Бесконтактные индуктивные преобразователи

Линейные дифференциальные трансформаторы

Линейные дифференциальные трансформаторы (ЛДТ) являются точным и надежным средством для измерения линейного перемещения. ЛДТ широко используются в современной механообработке, робототехнике, авиации и компьютеризированном производстве. ЛДТ известны давно, во время второй мировой войны применялись в военной технике (в авиации, в торпедах и системах управления оружием).

ЛДТ (см. Рис.6.2) являются датчиками, у которых выходное напряжение пропорционально положению перемещающегося ферромагнитного сердечника. Сердечник перемещается вдоль оси внутри трансформатора, состоящего из центральной (первичной) обмотки и двух вторичных обмоток цилиндрической формы.

Первичная обмотка возбуждается источником переменного напряжения (частота обычно составляет несколько КГц), наводя при этом во вторичных обмотках напряжения, которые меняются с изменением положения магнитного сердечника внутри сборки. Обычно, сердечник снабжается изнутри резьбой, для того чтобы облегчить крепление немагнитного штока, который в свою очередь прикрепляется к объекту, перемещение и смещение которого будет измеряться. Вторичные обмотки наматываются встречно, и когда сердечник находится в центре, напряжения на вторичных обмотках равны и противоположны по знаку, а выходное результирующее напряжение равно нулю. Когда сердечник смещается от центра, напряжение во вторичной обмотке, в сторону которой этот сердечник смещается, возрастает, в то время как напряжение на противоположной обмотке уменьшается.

В результате выходное дифференциальное напряжение меняется линейно в зависимости от положения сердечника. Линейность такой системы в рабочем диапазоне перемещения сердечника весьма высока: 0.5 % или лучше. ЛДТ обеспечивает хорошую точность, линейность, чувствительность и разрешение, обладает высокой жесткостью, работает без трения элементов преобразователя.

ЛДТ обладает широким спектром диапазонов измерения перемещения, обычно от ± (0,01 … 250) мм. Типовые значения напряжения возбуждения 1 … 24 В, частота - 50 … 20000 Гц.

В реальности истинного нулевого значения выходного напряжения при расположении сердечника в центре не будет вследствие рассогласования вторичных обмоток и наличия индуктивности рассеяния. Кроме того, простое измерение выходного напряжения не дает информацию о том, в какую сторону от нулевой позиции движется сердечник.

Поэтому используют цепь преобразования измерительного сигнала, которая устраняет перечисленные проблемы. Величины выходных напряжений А и В вычитаются и определяется знак перемещения измерительного штока от центрального положения.

В данном устройстве используется прецизионный выпрямитель, работу которого схематично поясняет рисунок.

Сигнал подается на преобразователь напряжение/ток (ПНТ), с выхода которого подается на вход аналогового умножителя. Знак входного сигнала определяется компаратором, выход которого изменяет знак выходного сигнала умножителя (умножение на =/- 1). Результирующее выходное напряжение является точной копией абсолютной величины входного напряжения.

Известной фирмой Analog Devices выпускается микросхема AD598 индустриального стандарта, которая выполняет всю необходимую обработку сигналов, поступающих с ЛДТ.

С помощью внешнего конденсатора можно менять частоту возбуждения внутреннего генератора от 20 Гц до 20 КГц. Для формирования функции [А - В]/[А + В] используются специальные аналоговые цепи. Отметим, что данная функция не зависит от амплитуды напряжения возбуждения на первичной обмотке из условия, что сумма выходных напряжений ЛДТ остается постоянной по всему рабочему диапазону.

Бесконтактные индуктивные преобразователи

Одной из разновидностей рассматриваемых типов преобразователей являются бесконтактные индуктивные преобразователи, два конструктивных варианта которых схематично представлены на рисунке ( а, б ). Отличаются эти варианты друг от друга исполнением активных элементов.

Основой этих элементов являются катушки, намотанные, в первом случае, на тороидальных ферромагнитных сердечниках (а), во втором – на цилиндрических каркасах, внутри которых находятся ферромагнитные вставки (б). Указанные элементы размещены в диэлектрическом корпусе 3, который, в свою очередь, закреплен в металлическом корпусе 4.

С тыльной стороны датчика имеются винты 5, которые используются при настройке измерительной системы. Конфигурация корпуса 4 датчиков может быть различной, в зависимости от конкретных условий применения.

Бесконтактные индуктивные датчики могут применяться в различных измерительных схемах. Катушки датчика включаются в схему моста переменного тока, при этом магнитное поле катушки, размещенной в передней части датчика взаимодействует с контролируемой поверхностью, а вторая катушка, включенная в смежное плечо моста выполняет роль термокомпенсатора. При этом реализуется схема, при которой изменение воздушного зазора между рабочим торцом датчика и контролируемой поверхностью приводит к изменению индуктивности активного элемента датчика и к пропорциональному изменению сигнала на выходе моста переменного тока. Описываемые датчики могут применяться для контроля динамических процессов, например, виброперемещений, или затухающих колебаний конструкции.

Контролируемая поверхность поверхность должна быть металлической (например, сталь, чугун, алюминий). Должна быть выполнена калибровка измерительной системы применительно к условиям измерений.

Датчики Холла

В настоящее время очень широко применяются интегральные датчики магнитного поля, использующие эффект, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E. Hall) в 1879 г.

Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла.

