Реферат на тему индукционные датчики

Обновлено: 05.07.2024

У — неподвижная часть магнитопровода; 2, 4 — сигнальные обмотки; 3 — обмотка возбуждения; 5 — подвижная часть магнитопровода Когда магнитопровод находится в среднем положении, магнитный поток, создаваемый катушкой J, наводит в обмотках 2 и 4 равные ЭДС; поскольку эти катушки соединены встречно, на выходе датчика сигнала в этом случае нет. При смещении подвижной части магнитопровода ЭДС в одной… Читать ещё >

Индуктивные датчики. Автоматика ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Принцип действия индуктивного датчика состоит в преобразовании перемещения подвижной части его магнитопровода в изменение индуктивности катушек. Применяется такой датчик главным образом для точных измерений малых перемещений.

Схемы конструкций простого и дифференциального индуктивных датчиков представлены на рис. 4.2, а, б.

Измеряемое перемещение предмета / вызывает перемещение подвижной части магнитопровода 2, изменение воздушного зазора бив конечном счете изменение индуктивности в обмотке 3. (В дифференциальном датчике изменяются индуктивности обеих обмоток 3.) Обмотки включены в мостовую схему переменного тока, поэтому выходной сигнал датчика — разбаланс моста пропорционален входному сигналу — перемещению.

Статическая характеристика датчика представлена на рис. 4.2, в.

Чувствительность индуктивных датчиков может достигать 10 В/мм; линейная область характеристики невелика. Индуктивным датчиком можно измерять перемещения порядка 10~ 7 м.

Рис. 4.2. Схемы конструкций простого (а) и дифференциального (б) индуктивных датчиков и их статическая характеристика (в):

1 — перемещающийся предмет; 2 — подвижная часть магнитопровода; 3 — обмотки; 4 — неподвижный магнитопровод Действие индукционного датчика основано на изменении индуктивных связей между его обмотками при смещении подвижных элементов магнитопровода. Существует много разновидностей таких датчиков, но наиболее распространен дифференциальный трансформаторный датчик (рис. 4.3). На полюсных выступах неподвижной части магнитопровода 1 такого датчика расположены обмотка возбуждения 3 и сигнальные обмотки 2 и 4, с которых снимается выходное напряжение. Измеряемое перемещение воздействует на подвижную часть магнитопровода 5.

Рис. 4.3. Схема конструкции (а) и статическая характеристика (б) индукционного трансформаторного датчика:

У — неподвижная часть магнитопровода; 2, 4 — сигнальные обмотки; 3 — обмотка возбуждения; 5 — подвижная часть магнитопровода Когда магнитопровод находится в среднем положении, магнитный поток, создаваемый катушкой J, наводит в обмотках 2 и 4 равные ЭДС; поскольку эти катушки соединены встречно, на выходе датчика сигнала в этом случае нет. При смещении подвижной части магнитопровода ЭДС в одной из сигнальных катушек увеличивается, а в другой — уменьшается, и на выходе появляется сигнал, равный разности этих ЭДС.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Университет ИТМО
Кафедра Мехатроники.

Реферат на тему:
Типовые устройства информационных систем. Индуктивные датчики.

Работу выполнил:
Студент группы Р3335
Латышев Михаил

Санкт-Петербург
2016
Оглавление

Введение 3
Глава 1. Общие сведения 4
Глава 2. Индуктивные датчики 6
2.1 Структура датчика 6
2.2 Принципдействия 6
2.3 История создания 8
2.4 Виды индуктивных датчиков 9
2.5 Параметры индуктивных датчиков 10
2.6 Погрешности 12
Заключение 14
Список литературы 15

В современной производственной деятельности, автоматизация которой растет с каждым годом, все большую роль играют разного рода датчики. Датчиком называется первичный элемент автоматической системы, реагирующий на изменениефизической величины, характеризующей процесс, и преобразующий эту величину в другую, удобную для работы последующих элементов. Они являются одним из основных узлов, определяющих точность работы любой системы, путем сбора информации о ней. Можно сказать, что датчики являются связующим звеном между механическими элементами приборов и их электронной начинкой.
В данной работе речь пойдет об индуктивныхдатчиках. Целью данной работы является изучение устройства, принципа работы, особенностей индуктивных датчиков и областей их применения, а также явлений, лежащих в основе их работы.

