Induktiva sensorer

En induktiv sensor är en givare av parametrisk typ vars funktionsprincip är baserad på förändring induktans L eller den ömsesidiga induktansen av lindningen med kärnan, på grund av en förändring i det magnetiska motståndet RM för den magnetiska kretsen hos sensorn i vilken kärnan går in.

Induktiva sensorer används i stor utsträckning inom industrin för att mäta förskjutningar och täcker intervallet från 1 μm till 20 mm. Det är också möjligt att använda en induktiv sensor för att mäta tryck, krafter, gas- och vätskeflöden etc. I detta fall omvandlas det uppmätta värdet med hjälp av olika känsliga element till en förskjutningsändring och sedan matas detta värde till en induktiv mätgivare.

Vid tryckmätning kan de känsliga elementen göras i form av elastiska membran, hylsa etc. De används också som närhetssensorer, som används för att detektera olika metalliska och icke-metalliska föremål på ett beröringsfritt sätt enligt ja eller nej-principen.

Fördelar med induktiva sensorer:

• konstruktionens enkelhet och styrka, utan glidkontakter;

• förmåga att ansluta till strömfrekvenskällor;

• relativt hög uteffekt (upp till tiotals watt);

• betydande känslighet.

Nackdelar med induktiva sensorer:

• driftnoggrannheten beror på stabiliteten hos matningsspänningen efter frekvens;

• drift är endast möjlig med växelström.

Typer av induktiva omvandlare och deras designegenskaper

Enligt konstruktionsschemat kan induktiva sensorer delas in i enkla och differentiella. En induktiv sensor innehåller en mätgren, en differential en - två.

I en differentiell induktiv sensor, när den uppmätta parametern ändras, ändras induktansen för två identiska spolar samtidigt och förändringen sker med samma värde men med motsatt tecken.

Som det är känt, spolens induktans:

där W är antalet varv; F — magnetiskt flöde som penetrerar den; I — strömmen som går genom spolen.

Ström är relaterad till MDS med förhållandet:

Var får vi:

där Rm = HL / Ф är den induktiva sensorns magnetiska resistans.

Tänk till exempel på en enda induktiv sensor. Dess funktion är baserad på egenskapen hos en luftgapschoke att ändra dess induktans när luftgapvärdet ändras.

Den induktiva sensorn består av ett ok 1, en spole 2, ett ankare 3 — som hålls av fjädrar. En växelströmsmatningsspänning tillförs spole 2 genom belastningsresistansen Rn. Strömmen i belastningskretsen definieras som:

där rd är chokens aktiva motstånd; L är sensorns induktans.

Eftersom den aktiva resistansen i kretsen är konstant, kan en förändring i strömmen I endast ske på grund av en förändring i den induktiva komponenten XL = IRn, vilket beror på storleken på luftgapet δ.

Till varje värde motsvarar δ ett visst värde I, vilket skapar ett spänningsfall på motståndet Rn: Uout = IRn — är sensorns utsignal. Du kan härleda det analytiska beroendet Uout = f (δ) förutsatt att gapet är tillräckligt litet och ströflödena kan försummas, och järnmagnetoresistansen Rmw kan försummas jämfört med luftgapets magnetoresistans Rmw.

Här är det sista uttrycket:

I verkliga enheter är kretsens aktiva motstånd mycket mindre än den induktiva, då minskar uttrycket till formen:

Beroendet Uout = f (δ) är linjärt (i den första approximationen). Den faktiska funktionen är som följer:

Avvikelsen från linearitet i början förklaras av det accepterade antagandet Rmzh << Rmv.

Vid litet d är järnets magnetoresistans i proportion till luftens magnetoresistans.

Avvikelsen vid stort d förklaras av att i stort d RL blir proportionerligt med värdet på det aktiva motståndet — Rn + rd.

I allmänhet har den övervägda induktiva sensorn ett antal betydande nackdelar:

• strömmens fas ändras inte när rörelseriktningen ändras;

• om det är nödvändigt att mäta förskjutningen i båda riktningarna, är det nödvändigt att ställa in det initiala luftgapet och därför strömmen I0, vilket är obekvämt;

• belastningsströmmen beror på matningsspänningens amplitud och frekvens;

• under driften av sensorn verkar attraktionskraften till den magnetiska kretsen på ankaret, som inte balanseras av någonting och därför introducerar ett fel i driften av sensorn.

