Реверсивные индуктивные датчики.

Включаются или по мостовой схеме (рис. 15а) или по дифференциальной (рис. 15б ). Усилие, действующее на якорь, равно разности сил притяжения со стороны встречно включённых рабочих обмоток. В среднем положении якоря при наличии полной симметрии реверсивного датчика результирую­щее усилие равно нулю, а в других положениях якоря оно небольшое.

 За начало отсчета перемещений берут среднее положение якоря, при котором схема будет уравновешена и падение напряжения на нагруз­ке U _Н = 0. При небольших отклонениях якоря напряжение U _Н возрастает. При изменении знака перемещения (переход якоря через среднее положение в противоположную сторону) фаза напряжения U _Н меняется на 180°.

В автоматике (в гироскопических устройствах) применяют также транс­форматорный индуктивный датчик (рис. 15б).

На обмотку W в, расположенную на среднем стержне, подается напряжение питания U н, а с обмоток W 1, и W 2, которые расположены на крайних стержнях и которые соединены между собой так, что наводимые в них ЭДС имеют противоположную фазу, снимается напряжение нагрузки Uн (выходное напряжение). При симметричном положении якоря 1 ЭДС в обмотках W 1 и W 2 равны между собой. В этом случае напряжение U н = 0.

При смещении якоря 1 от симметричного положения в обмотках W 1 и W 2 созда­ются разные по значению ЭДС, в результате чего происходит изменение напряжения U н. Фаза напряжения U н (выходного напряжения) определяется знаком отклонения якоря от его симметричного положения.

Например, если сердечник датчика отклонится влево, то ЭДС Е₂ уменьшится, так как зазор между правым стержнем сердечника и якорем увеличится, а. ЕДС Е₁ не изменится, так как зазор между правым стержнем сердечника и якорем не изменится. В итоге Е₂ станет меньше чем Е₁ , т.е. U н=Е₁-Е₂<0 и будет меньше иметь знак (+).

Рис. 15. а) индуктивный датчик соленоидного типа. б) трансформаторный индуктив­ный датчик. 1 – якорь, 2 - обмотка

а

б

Если сердечник датчика отклонится вправо, то U н=Е₁-Е₂<0 и будет меньше иметь знак (-).

Маятниковый датчик (рис. 15б.) или датчик углового положения используется для воздействия на сигнал или на управление машиной при отклонении машины от горизонтали. Например, в строительно-дорожных машинах этот датчик устанавливается на отвале и служит для измерения угла его наклона.

В настоящее время применяется большое количество индуктивных датчиков, отличающихся друг от друга по конструктивному и схемному исполнению.

К достоинствам рассмотренных реверсивных датчиков можно отнести большую, чем у нереверсивных датчиков, линейность статической характе­ристики; меньшую зависимость характеристики от колебаний напряжения, температуры и т. п.

Основным недостатком реверсивных датчиков является сложность регулировки (балансировки) датчика.

Рассмотренные датчики применяют для входных перемещений от 0,001 до 1 мм. Для перемещений от 1 до 60 мм применяют датчик соленоидного типа, включающийся по мостовой схеме (рис.15а). В этом датчике изме­нение индуктивности обмотки L, происходит за счет перемещения ферро­магнитного сердечника 1 в катушке 2.

Рис. 16. Схема индикатора уровня с трансформаторным индуктивным датчиком.

Принцип действия трансформаторно­го индуктивного датчика разберем на примере индикатора уров­ня типа ДИУ-СЧА (рис.16).

В корпусе 4, заполненном жидкостью, уровень которой контролируется, смонтирован буек 3, связанный жесткой тягой с сердечником 1 диффе­ренциального трансформато­ра, и пружина 2 для уравно­вешивания выталкивающей силы.

Рассмотренные индуктивные датчики применяются в основном на частотах 3000...5000 Гц.

При изменении уровня жидкости изменяется положение буйка 3 и положение сер­дечника 1.

Пока сердечник 1 находится в средней части дифферен­циального трансформатора, в обмотках W₂^‘ и W₂^‘‘ индукти­руются одинаковые э.д.с. Но обмотки включены встречно и разность потенциалов δ U (на выходе трансформатора) равна нулю.  Если сердечник 1 сместится вверх от нейтрального положения, то э. д. с., индуктируемая в обмотке W₂^‘, уве­личится, а э. д. с. в обмотке W₂^‘‘уменьшится и на выходе появится сигнал δU. Величина сигнала δU измеряется и регистрируется прибором типа КСД-3.

Емкостные датчики.

Емкостный датчик представляет собой конденсатор, в котором емкостное сопротивление изменяется при изменении при изменении зазора δ между платинами.

Емкостные датчики с переменной активной площадью пластин часто применяют для измерения линейного и углового перемещения.

Известно, что емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинам; площади пластин; диэлектрической постоянной среды между пластинами. Например, емкость плоского конденсатора определяется по формуле: С=0,088× ε × S /δ

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха ε = 1);

S - активная площадь пластин конденсатора см²;

δ - расстояние между пластинами, см. рис 17. 

Rн

Рис 17. Емкостной датчик.

δ

Uвых

~Uпит

Емкостное сопротивление датчика

В соответствии с формулой можно построить емкостные датчики, в которых преобразование измеряемой неэлектрической величины будет происходить за счет изменения δ, S и ε.

Напряжение Uвых зависит от нагрузки Uвых=Iнагр×Rн

Ток нагрузки зависит от сопротивления емкости Хc.

При перемещении подвижной пластины вверх значение зазора δ уменьшается, что приводит к увеличению емкости датчика, при этом увеличится ток Iнагр в цепи датчика и увеличится напряжение Uвых на выходе датчика.

Для увеличения емкости применяют многоступенчатые емкостные датчики, которые выполняют из нескольких расположенных один под другим пластин.

Емкость таких датчиков в зависимости от конструкции равна от нескольких десятков до нескольких сотен пикофарад.

Рассмотренные датчики позволяют измерять малые перемещения (до десятых долей микрона).

Емкостный датчик с переменной активной площадью пластин представляет собой обычный воздушный конденсатор переменной емкости, в котором при повороте подвижной пластины по отношению к неподвижной пластине изменяется активная площадь плас­тин конденсатора, что приводит к изменению его емкости. Для увеличения чувствительности такого датчика применяют также многопластинчатые емкостные датчики.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести большое вну­треннее сопротивление, влияние на работу датчика паразитных емкостей (требуется экранировка); необходимость усиления снимаемого сигнала; потребность источника напряжения высокой частоты; сильное влияние изменения температуры и влажности окружающей среды; для достиже­ния максимальной чувствительности монтаж следует производить очень короткими проводами, а это не всегда удобно.

Основными достоинствами емкостных датчиков являются: высокая чувствительность, отсутствие подвижных трущихся деталей; простота конструкции, малые размеры и масса; малый собственный момент; малая инерционность.

Емкостные датчики широко применяют в автоматике для контроля линейных и угловых перемещений, расстояний между деталями, состава физических смесей, температуры, уровня жидкостей, давления, влажности диэлектрических материалов и т. п.