Индуктивные датчики
Индуктивный датчик — датчик бесконтактного типа, предназначенный для получения информации о положении металлических объектов и преобразования этойинформации в электрический сигнал.

Структура датчика
Рассмотрим структуру простейшего одинарного индуктивного датчика:
1 – сердечник
2 – якорь, который удерживается пружинами
3 – обмотка
4 – сопротивление нагрузки (сопротивление измерительного прибора)
δв – воздушный зазор

Принцип действия
В основе принципа действия индуктивного датчика лежит изменение индуктивности L иливзаимоиндуктивности обмотки с сердечником из-за изменения магнитного сопротивления Rм, являющегося составной частью магнитной цепи датчика, элементом которой является сердечник.
Обмотка, расположенная на сердечнике, через сопротивление нагрузки (сопротивление измерительного прибора) подключается к источнику переменного тока. Переменный магнитный поток Ф возбуждается током, протекающим через.

Среди многообразия бесконтактных датчиков, по неприхотливости к внешним условиям, простоте изготовления и долговечности наиболее привлекательны индукционные (или генераторные) датчики.

На их основе были созданы различные приборы - от самых простых, регистрирующих линейные перемещения, до сложных, таких как системы зажигания с цифровым управлением, системы впрыска топлива, антиблокировочные системы управления тормозами и т.п.

Остановимся на процессе, проходящем в генераторном датчике. В простейшем случае датчик состоит из катушки с обмоткой, сердечника из магнитомягкого железа и магнита. Эти три компонента составляют статор датчика. Со статором взаимодействует ротор в виде зубчатого диска или зубчатой рейки с количеством зубцов, определяемым условиями применения датчика (рис.1).

При вращении ротора, в обмотке статора возникает переменное напряжение.Когда один из зубцов ротора приближается к обмотке, напряжение в ней быстро возрастает и, при совпадении со средней линией обмотки, достигает максимума, затем, при удалении зуба, быстро меняет знак и увеличивается в противоположном направлении до максимума. На приводимом графике (рис.2) отчетливо видна большая крутизна изменения напряжения, поэтому переход между двумя максимумами может быть использован для управления электронными системами.

Величина напряжения, вырабатываемого датчиком, зависит от частоты вращения ротора, числа витков катушки и величины магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом. Поскольку две последние величины постоянны, величина индуцируемого напряжения достигает максимума при максимальной частоте вращения. При конструировании следует уделять особое внимание усилению импульсов при малой частоте следования.

Сфера применения подобных датчиков обширна, остановимся на некоторых примерах.

Датчик качания или удара (рис.3). На спиральной пружинке из тонкой проволоки укреплен небольшой кусочек магнитомягкого железа, при качании или толчке он взаимодействует со статором датчика, который вырабатывает серию апериодических импульсов.

Ротометр (тахометр). В датчике частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис.4) статор датчика укреплен на кожухе маховика или на заглушке смотрового лючка - в непосредственной близости от зубчатого венца маховика. Прибор обеспечивает наиболее точное определение частоты вращения без вторжения в цепи системы зажигания.

Спидометр. Для измерения скорости движения автомобиля зубчатый ротор укрепляется на выходном валу коробки передач или на блоке коробки передач вместо гибкого вала. Система позволяет отказаться от дорогого таходатчика или механически малонадежного гибкого вала (рис.5).

Одометр. Измерение пути автомобиля производится с помощью зубчатого диска, укрепленного на неприводном колесе (рис.6). Подобные датчики нашли также применении в автоматической системе торможения (ABS - AntiBlockSistem), предотвращающей блокирование колес автомобиля и его занос от "юза".

Стеклоочиститель. Зубчатый сектор укрепляется на редукторе. Считываемые импульсы позволяют плавно регулировать частоту хода щеток в зависимости от погодных условий.

Система зажигания. Генераторный датчик (рис.1) является основой системы зажигания фирмы "BOSH".

В системе зажигания с цифровым управлением "Импульс-Техник" д-ра Хартига используется зубчатый венец маховика двигателя с дополнительным зубом для получения эталонного сигнала (рис.7). Данная система позволяет весьма точно регулировать момент зажигания.

