станочном оборудовании и в робототехнических устройствах наряду с датчиками линейного положения. Там, где надо точно знать положение узлов механизмов.
Практические примеры реализации индуктивных датчиков
На практике конструкции индуктивных датчиков могут быть реализованы по-разному. Самое простое исполнение и включение у двухпроводного одинарного датчика, который контролирует наличие металлических предметов в своей зоне чувствительности. Такие устройства часто делаются на основе Ш-образного сердечника, но это непринципиальный момент. Подобное исполнение проще в производстве.
При изменении сопротивления катушки меняется ток в цепи и падение напряжения на нагрузке. Эти изменения можно зафиксировать. Проблема в том, что сопротивление нагрузки становится критичным. Если оно слишком большое, то изменения тока при появлении металлического предмета будут относительно небольшими. Это снижает чувствительность и помехоустойчивость системы. Если оно мало, то ток в цепи будет велик, потребуется более стойкий датчик.
Поэтому существуют конструкции, у которых схема измерения встроена в корпус датчика. Генератор формирует импульсы, которые питают катушку индуктивности. При достижении определенного уровня срабатывает триггер, перебрасываясь из состояния 0 в 1 или обратно. Буферный усилитель усиливает сигнал по мощности и (или) напряжению, зажигает (гасит) светодиод и выдает дискретный сигнал для внешней схемы.
Выходной сигнал может формироваться:
- посредством электромагнитного или твердотельного реле – уровень напряжения нуля или единицы;
- «сухой контакт» электромагнитного реле;
- открытым коллектором транзистора (структуры n-p-n или p-n-p).
В этом случае для подключения датчика потребуется три провода:
- питание;
- общий провод (0 вольт);
- сигнальный провод.
Такие датчики могут питаться и от постоянного напряжения. Импульсы на индуктивность у них формируются посредством внутреннего генератора.
Для контроля положения используются дифференциальные датчики. Если контролируемый объект находится симметрично относительно обеих катушек, ток через них одинаков. При смещении в сторону поля любой обмотки происходит разбаланс, суммарный ток перестает быть равным нулю, что может быть зафиксировано индикатором со стрелкой посередине шкалы. По индикатору можно определить как величину смещения, так и его направление. Вместо стрелочного прибора можно применить схему управления, которая при получении информации об изменении положения выдаст сигнал, примет меры по выравниванию объекта, внесет коррективы в технологический процесс и т.п.
Датчики, выполненные по принципу линейно-регулируемых дифференциальных трансформаторов, выпускаются в виде законченных конструкций, представляющих собой каркас с первичной и вторичными обмотками и штоком, перемещающимся внутри (он бывает подпружиненным). Наружу выведены провода для подачи сигнала с генератора и съёма ЭДС со вторичных обмоток. К штоку механическим путём может быть присоединен контролируемый объект. Он может быть изготовлен и из диэлектрика – для измерения имеет значение лишь положение штока.
Несмотря на определенные врожденные недостатки, индуктивный датчик закрывает многие направления, связанные с бесконтактным определением предметов в пространстве. Несмотря на постоянное развитие технологий, такой тип устройств в обозримом будущем не уйдет с рынка измерительных устройств, ведь его действие основано на фундаментальных законах физики.
Похожие статьи:
Загрузка...