Induktive sensorer

En induktiv sensor er en transduser av parametrisk type hvis driftsprinsipp er basert på endring induktans L eller den gjensidige induktansen til viklingen med kjernen, på grunn av en endring i den magnetiske motstanden RM til den magnetiske kretsen til sensoren som kjernen går inn i.

Induktive sensorer er mye brukt i industrien for å måle forskyvninger og dekker området fra 1 μm til 20 mm. Det er også mulig å bruke en induktiv sensor for å måle trykk, krefter, gass- og væskestrømningshastigheter osv. I dette tilfellet konverteres den målte verdien ved hjelp av ulike følsomme elementer til en forskyvningsendring og deretter mates denne verdien til en induktiv måletransduser.

Ved trykkmåling kan de følsomme elementene lages i form av elastiske membraner, hylse, etc. De brukes også som nærhetssensorer, som brukes til å oppdage ulike metalliske og ikke-metalliske gjenstander på en kontaktfri måte etter ja eller nei-prinsippet.

Fordeler med induktive sensorer:

• enkelhet og styrke av konstruksjonen, uten glidende kontakter;

• evne til å koble til strømfrekvenskilder;

• relativt høy utgangseffekt (opptil titalls watt);

• betydelig følsomhet.

Ulemper med induktive sensorer:

• operasjonsnøyaktigheten avhenger av stabiliteten til forsyningsspenningen etter frekvens;

• drift er kun mulig med vekselstrøm.

Typer induktive omformere og deres designfunksjoner

I henhold til konstruksjonsskjemaet kan induktive sensorer deles inn i enkle og differensielle. En induktiv sensor inneholder en målegren, en differensial en - to.

I en differensiell induktiv sensor, når den målte parameteren endres, endres induktansen til to identiske spoler samtidig og endringen skjer med samme verdi, men med motsatt fortegn.

Som det er kjent, induktans til spolen:

hvor W er antall omdreininger; F — magnetisk fluks som penetrerer den; I — strømmen som går gjennom spolen.

Strøm er relatert til MDS ved forholdet:

Hvor får vi:

hvor Rm = HL / Ф er den magnetiske motstanden til den induktive sensoren.

Tenk for eksempel på en enkelt induktiv sensor. Dens operasjon er basert på egenskapen til en luftgap-choke for å endre induktansen når luftgap-verdien endres.

Den induktive sensoren består av et åk 1, en spole 2, en armatur 3 - holdt av fjærer. En vekselstrømforsyningsspenning tilføres spole 2 gjennom belastningsmotstanden Rn. Strømmen i lastkretsen er definert som:

hvor rd er den aktive motstanden til choken; L er induktansen til sensoren.

Fordi den aktive motstanden til kretsen er konstant, kan en endring i strømmen I bare oppstå på grunn av en endring i den induktive komponenten XL = IRn, som avhenger av størrelsen på luftgapet δ.

Til hver verdi tilsvarer δ en viss verdi I, som skaper et spenningsfall på motstanden Rn: Uout = IRn — er utgangssignalet til sensoren. Du kan utlede den analytiske avhengigheten Uout = f (δ) forutsatt at gapet er lite nok og streiffluksene kan neglisjeres, og jernmagnetoresistensen Rmw kan neglisjeres sammenlignet med luftgapets magnetoresistensen Rmw.

Her er det endelige uttrykket:

I ekte enheter er den aktive motstanden til kretsen mye mindre enn den induktive, deretter reduseres uttrykket til formen:

Avhengigheten Uout = f (δ) er lineær (i den første tilnærmingen). Den faktiske funksjonen er som følger:

Avviket fra linearitet i begynnelsen forklares av den aksepterte antagelsen Rmzh << Rmv.

Ved liten d er magnetoresistensen til jern i samsvar med magnetoresistensen til luft.

Avviket ved stor d forklares av det faktum at d RL i stor grad står i forhold til verdien av den aktive motstanden - Rn + rd.

Generelt har den betraktede induktive sensoren en rekke betydelige ulemper:

• strømmens fase endres ikke når bevegelsesretningen endres;

• hvis det er nødvendig å måle forskyvningen i begge retninger, er det nødvendig å stille inn det innledende luftgapet og derfor strømmen I0, noe som er upraktisk;

• laststrømmen avhenger av amplituden og frekvensen til forsyningsspenningen;

• under driften av sensoren virker tiltrekningskraften til den magnetiske kretsen på ankeret, som ikke er balansert av noe og derfor introduserer en feil i driften av sensoren.