Если вернуться к конструкции индукционного датчика, то следует заметить, что если на скорость вращения ротора влияют параметры измеряемой среды, то возникает вопрос о тормозящем моменте, оказываемом магнитным полем постоянного магнита. В этом случае принимаются меры по увеличению момента трогания (увеличивают площадь крыльчатки). Если по условиям эксплуатации не требуется контролировать небольшую частоту вращения, сердечник можно выполнить из магнитотвердого материала без дополнительного магнита, и за счет остаточного магнетизма получить достаточную величину сигнала.

В качестве примера можно привести параметры датчиков, нашедших применение в различных приборах.

Например, сердечник датчика выполняется из стали (Ст1, Ст2, Ст3) 03. 8 мм (рис.1). На сердечник напрессовываются щеки катушки 012. 20 мм на расстоянии 10. 15 мм друг от друга. Сердечник под обмоткой изолирован фторопластовой пленкой. Обмотка катушки выполняется внавал, до заполнения пространства между щеками. Провод - ПЭВ-1 00,06. 0,1 мм. Количество витков получается примерно 2500. 4000.

Длина сердечника колеблется от 12 до 35 мм. С одной стороны сердечника предусмотрена площадка для прикрепления анизотропного магнита. Удобными оказались магниты от герконовых клавиатур. Свободный конец сердечника выводится из корпуса. Корпус датчика выполняется из немагнитного материала. Если требуют условия применения, датчик заливают компаундом.

Ротор, если его необходимо специально изготавливать, выполняют из магнитомягкого материала. Количество зубцов определяется из условий эксплуатации. Зазор между статором и ротором должен быть минимально возможным.

Сигнал с датчика поступает на вход простой электронной схемы (рис.8), усиливающей и формирующей сигнал для дальнейшего применения в аналоговой или цифровой форме.

Следует упомянуть еще одну особенность подобных датчиков. Они могут считывать сигнал не только от специального ротора, это могут быть зубья шестерни или даже крепежные болты на вращающейся детали.

Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Работа содержит 1 файл

контрольная.doc

ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ: ОПИСАНИЕ, ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОЬЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Однако, для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п.

Принцип действия, классификация, требования предъявляемые к датчикам

Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков.

Электрические датчики относятся к наиболее важным элементам систем автоматики. С помощью датчиков контролируемая или регулируемая величина преобразуется в сигнал, в зависимости от изменения которого и протекает весь процесс регулирования. Наибольшее распространение в автоматике получили датчики с электрическим выходным сигналом. Объясняется это прежде всего удобством передачи электрического сигнала на расстояние, его обработки и возможностью преобразования электрической энергии в механическую работу. Кроме электрических распространение получили механические, гидравлические и пневматические датчики.

По характеру формирования электрического выходного сигнала электрические датчики делятся на параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам:

- однозначная зависимость выходной величины от входной;

- стабильность характеристик во времени;

- малые размеры и масса;

- отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

- работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа.

1. Индуктивные датчики

Одним из узлов, определяющих точность работы любой системы позиционирования, являются датчики индуктивности. Датчики перемещений предназначены для преобразования величины линейного перемещения или угла оборота ходового винта в унитарный код: простую последовательность одинаковых по длительности и амплитуде электрических импульсов, число которых прямо пропорционально величине углового или линейного перемещения. Основной областью применения индуктивных датчиков является измерение угловых и линейных механических перемещений. Изменение входного параметра в датчиках индуктивности преобразуется в изменение индуктивности катушки благодаря перемещению якоря, сердечника или катушки.

Для преобразования непрерывно изменяющейся величины в дискретные электрические импульсы широко применяются индуктивные

Рисунок 1 – Схема индуктивного датчика

На подвижной части станка устанавливается тонкая рейка из магнитомягкого материала. Выступы рейки 1 модулируют магнитное сопротивление рабочего зазора при движении. Магнитопровод Ш-образного сердечника 2 имеет две обмотки, включенные навстречу друг другу и питаемые от трансформатора Тр. В диагональ индуктивного моста включен измерительный прибор. В среднем положении измерительный мост сбалансирован и стрелка прибора 3 будет стоят на нуле. Незначительный разбаланс приводит к отклонению стрелки прибора. Хорошо выполненный датчик улавливает перемещения ~2 мкм. Для дискретных схем необходим цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Принцип работы

Принцип работы датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со сталью. Датчики индуктивности широко применяют благодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствию скользящих контактов; возможности непосредственного использования показывающих приборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрической мощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.