Differentiella (reversibla) induktiva sensorer (DID)

Differentialinduktiva sensorer är en kombination av två irreversibla sensorer och är gjorda i form av ett system som består av två magnetiska kretsar med ett gemensamt ankare och två spolar. Differentialinduktiva sensorer kräver två separata strömförsörjningar, för vilka en isoleringstransformator 5 vanligtvis används.

Formen på den magnetiska kretsen kan vara differentialinduktiva sensorer med en W-formad magnetisk krets, rekryterad av broar av elektriskt stål (för frekvenser över 1000Hz används järn-nickel-permola-legeringar), och cylindriska med en tät cirkulär magnetisk krets . Valet av sensorns form beror på dess konstruktiva kombination med den styrda enheten. Användningen av en W-formad magnetisk krets beror på bekvämligheten med att montera spolen och minska storleken på sensorn.

För att driva den differentialinduktiva sensorn används en transformator 5 med en utgång för sekundärlindningens mittpunkt. Anordningen 4 är inkluderad mellan den och den gemensamma änden av de två spolarna. Luftspalten är 0,2-0,5 mm.

I mittläget av ankaret, när luftspalterna är desamma, är de induktiva resistanserna för spolarna 3 och 3' desamma, därför är värdena på strömmarna i spolarna lika med I1 = I2 och den resulterande strömmen i enheten är 0.

Med en liten avvikelse av ankaret i en eller annan riktning, under påverkan av det kontrollerade värdet X, ändras värdena på gapen och induktanserna, enheten registrerar differentialströmmen I1-I2, detta är en funktion av ankaret förskjutning från mittläget. Skillnaden i strömmar registreras vanligtvis med hjälp av en magnetoelektrisk anordning 4 (mikroammeter) med en likriktarkrets B vid ingången.

Den induktiva sensorns egenskaper är:

Utströmmens polaritet förblir oförändrad oavsett tecknet på förändringen i spolarnas impedans. När ankarets avvikelseriktning från mittläget ändras, ändras strömmens fas vid utgången av sensorn i omvänd riktning (med 180 °). Vid användning av faskänsliga likriktare kan en indikation på ankarets färdriktning erhållas från mittläget. Egenskaperna för en differentialinduktiv sensor med ett fasfrekvensfilter är följande:

Induktiv sensorkonverteringsfel

Informationskapaciteten hos en induktiv sensor bestäms till stor del av dess fel vid konvertering av den uppmätta parametern. Det totala felet hos en induktiv sensor består av ett stort antal felkomponenter.

Följande induktiva sensorfel kan särskiljas:

1) Fel på grund av icke-linjäritet hos karakteristiken. Den multiplikativa komponenten av det totala felet På grund av principen om induktiv omvandling av det uppmätta värdet, som är grunden för driften av induktiva sensorer, är det väsentligt och bestämmer i de flesta fall sensorns mätområde. Obligatorisk med förbehåll för utvärdering vid sensorutveckling.

2) Temperaturfel. Slumpmässig ingrediens.På grund av det stora antalet temperaturberoende parametrar för sensorkomponenterna kan komponentfelet nå stora värden och är betydande. Ska utvärderas i sensordesign.

3) Fel på grund av påverkan av externa elektromagnetiska fält. Den slumpmässiga komponenten av det totala felet. Det uppstår på grund av induktionen av EMF i sensorlindningen av externa fält och på grund av en förändring i magnetkretsens magnetiska egenskaper under påverkan av externa fält. I industrilokaler med kraftelektriska installationer detekteras magnetfält med induktion T och frekvens huvudsakligen 50 Hz.

Eftersom de magnetiska kärnorna hos induktiva sensorer arbetar vid induktioner på 0,1 - 1 T, kommer andelen externa fält att vara 0,05-0,005% även i frånvaro av skärmning. Skärmingång och användningen av en differentialsensor minskar denna andel med ungefär två storleksordningar. Således bör felet på grund av påverkan av externa fält endast beaktas vid design av sensorer med låg känslighet och med omöjligheten av tillräcklig avskärmning. I de flesta fall är denna felkomponent inte signifikant.