Differensielle (reversible) induktive sensorer (DID)

Differensielle induktive sensorer er en kombinasjon av to irreversible sensorer og er laget i form av et system som består av to magnetiske kretser med felles anker og to spoler. Differensial induktive sensorer krever to separate strømforsyninger, for hvilke en isolasjonstransformator 5 vanligvis brukes.

Formen på den magnetiske kretsen kan være differensial-induktive sensorer med en W-formet magnetisk krets, rekruttert av broer av elektrisk stål (for frekvenser over 1000Hz brukes jern-nikkel-permola-legeringer), og sylindriske med en tett sirkulær magnetisk krets . Valget av formen på sensoren avhenger av dens konstruktive kombinasjon med den kontrollerte enheten. Bruken av en W-formet magnetisk krets skyldes bekvemmeligheten av å sette sammen spolen og redusere størrelsen på sensoren.

For å drive den differensial-induktive sensoren brukes en transformator 5 med en utgang for midtpunktet til sekundærviklingen. Innretningen 4 er inkludert mellom den og den felles enden av de to spolene Luftspalten er 0,2-0,5 mm.

I midtposisjonen til ankeret, når luftspaltene er de samme, er de induktive motstandene til spolene 3 og 3' de samme, derfor er verdiene til strømmene i spolene lik I1 = I2 og den resulterende strømmen i enheten er 0.

Med et lite avvik av ankeret i en eller annen retning, under påvirkning av den kontrollerte verdien X, endres verdiene til gapene og induktansene, enheten registrerer differensialstrømmen I1-I2, dette er en funksjon av ankeret forskyvning fra midtposisjon. Forskjellen i strømmer registreres vanligvis ved hjelp av en magnetoelektrisk enhet 4 (mikroammeter) med en likeretterkrets B ved inngangen.

Egenskapene til den induktive sensoren er:

Polariteten til utgangsstrømmen forblir uendret uavhengig av tegnet på endringen i impedansen til spolene. Når retningen på avviket til ankeret fra midtposisjonen endres, endres fasen til strømmen ved utgangen av sensoren i revers (med 180 °). Ved bruk av fasefølsomme likerettere kan en indikasjon på ankerets kjøreretning fås fra midtstilling. Egenskapene til en differensiell induktiv sensor med et fasefrekvensfilter er som følger:

Induktiv sensorkonverteringsfeil

Informasjonskapasiteten til en induktiv sensor bestemmes i stor grad av feilen ved konvertering av den målte parameteren. Den totale feilen til en induktiv sensor består av et stort antall feilkomponenter.

Følgende induktive sensorfeil kan skilles ut:

1) Feil på grunn av ikke-linearitet av karakteristikken. Den multiplikative komponenten av den totale feilen På grunn av prinsippet om induktiv konvertering av den målte verdien, som er grunnlaget for driften av induktive sensorer, er det viktig og bestemmer i de fleste tilfeller sensorens måleområde. Obligatorisk med forbehold om evaluering under sensorutvikling.

2) Temperaturfeil. Tilfeldig ingrediens.På grunn av det store antallet temperaturavhengige parametere til sensorkomponentene, kan feilen til komponenten nå store verdier og er betydelig. Skal evalueres i sensordesign.

3) Feil på grunn av påvirkning av eksterne elektromagnetiske felt. Den tilfeldige komponenten av den totale feilen. Det oppstår på grunn av induksjon av EMF i sensorviklingen av eksterne felt og på grunn av en endring i magnetiske egenskaper til den magnetiske kretsen under påvirkning av eksterne felt. I industrilokaler med kraftelektriske installasjoner detekteres magnetfelt med induksjon T og frekvens hovedsakelig 50 Hz.

Siden de magnetiske kjernene til induktive sensorer fungerer ved induksjoner på 0,1 - 1 T, vil andelen eksterne felt være 0,05-0,005% selv i fravær av skjerming. Skjerminngang og bruk av en differensialsensor reduserer denne andelen med omtrent to størrelsesordener. Dermed bør feilen på grunn av påvirkning fra eksterne felt kun vurderes ved utforming av sensorer med lav følsomhet og med umulighet for tilstrekkelig skjerming. I de fleste tilfeller er denne feilkomponenten ikke signifikant.

