Основные теоретические сведения об индукционных датчиках

В основе физического принципа работы индукционного дат­чика лежит явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении э. д. с. на зажимах катушки индуктивности при изменении во времени магнитного потока, сцеп­ленного с этой катушкой:

, (1)

где - э. д. с. индукции, В;

- число полных витков катушки индуктивности;

- скорость изменения магнитного потока, Вб/с.

Из формулы (1) следует, что естественной входной величиной индукционного датчика может быть скорость линейного илиуг­лового перемещения.

Использование индукционных датчиков в качестве тахометров предполагает два возможных технических решения поставленной задачи:

§ использование датчика в аналоговом режиме;

§ использование датчика в дискретном режиме.

Датчики используемые в аналоговом режиме получили название тахогенераторов. Конструктивные особенности тахогенераторов таковы, что с высокой степенью точности, можно считать, что магнитный поток, создаваемый либо постоянным магнитным потоком, либо током обмотки возбуждения, при вращении ротора с угловой скоростью меняется по гармоническому закону, т. е.

,

где - амплитудное значение магнитного потока, Вб;

- угловая скорость вращения ротора, рад/с,

Отсюда следует, что

,

где .

То есть , амплитудное значение э. д. с., пропорционально . Однако величина подвержена изменению во времени, осо­бенно в случае применения для возбуждения постоянного магнита, характеристики которого зависят, кроме того, и от температуры. Температурная погрешность индукционных датчиков с постоянными магнитами иногда достигает 10÷15%. Величина м. д. с. (магнитнодвижущей силы) постоянного магнита с течением времени самопроизвольно меняется и иногда падает более чем. на 50% при воздействии ударных и вибрационных ускорений. Из изложенного следует, что тахогенераторы не могут быть исполь­зованы для высокоточных измерений угловых скоростей.

Во втором случае датчик используется в дискретном режиме и его естественной выходной величиной является не э. д. с. как в тахогенераторе, а частота следования импульсов на выходе датчика.

На рис.1 изображена схема устройства простейшего датчика с индукционным преобразователей для измерения скорости вращения, который, в соответствие с общепринятой классификацией, относится к датчикам развертывающего преобразования.

Датчик представляет собой катушку индуктивности 1, сердечник 2, который является постоянным магнитом. Катушка индук­тивности 1 находится внутри стакана 3 - корпуса датчика. Торцевая часть катушки закрыта тонкой мембраной 4, имеющей вы­сокое сопротивление магнитному потоку. На вращающемся валу 6, угловая скорость которого измеряется, находится одна или несколько вставок - зубцов 5, выполненных.из материала с малым сопротивлением магнитному потоку.

Рис.1. Схема устройства датчика с индукционным преобразователей для измерения угловых скоростей.

При отсутствии вставки вблизи мембраны преобразователя (см. рис. 2а) магнитные силовые линии постоянного магнита замыкаются через мембрану датчика и, большей частью, через воздушный промежуток, т.е. величина магнитного сопротивления велика.
Если же оси вставки и преобразователя совпадают (см. рис.26), основная часть магнитного потока замыкается через вставку и воздушный зазор , величина которого достаточно мала, т. е. магнитное сопротивление, в этом случае меньше, чем в рассмотренном выше. Из закона Ома для магнитной цепи следует, что
при вращении вала магнитный поток меняется, что иллюстрируется графиком на рис. 3, следовательно, на зажимах катушки возникает э.д.с. в силу закона электромагнитной индукции.

Рис.2. Модуляция магнитного потока.

Рис.3. Временные диаграммы магнитного потока и э. д. с. индукции.

Если - известный интервал времени, число вставок равно , а число однополярных импульсов за время равно ,

то ,

где - угол поворота, рад;

или

,

где - число оборотов вала в минуту.

Из формулы (3) следует, что результат измерения - угловая скорость - не зависит от температуры, качества выполнения магнитной системы, старения магнита, расстояния между вставкой и мембраной датчика. Максимальная частота таких датчиков не превышает нескольких сотен Герц, поэтому они могут использоваться совместно как с аналоговым (конденсаторным частотомером), так и с цифровым регистратором (цифровым частотомером). Погрешность измерений, в случае цифровой регистрации, зависит от погрешности квантования (которая может быть уменьшена за счет увеличения ) и погрешностью определения длительности интервала времени .

К достоинствам частотных (импульсных) индукционных тахометров относятся: высокая точность измерений, высокий уровень выходного сигнала (несколько вольт), низкое выходное сопротивление, отсутствие дополнительного источника питания.

Недостатки индукционных тахометров следующие: зависимость амплитуды выходного сигнала от угловой скорости, затрудняющая измерение малых скоростей, а также наличие тормозного момента, препятствующее применению этих датчиков в маломощных установках.