4) Fel på grund av den magnetoelastiska effekten. Det uppstår på grund av instabiliteten hos deformationerna av den magnetiska kretsen under sensormontering (additiv komponent) och på grund av förändringar i deformationer under sensordrift (godtycklig komponent). Beräkningar som tar hänsyn till närvaron av luckor i den magnetiska kretsen visar att påverkan av instabiliteten hos mekaniska spänningar i den magnetiska kretsen orsakar instabilitet hos ordersensorns utsignal, och i de flesta fall kan denna komponent specifikt försummas.

5) Fel på grund av töjningsmätareffekt av spolen.Slumpmässig ingrediens. Vid lindning av sensorspolen skapas en mekanisk spänning i tråden. En förändring av dessa mekaniska spänningar under sensordrift resulterar i en förändring av spolens motstånd mot likström och därför en förändring i sensorns utsignal. Vanligtvis för korrekt designade sensorer, det vill säga denna komponent bör inte övervägas specifikt.

6) Avvikelse från anslutningskabeln. Det uppstår på grund av instabiliteten hos kabelns elektriska motstånd under påverkan av temperatur eller deformationer och på grund av induktionen av EMF i kabeln under påverkan av yttre fält. Är den slumpmässiga komponenten av felet. I händelse av instabilitet i kabelns eget motstånd, felet i utsignalen från sensorn. Längden på anslutningskablar är 1-3 m och sällan mer. När kabeln är gjord av tvärsnittskoppartråd är kabelns motstånd mindre än 0,9 Ohm, motståndsinstabilitet. Eftersom sensorimpedansen vanligtvis är större än 100 ohm kan felet i sensorns utsignal vara så stort som Därför måste felet uppskattas för sensorer med lågt driftmotstånd. I andra fall är det inte signifikant.

7) Designfel.De uppstår under påverkan av följande skäl: påverkan av mätkraften på deformationerna av sensordelarna (additiv), påverkan av skillnaden i mätkraften på instabiliteten hos deformationerna (multiplikativ), påverkan av styrningar av mätstaven under överföringen av mätpulsen (multiplikativ), instabiliteten i överföringen av mätpulsen på grund av gap och glapp hos de rörliga delarna (slumpmässigt). Konstruktionsfel bestäms i första hand av defekter i utformningen av sensorns mekaniska element och är inte specifika för induktiva sensorer. Utvärderingen av dessa fel utförs enligt de kända metoderna för att utvärdera felen hos mätanordningarnas kinematiska överföringar.

8) Tekniska fel. De uppstår som ett resultat av tekniska avvikelser i sensordelars relativa position (tillsats), spridningen av parametrarna för delar och spolar under produktion (tillsats), påverkan av tekniska luckor och täthet i anslutningarna av delar och i styrningar ( slumpmässig).

Tekniska fel vid tillverkningen av de mekaniska elementen i sensorstrukturen är inte heller specifika för den induktiva sensorn; de utvärderas med de vanliga metoderna för mekaniska mätanordningar. Fel vid tillverkningen av den magnetiska kretsen och sensorspolarna leder till spridning av sensorernas parametrar och till svårigheter som uppstår för att säkerställa utbytbarheten av de senare.

9) Åldringsfel på sensorn.Denna felkomponent orsakas för det första av förslitningen av de rörliga elementen i sensorstrukturen och för det andra av förändringen över tiden av de elektromagnetiska egenskaperna hos sensorns magnetiska krets. Felet ska betraktas som oavsiktligt. Vid utvärdering av felet på grund av slitage beaktas den kinematiska beräkningen av sensormekanismen i varje specifikt fall. På sensordesignstadiet, i detta fall, rekommenderas det att ställa in sensorns livslängd under normala driftsförhållanden, under vilka det extra slitagefelet inte kommer att överstiga det angivna värdet.

Materialens elektromagnetiska egenskaper förändras över tiden.

I de flesta fall slutar de uttalade processerna för att ändra de elektromagnetiska egenskaperna inom de första 200 timmarna efter värmebehandlingen och avmagnetiseringen av den magnetiska kretsen. I framtiden förblir de praktiskt taget konstanta och spelar ingen betydande roll i det totala felet hos den induktiva sensorn.

Ovanstående övervägande av komponenterna i felet hos en induktiv sensor gör det möjligt att utvärdera deras roll i bildandet av sensorns totala fel. I de flesta fall är den avgörande faktorn felet från olinjäriteten hos karakteristiken och temperaturfelet hos den induktiva omvandlaren.