Принцип работы индуктивного датчика
В отличие от популярных в прошлом электромеханических выключателей индуктивные датчики относятся к оборудованию с бесконтактным принципом работы, т. е. для срабатывания датчику не требуется физический контакт с объектом. Это означает отсутствие механического износа, что оказывает существенное влияние на время жизни компонентов и исключает необходимость их обслуживания. В силу принципа действия индуктивные датчики используются в случаях, когда требуется определять металлический, либо изготовленный из магнитных/ферромагнитных материалов объект или предмет. Неметаллические объекты датчиком игнорируются.
В общем случае индуктивный датчик состоит из нескольких основных компонентов:
— металлический (чаще всего латунный или стальной), либо пластиковый корпус, в котором помещаются все компоненты датчика;
— катушка колебательного контура, находящаяся непосредственно за пластиковой или металлической т. н. чувствительной поверхностью датчика;
— генератор, создающий электромагнитное поле;
— триггер Шмитта, преобразующий аналоговый сигнал в логический дискретный;
— усилитель, обеспечивающий достаточный уровень выходного сигнала для дальнейшей его передачи;
— один или несколько светодиодных индикаторов – чаще всего для индикации срабатывания, но в отдельных случаях также указывающий на наличие питания датчика и статус конфигурирования;
— компаунд, которым заливается всё внутреннее пространство датчика для защиты электронных компонентов от попадания влаги и мелких частиц;
— кабель, клеммная коробка, либо разъём для подключения датчика.
Принцип действия индуктивного датчика основывается на изменении индуктивности катушки и сердечника – потому датчик и называется индуктивным. Он сводится к нескольких основным этапам:
— на датчик подаётся питание
— генератор вырабатывает магнитное поле в области катушки
— при попадании в область действия датчика металлического, магнитного или ферромагнитного объекта в нём наводятся вихревые токи, изменяющие амплитуду колебаний генератора
— изменение амплитуды обеспечивает выходной аналоговый сигнал
— триггер Шмитта преобразует аналоговый сигнал в логический дискретный
— усилитель повышает уровень сигнала до необходимого значения
Как и любое другое электронное устройство, индуктивный датчик обладает рядом основных и второстепенных параметров. Первые являются основными при подборе датчика для решения конкретной задачи, в то время как вторые позволяют установить пригодность датчика для использования в специфических условиях.
По всем вопросам обращайтесь по телефонам или e-mail .
Принцип работы индуктивного датчика Принцип работы и схема подключения Индуктивного датчика
Индуктивные датчики
Индуктивный датчик — это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности 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);
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.
где W– число витков; Ф – пронизывающий ее магнитный поток; I – проходящий по катушке ток.
Ток связан с МДС соотношением:
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 (реверсивные) индуктивные датчики (ДИД)
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.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Принцип работы и виды индуктивных датчиков, способы подключения
Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.
Общее описание и назначение
Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.
По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.
Одинарные
Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.
Дифференциальные
Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.
Устройство и схема
Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.
Генератор
Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.
Триггер Шмидта
Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.
Усилитель
Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.
Специальный индикатор
Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.
Компаунд
Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.
Принцип работы
Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.
В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.
Параметры
Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.
Напряжение питания
Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.
Минимальный ток переключения
Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.
Рабочие расстояния
Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.
Частота переключения
Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.
Способ подключения
Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.
Трехпроводные
Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.
Четырехпроводные
Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.
Двухпроводные
Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.
Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.
Пятипроводные
Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.
Цветовая маркировка
Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:
- минус обычно указывается синим;
- плюс — красным;
- выход — черным;
- белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.
Погрешности
Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.
Электромагнитная
Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.
От температуры
Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.
Магнитной упругости
Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.
Деформация элементов
Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.
Кабеля
Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.
Старение
Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.
Технологии
Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.
Сферы использования
Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.
Медицинские аппараты
Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.
Бытовая техника
В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».
Автомобильная промышленность
Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.
Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.
Робототехническое оборудование
В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.
Промышленная техника регулирования и измерения
Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.
Индукционные датчики следующего поколения
Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.
К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:
- снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
- возможность выбора практически любых форм-факторов;
- повышение точности реагирования на металлические объекты;
- возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
- упрощение конструкции;
- возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.
Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.