Индуктивные датчики применяют только на относительно низких частотах (до 3000–5000 Гц), так как на высоких частотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Для устранения недостатков, свойственных рассмотренному датчику индуктивности, которые состоят в том, что для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходимо иметь начальный воздушный зазор, т.е. и начальную силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительные погрешности от колебаний температуры и питающего напряжения, а также для устранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величины воздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.

Общие технические характеристики индуктивных датчиков.

Диапазон срабатывания: от 0,6 до 60 мм
Рабочая температура: от -25 … 70 °С
Класс защиты: IP 67, IP 68, IP 69K
Защита от короткого замыкания
Три диапазона срабатывания
Материал корпуса индукционных датчиков: пластик, нержавеющая сталь, никелированная медь

Особенности работы индуктивных датчиков

Оптимальные размеры объекта (пластины) – не менее величины диаметра датчика.

При использовании отличных от стали материалов почти всегда получаются меньшие расстояния срабатывания (Sn): хром и никель = 0.9Sn; латунь = 0.5Sn; алюминий и медь = 0.4Sn.

Для металлической фольги и измерительных пластин в специальном исполнении требуются контрольные измерения.

Объектом могут служить отдельные фрагменты оборудования – зубья шестерен, кулачки, ползуны и прочее.

Для всех коммутирующих датчиков необходим гистерезис для устранения дребезга выходов. У индуктивных выключателей гистерезис получается от разности рабочих расстояний до объекта при приближении и удалении измерительной пластины и составляет ок. 10% от номинального расстояния срабатывания.

Частота переключения

Время включения должно быть в два раза меньше времени выключения.

Датчики при монтаже не заподлицо обеспечивают наибольшее расстояние срабатывания. При этом в окружающем металле требуется наличие минимальной выемки. При этом: боковой промежуток = диаметру датчика, глубина = удвоенному номинальному расстоянию срабатывания.

Смонтированные близко друг к другу датчики взаимно влияют друг на друга, поэтому необходимо соблюдать минимальные расстояния.

Не рекомендуется применять выключатели с незащищенным кабелем в агрессивной среде и СОЖ, некоторые виды которых вызывают отвердевание поливинилхлоридной оболочки кабеля. Датчики индуктивности с подвижным сердечником содержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушек перемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другую сторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, в сторону которой переместился сердечник, растет, а другой – уменьшается. Соответственно изменяется сила токов, проходящих через катушки.

Работа всех рассмотренных датчиков основана на изменении индуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменении коэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называются трансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: одна питается напряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимается напряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.

Трансформаторные датчики выполняют с переменным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений; с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, и с подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широким диапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторными датчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметической трубкой. Такой датчик называют плунжерным.

В некоторых случаях выходная катушка состоит из двух катушек W_2l и W_2U, включаемых одна навстречу другой. У некоторых датчиков, наоборот, вторая катушка может поворачиваться или перемещаться относительно сердечника. Такие трансформаторные датчики с подвижной рамкой называют ферродинамическими.

Особенностями трансформаторных датчиков является возможность больших перемещений якоря и отсутствие электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического питания. Между ними существует только магнитная связь, что во многих случаях является преимуществом.

Индуктивные датчики серии PS/PM

Индуктивные бесконтактные датчики надежны и просты в эксплуатации. Могут работать при воздействии шумов, света, диэлектрической пыли и жидкостей, например, машинного масла. Имеют четко очерченную активную зону. При попадании в активную зону датчика любого металлического предмета, происходит изменение логического состояния выходного коммутирующего элемента датчика, в качестве которого может использоваться PNP или NPN транзистор или тиристор (при работе датчика на переменном токе). Все модели имеют светодиодный индикатор состояния, что обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки и ремонта оборудования.

Конструктивно все модели делятся на два типа: цилиндрические (PM) и прямоугольные (PS).

Читайте также: