Induktive sensorer

En induktiv sensor er en transducer af parametrisk type, hvis driftsprincip er baseret på forandring induktans L eller den gensidige induktans af viklingen med kernen, på grund af en ændring i den magnetiske modstand RM af det magnetiske kredsløb af sensoren, hvori kernen kommer ind.

Induktive sensorer er meget brugt i industrien til at måle forskydninger og dækker området fra 1 μm til 20 mm. Det er også muligt at bruge en induktiv sensor til at måle tryk, kræfter, gas- og væskestrømningshastigheder mv. I dette tilfælde konverteres den målte værdi ved hjælp af forskellige følsomme elementer til en forskydningsændring, og denne værdi føres derefter til en induktiv måletransducer.

Ved trykmåling kan de følsomme elementer laves i form af elastiske membraner, ærmer mv. De bruges også som nærhedssensorer, som bruges til at detektere forskellige metalliske og ikke-metalliske genstande på en kontaktfri måde efter ja eller nej-princippet.

Fordele ved induktive sensorer:

• enkelhed og styrke af konstruktionen, uden glidende kontakter;

• evne til at oprette forbindelse til strømfrekvenskilder;

• relativt høj udgangseffekt (op til snesevis af watt);

• betydelig følsomhed.

Ulemper ved induktive sensorer:

• driftens nøjagtighed afhænger af forsyningsspændingens stabilitet efter frekvens;

• drift er kun mulig med vekselstrøm.

Typer af induktive omformere og deres designfunktioner

I henhold til konstruktionsskemaet kan induktive sensorer opdeles i enkeltstående og differentielle. En induktiv sensor indeholder en målegren, en differential en - to.

I en differentiel induktiv sensor, når den målte parameter ændres, ændres induktansen af ​​to identiske spoler samtidigt, og ændringen sker med den samme værdi, men med det modsatte fortegn.

Som det er kendt, induktans af spolen:

hvor W er antallet af omdrejninger; F — magnetisk flux, der penetrerer den; I — strømmen, der går gennem spolen.

Strøm er relateret til MDS ved forholdet:

Hvor får vi:

hvor Rm = HL / Ф er den magnetiske modstand af den induktive sensor.

Overvej for eksempel en enkelt induktiv sensor. Dens drift er baseret på egenskaben ved en luftgab-drossel til at ændre dens induktans, efterhånden som luftgab-værdien ændres.

Den induktive sensor består af et åg 1, en spole 2, et anker 3 - holdt af fjedre. En vekselstrømforsyningsspænding tilføres spole 2 gennem belastningsmodstanden Rn. Strømmen i belastningskredsløbet er defineret som:

hvor rd er chokerens aktive modstand; L er sensorens induktans.

Fordi den aktive modstand i kredsløbet er konstant, så kan en ændring i strømmen I kun ske på grund af en ændring i den induktive komponent XL = IRn, som afhænger af størrelsen af ​​luftgabet δ.

Til hver værdi svarer δ til en bestemt værdi I, som skaber et spændingsfald på modstanden Rn: Uout = IRn — er sensorens udgangssignal. Du kan udlede den analytiske afhængighed Uout = f (δ), forudsat at spalten er lille nok, og de omstrejfende fluxer kan negligeres, og jernmagnetoresistensen Rmw kan negligeres sammenlignet med luftgabets magnetoresistensen Rmw.

Her er det endelige udtryk:

I rigtige enheder er kredsløbets aktive modstand meget mindre end den induktive, så reduceres udtrykket til formen:

Afhængigheden Uout = f (δ) er lineær (i den første tilnærmelse). Den faktiske funktion er som følger:

Afvigelsen fra linearitet i begyndelsen forklares af den accepterede antagelse Rmzh << Rmv.

Ved lille d står jerns magnetoresistens i forhold til luftens magnetoresistens.

Afvigelsen ved stort d forklares ved, at d RL i det store svarer til værdien af ​​den aktive modstand — Rn + rd.

Generelt har den betragtede induktive sensor en række væsentlige ulemper:

• strømmens fase ændres ikke, når bevægelsesretningen ændres;

• hvis det er nødvendigt at måle forskydningen i begge retninger, er det nødvendigt at indstille det indledende luftgab og derfor strømmen I0, hvilket er ubelejligt;

• belastningsstrømmen afhænger af forsyningsspændingens amplitude og frekvens;

• under driften af ​​sensoren virker tiltrækningskraften til det magnetiske kredsløb på ankeret, som ikke er afbalanceret af noget og derfor introducerer en fejl i driften af ​​sensoren.