Для прямоугольной пластины с однородными током и магнитным полем, направленными, как показано на рис., эта э.д.с. равна:

где k_н – постоянная Холла, V_S – напряжение, создаваемое на токоподводящих выводах датчика Холла, B – магнитная индукция. Для кремния k_н составляет величину по рядка 70 мВ/(В•Тл). ЭДС датчика Холла требуется, как правило, усиливать.

Интегральные датчики Холла

Датчики Холла являются основой многих типов датчиков, таких как датчики линейного или углового перемещения, датчики магнитного поля, датчики тока, датчики расхода и др. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования делают их незаменимыми в приборостроении, автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности. Интегральные датчики Холла производят такие фирмы, как Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices и др.

Первая группа интегральных датчиков Холла – это линейные устройства, применяющиеся в измерителях напряжённости магнитного поля. Как правило, эти устройства содержат схемы усиления сигнала датчика. Необходимая предварительная обработка сигнала обычно заключается в усилении и температурной компенсации. Может понадобиться также стабилизация питающего напряжения. При отсутствии магнитного поля выходное напряжение датчика должно быть равно нулю, поэтому требуется дифференциальный усилитель (рис. 3). Современные технологии позволяют ввести в состав ИМС датчиков магнитного поля сложные цифровые системы обработки информации. Примером такой ИМС может служить HAL805 фирмы Micronas Intermetall, содержащий на кристалле в трёхвыводном корпусе ТО92 АЦП, ЦАП, ЦПС и энергонезависимую память. Такая структура позволяет программировать чувствительность и смещение датчика, осуществлять фильтрацию помех и механических возмущений.

1 Тл = 10⁴ Гс

В ´ 10^-4, Тл

Схема ИМС линейного датчика Холла (а) и график его характеристики преобразования (б)

Вторая группа включает в себя микросхемы компараторного типа с логическими уровнями напряжения на выходе. Эта группа более многочисленна в силу большего числа возможных применений. Микросхемы с логическим выходом (рис. 4а) делятся на две подгруппы: переключатели и триггеры. Униполярный переключатель срабатывает только при наличии магнитного поля одной полярности и гарантирует выключенное состояние в отсутствие магнитного поля; магнитное поле противоположной полярности не оказывает на него никакого влияния (см. рис. 4б). Биполярный триггер, напротив, реагирует на обе полярности: включается при приближении северного или южного полюсов магнита и выключается только в том случае, если поле с противоположным знаком достигнет определенного уровня. Термин «биполярный переключатель» обычно применяется к триггерам, реагирующим на пропадание поля. Такие переключатели переходят во включённое состояние при наличии магнитного поля, а выключаются при снижении уровня той же полярности, отсутствии поля, или в присутствии поля с противоположным знаком (см. рис. 4в). Наличие ступени гистерезиса, которая является разностью между величинами магнитного поля в точках включения и выключения, повышает помехозащищенность устройства.

Применение датчиков Холла

Линейные датчики Холла:

датчики тока;
приводы переменной частоты вращения;
схемы управления и защиты электродвигателей;
датчики положения;
датчики расхода;
бесколлекторные двигатели постоянного тока;
бесконтактные потенциометры;
датчики угла поворота;
детекторы ферромагнитных тел;
датчики вибрации;
тахометры.
Логические датчики Холла:
датчики частоты вращения;
устройства синхронизации;
датчики систем зажигания автомобилей;
датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0,5 мм);
счётчики импульсов (принтеры, электроприводы);
датчики положения клапанов;
блокировка дверей;
бесколлекторные двигатели постоянного тока;
измерители расхода;
бесконтактные реле;
детекторы приближения;
считыватели магнитных карточек или ключей;
датчики бумаги (в принтерах).

Датчики тока
Линейные датчики Холла могут быть использованы в составе измерителей силы тока в пределах от 250 мА до тысяч ампер. Важнейшим достоинством таких датчиков является полное отсутствие электрической связи с измеряемой цепью. Линейные датчики позволяют измерять постоянные и переменные токи, в том числе токи довольно высокой частоты. Если линейный датчик Холла расположен вблизи проводника с током, то выходное напряжение датчика пропорционально индукции магнитного поля, окружающего проводник. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна току.

В простейшем случае датчик тока представляет собой конструкцию, в которой датчик Холла устанавливается около провода, по которому течёт измеряемый ток. Чувствительность датчика тока может быть значительно увеличена путём использования концентратора магнитного потока в виде магнитопровода с прорезью, в которую помещается линейный датчик Холла.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока отличаются от обычных двигателей постоянного тока, имеющих коллекторно-щёточный узел, прежде всего тем, что коммутация секций якорной обмотки осуществляется электронной схемой, а не механическими скользящими контактами. Поэтому такие двигатели имеют гораздо большие надёжность и ресурс, требуют меньше обслуживания, почти не создают электромагнитных помех и могут использоваться при пониженном атмосферном давлении.

Рисунок показывает, как может быть получена информация о положении ротора для управления электронным коммутатором с помощью трёх датчиков Холла. Работа двигателя этого типа, представляющего собой по существу синхронный двигатель, основана на принципе самосинхронизации. Необходимую для работы датчиков Холла конфигурацию магнитного поля создают постоянные магниты, установленные на валу ротора. Датчики считывают угловую позицию вала и передают эту информацию схеме управления, которая обеспечивает своевременное отпирание и запирание силовых ключей электронного коммутатора обмоток статора. Подобные датчики положения ротора используются и в системах векторного управления двигателями переменного тока.

Датчик частоты вращения

Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 176; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!