4) Feil på grunn av den magnetoelastiske effekten. Det oppstår på grunn av ustabiliteten til deformasjonene til den magnetiske kretsen under sensormontering (additivkomponent) og på grunn av endringer i deformasjoner under sensordrift (vilkårlig komponent). Beregninger som tar hensyn til tilstedeværelsen av hull i den magnetiske kretsen viser at påvirkningen av ustabiliteten til mekaniske spenninger i den magnetiske kretsen forårsaker ustabilitet i utgangssignalet til ordresensoren, og i de fleste tilfeller kan denne komponenten spesifikt neglisjeres.

5) Feil på grunn av strekkmålereffekten til spolen.Tilfeldig ingrediens. Ved vikling av sensorspolen dannes det en mekanisk spenning i ledningen. En endring i disse mekaniske spenningene under sensordrift resulterer i en endring i motstanden til spolen mot likestrøm og derfor en endring i utgangssignalet til sensoren. Vanligvis for riktig utformede sensorer, det vil si at denne komponenten ikke bør vurderes spesifikt.

6) Avvik fra tilkoblingskabelen. Det oppstår på grunn av ustabiliteten til den elektriske motstanden til kabelen under påvirkning av temperatur eller deformasjoner og på grunn av induksjon av EMF i kabelen under påvirkning av eksterne felt. Er den tilfeldige komponenten av feilen. I tilfelle ustabilitet av kabelens egen motstand, feilen i utgangssignalet til sensoren. Lengden på tilkoblingskabler er 1-3 m og sjelden mer. Når kabelen er laget av tverrsnitt av kobbertråd, er motstanden til kabelen mindre enn 0,9 Ohm, motstandsustabilitet. Siden sensorimpedansen typisk er større enn 100 ohm, kan feilen i sensorutgangen være så stor som Derfor, for sensorer med lav driftsmotstand, må feilen estimeres. I andre tilfeller er det ikke vesentlig.

7) Designfeil.De oppstår under påvirkning av følgende årsaker: påvirkningen av målekraften på deformasjonene av sensordelene (additiv), påvirkningen av forskjellen i målekraften på ustabiliteten til deformasjonene (multiplikativ), påvirkningen av føringer av målestangen under overføringen av målepulsen (multiplikativ), ustabiliteten i overføringen av målepulsen på grunn av gap og tilbakeslag i de bevegelige delene (tilfeldig). Designfeil bestemmes først og fremst av defekter i utformingen av mekaniske elementer i sensoren og er ikke spesifikke for induktive sensorer. Evalueringen av disse feilene utføres i henhold til kjente metoder for evaluering av feilene til de kinematiske overføringene til måleinnretningene.

8) Teknologiske feil. De oppstår som et resultat av teknologiske avvik i den relative posisjonen til sensordeler (additiv), spredningen av parametrene til deler og spoler under produksjon (additiv), påvirkningen av teknologiske hull og tetthet i koblingene til deler og i guider ( vilkårlig).

Teknologiske feil i produksjonen av de mekaniske elementene i sensorstrukturen er heller ikke spesifikke for den induktive sensoren; de blir evaluert ved bruk av vanlige metoder for mekaniske måleapparater. Feil ved fremstillingen av den magnetiske kretsen og sensorspolene fører til spredning av parametrene til sensorene og til vanskeligheter med å sikre utskiftbarheten til sistnevnte.

9) Feil for aldring av sensor.Denne feilkomponenten er for det første forårsaket av slitasje av de bevegelige elementene i sensorstrukturen og for det andre av endringen over tid av de elektromagnetiske egenskapene til sensorens magnetiske krets. Feilen bør betraktes som utilsiktet. Ved evaluering av feilen på grunn av slitasje, tas den kinematiske beregningen av sensormekanismen i hvert enkelt tilfelle i betraktning. På sensordesignstadiet, i dette tilfellet, anbefales det å stille inn levetiden til sensoren under normale driftsforhold, hvor den ekstra slitasjefeilen ikke vil overstige den angitte verdien.

De elektromagnetiske egenskapene til materialer endres over tid.

I de fleste tilfeller slutter de uttalte prosessene med å endre de elektromagnetiske egenskapene innen de første 200 timene etter varmebehandlingen og demagnetiseringen av den magnetiske kretsen. I fremtiden forblir de praktisk talt konstante og spiller ikke en betydelig rolle i den totale feilen til den induktive sensoren.

Ovennevnte vurdering av komponentene i feilen til en induktiv sensor gjør det mulig å evaluere deres rolle i dannelsen av den totale feilen til sensoren. I de fleste tilfeller er den avgjørende faktoren feilen fra ikke-lineariteten til karakteristikken og temperaturfeilen til den induktive omformeren.