Differentielle (reversible) induktive sensorer (DID)

Differentielle induktive sensorer er en kombination af to irreversible sensorer og er lavet i form af et system bestående af to magnetiske kredsløb med et fælles anker og to spoler. Differentielle induktive sensorer kræver to separate strømforsyninger, til hvilke der sædvanligvis anvendes en isolationstransformator 5.

Formen af ​​det magnetiske kredsløb kan være differential-induktive sensorer med et W-formet magnetisk kredsløb, rekrutteret af broer af elektrisk stål (til frekvenser over 1000Hz anvendes jern-nikkel-permola-legeringer), og cylindriske med et tæt cirkulært magnetisk kredsløb . Valget af sensorens form afhænger af dens konstruktive kombination med den kontrollerede enhed. Brugen af ​​et W-formet magnetisk kredsløb skyldes bekvemmeligheden ved at samle spolen og reducere størrelsen af ​​sensoren.

For at drive den differential-induktive sensor bruges en transformer 5 med en udgang for sekundærviklingens midtpunkt. Indretningen 4 er inkluderet mellem den og den fælles ende af de to spoler Luftspalten er 0,2-0,5 mm.

I den midterste position af ankeret, når luftspalterne er de samme, er de induktive modstande af spolerne 3 og 3' de samme, derfor er værdierne af strømmene i spolerne lig med I1 = I2 og den resulterende strømmen i enheden er 0.

Med en lille afvigelse af ankeret i en eller anden retning, under påvirkning af den kontrollerede værdi X, ændres værdierne af hullerne og induktanserne, enheden registrerer differentialstrømmen I1-I2, dette er en funktion af ankeret forskydning fra midterposition. Forskellen i strømme registreres normalt ved hjælp af en magnetoelektrisk enhed 4 (mikroammeter) med et ensretterkredsløb B ved indgangen.

Den induktive sensors egenskaber er:

Polariteten af ​​udgangsstrømmen forbliver uændret uanset tegnet på ændringen i spolernes impedans. Når retningen af ​​afvigelsen af ​​ankeret fra midterpositionen ændres, ændres strømmens fase ved udgangen af ​​sensoren omvendt (med 180 °). Ved brug af fasefølsomme ensrettere kan en indikation af ankerets kørselsretning fås fra midterpositionen. Karakteristikaene for en differentiel induktiv sensor med et fasefrekvensfilter er som følger:

Induktiv sensorkonverteringsfejl

Informationskapaciteten af ​​en induktiv sensor bestemmes i høj grad af dens fejl ved konvertering af den målte parameter. Den samlede fejl for en induktiv sensor består af et stort antal fejlkomponenter.

Der kan skelnes mellem følgende induktive sensorfejl:

1) Fejl på grund af karakteristikkens ikke-linearitet. Den multiplikative komponent af den samlede fejl På grund af princippet om induktiv konvertering af den målte værdi, som er grundlaget for driften af ​​induktive sensorer, er det væsentligt og bestemmer i de fleste tilfælde sensorens måleområde. Obligatorisk med forbehold for evaluering under sensorudvikling.

2) Temperaturfejl. Tilfældig ingrediens.På grund af det store antal temperaturafhængige parametre for sensorkomponenterne kan fejlen i komponenten nå store værdier og er betydelig. Skal evalueres i sensordesign.

3) Fejl på grund af påvirkning af eksterne elektromagnetiske felter. Den tilfældige komponent af den samlede fejl. Det opstår på grund af induktionen af ​​EMF i sensorviklingen af ​​eksterne felter og på grund af en ændring i magnetkredsløbets magnetiske egenskaber under påvirkning af eksterne felter. I industrilokaler med el-installationer detekteres magnetiske felter med induktion T og frekvens hovedsageligt 50 Hz.

Da de magnetiske kerner af induktive sensorer arbejder ved induktioner på 0,1 - 1 T, vil andelen af ​​eksterne felter være 0,05-0,005% selv i fravær af afskærmning. Skærminput og brugen af ​​en differentialsensor reducerer denne andel med omkring to størrelsesordener. Fejlen på grund af påvirkning af eksterne felter bør således kun tages i betragtning ved design af sensorer med lav følsomhed og med umulighed af tilstrækkelig afskærmning. I de fleste tilfælde er denne fejlkomponent ikke signifikant.

4) Fejl på grund af den magnetoelastiske effekt. Det opstår på grund af ustabiliteten af ​​deformationerne af det magnetiske kredsløb under sensorsamling (additiv komponent) og på grund af ændringer i deformationer under sensordrift (vilkårlig komponent). Beregninger, der tager højde for tilstedeværelsen af ​​huller i det magnetiske kredsløb, viser, at påvirkningen af ​​ustabiliteten af ​​mekaniske spændinger i det magnetiske kredsløb forårsager ustabilitet af udgangssignalet fra ordresensoren, og i de fleste tilfælde kan denne komponent specifikt negligeres.

5) Fejl på grund af strain gauge effekt af spolen.Tilfældig ingrediens. Ved vikling af sensorspolen skabes en mekanisk spænding i ledningen. En ændring i disse mekaniske spændinger under sensordrift resulterer i en ændring i spolens modstand mod jævnstrøm og derfor en ændring i sensorens udgangssignal. Normalt for korrekt designede sensorer, det vil sige, at denne komponent ikke bør overvejes specifikt.

6) Afvigelse fra tilslutningskablet. Det opstår på grund af ustabiliteten af ​​kablets elektriske modstand under påvirkning af temperatur eller deformationer og på grund af induktion af EMF i kablet under påvirkning af eksterne felter. Er den tilfældige komponent af fejlen. I tilfælde af ustabilitet af kablets egen modstand, fejlen i udgangssignalet fra sensoren. Længden af ​​tilslutningskabler er 1-3 m og sjældent mere. Når kablet er lavet af tværsnit af kobbertråd, er kablets modstand mindre end 0,9 Ohm, modstandsustabilitet. Da sensorimpedansen typisk er større end 100 ohm, kan fejlen i sensoroutputtet være så stor som For sensorer med lav driftsmodstand skal fejlen derfor estimeres. I andre tilfælde er det ikke væsentligt.

7) Designfejl.De opstår under indflydelse af følgende årsager: indflydelsen af ​​målekraften på deformationerne af sensordelene (additiv), indflydelsen af ​​forskellen i målekraften på deformationernes ustabilitet (multiplikativ), indflydelsen af føringer af målestangen under transmissionen af ​​måleimpulsen (multiplikativ), ustabiliteten af ​​overførslen af ​​måleimpulsen på grund af huller og tilbageslag i de bevægelige dele (tilfældig) Designfejl er primært bestemt af defekter i designet af sensorens mekaniske elementer og er ikke specifikke for induktive sensorer. Evalueringen af ​​disse fejl udføres i overensstemmelse med de kendte metoder til evaluering af fejlene i de kinematiske transmissioner af måleindretningerne.

8) Teknologiske fejl. De opstår som et resultat af teknologiske afvigelser i den relative position af sensordele (additiv), spredningen af ​​parametrene for dele og spoler under produktionen (additiv), indflydelsen af ​​teknologiske huller og tæthed i forbindelserne af dele og i guider ( vilkårlig).

Teknologiske fejl i fremstillingen af ​​de mekaniske elementer i sensorstrukturen er heller ikke specifikke for den induktive sensor; de vurderes ved hjælp af de sædvanlige metoder for mekaniske måleanordninger. Fejl i fremstillingen af ​​det magnetiske kredsløb og sensorspolerne fører til spredning af sensorernes parametre og til vanskeligheder med at sikre udskifteligheden af ​​sidstnævnte.

9) Fejl ved ældning af sensor.Denne fejlkomponent er for det første forårsaget af slid på de bevægelige elementer i sensorstrukturen og for det andet af ændringen over tid af de elektromagnetiske karakteristika af sensorens magnetiske kredsløb. Fejlen skal betragtes som utilsigtet. Ved evaluering af fejlen på grund af slid tages der hensyn til den kinematiske beregning af sensormekanismen i hvert enkelt tilfælde. På sensordesignstadiet, i dette tilfælde, anbefales det at indstille sensorens levetid under normale driftsforhold, hvor den ekstra slidfejl ikke vil overstige den specificerede værdi.

Materialers elektromagnetiske egenskaber ændrer sig over tid.

I de fleste tilfælde slutter de udtalte processer med at ændre de elektromagnetiske egenskaber inden for de første 200 timer efter varmebehandlingen og afmagnetiseringen af ​​det magnetiske kredsløb. I fremtiden forbliver de praktisk talt konstante og spiller ikke en væsentlig rolle i den samlede fejl i den induktive sensor.

Ovenstående overvejelse af komponenterne i fejlen i en induktiv sensor gør det muligt at evaluere deres rolle i dannelsen af ​​sensorens totale fejl. I de fleste tilfælde er den afgørende faktor fejlen fra karakteristikkens ikke-linearitet og temperaturfejlen for den induktive konverter.