книги из ГПНТБ / Зарипов, М. Ф. Индуктивные датчики с улучшенными метрологическими характеристиками [учеб. пособие]
.pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
УФИМСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ им. ОРДЖОНИКИДЗЕ
М.Ф.ЗАРИПОВ, И.А.ЛИМАНОВ
ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
У ф а - 1974
Гос. ii'/O;ичнач
Научно-v |
; |
|
б и б л и о т |
л |
4 |
ЭК'.' |
■■ |
г1 |
Ч И Т А Л А |
|
|
Зарипов М.Ф., Лиманов И.А. Индуктивные датчики с улучшенными метрологическими характеристиками. Учебное пособие. Уфа, 1974г.
В книге приводятся результаты многолетних исследований авто ров в области индуктивных преобразователей с распределенными пара метрами и экранированными подвижными сердечниками, к достоинствам которых относятся: расширенный диапазон перемещений при высокой линейности статической характеристики, незначительное изменение фазы выходного.сигнала при перемещении подвижного оердечника, уменьшение электромеханических усилий,действующих на подвижную часть преобразователя,простота конструкции, технологичность и взаииозаменяемость.
Ответственный редактор к.т.н. доцент Ураксеев М.А
-3 -
ВВ Е Д Е Н И Е
Директивы ХХ1У съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на I97I-I975 годы поставили задачу дальнейшего продвижения советского общества по пути в комму низму, успешного строительства его материально-технической базы, укрепления оборонной мощи страны на основе высоких тем пов развития производства, повышения его эффективности, науч но-технического прогресса и ускорения роста производительности груда.
В свази с повышением эффективности производства и развитием автоматизированных систем управления постоянно возрастает зна чение информационно-измерительных систем (ИИС) для контроля и управления различными технологическими процессами. ИЙС охваты вают средства измерительной и вычислительной техники. Среди них Moiyi быть как сравнительно простые, предназначенные только для регистрации я хранения поступапцей информации, так и слож ные, осуществляющие информационные процессы по сбору, преобра зованию, обработке по оптимальным алгоритмам, хранению и выдаче большого количества параметров об исследуема и управляемее объектах.
Значительное внимание при этом уделяется созданию и разра ботке новых эффективных элементов Ш С - первичных преобразова телей - датчиков, которые осуществляют преобразование разнооб разных физических величин - усилия, перемещения, давления, ско рости, момента, температуры и т.д. - в единую электрическую ве личину ( ток, напряжение, частоту, фазу ), удобную для передачи и последующей переработки.
- 4 -
Вводимая в первичные преобразователи информация чаще всего представляет собой аналоговую величину, поэтому первичные пре
образователи, принимающие эту информацию, представляют собой устройства аналогового типа.
Каи показывает статистика, значительное количество устройств
измерения, контроля и регулирования неэлектрических величин включают в себя датчики линейных и угловых перемещений. Таким образом, перемещение является для большинства устройств автома тики, информационно-измерительной н вычислительной техники либо входной, либо выходной величиной, занимая в этом отношении одно из первых мест среди всех других физических величин.
Б ряде случаев применение электромагнитных датчиков пере-
*
мещений значительно упрощает ИИС, поэтоцу в последние годы боль шое внимание уделяется разработке и исследованию преобразовате лей с распределенными электромагнитными параметрами - индуктив ных, трансформаторных ( взаимоиндуктивных ), экранных и других датчиков, которые отличаются высокой чувствительностью, значи тельной выходной мощностью, простотой, универсальностью и на
дежностью [ I ] . Оригинальные конструкции таких преобразовате
лей, а также вопросы теории и расчета разработаны и описаны в трудах Б.Я.Петрова, Б.С.Сотскова, 1.Ф.Куликовского, Ы.Ф.Зари пова, Д.И.Агейкина, Б.Е.Буля, Н-Е.Нонихова, Д.А.Бровкина, A.I.
Дорофеева, В.С.Соболева и других ученых [ 2 * 9 ] .
Однако потребности практики таковы, что область применения электромагнитных датчиков часто ограничивается:
1) степенью нелинейности статических характеристик, их жесткостью;
2) зависимостью фазы выходного сигнала от координаты под вижной части;
3) электромеханическими усилиями, действующий на ™ дт>-т-
- 5 -
ную часть;
4) регулируемостью выходных характеристик датчиков.
Повышение качества преобразования обычно связано с техноло гическими трудностями изготовления профилированных сердечников и обмоток, индивидуально! подгонкой элементов и т.д., что в итоге осложняет взаимозаменяемость.
Одним из перспективных методов улучшения метрологических характеристик индуктивных датчиков с подвижным ферромагнитным сердечником является использование немагнитных экранов. Такое сочетание объединяет положительные качества индуктивных датчи ков с переменным воздушным зазором и подвижным экраном и отве чает повышенным требованиям, предъявлявши к датчикам переме-
цений: низкая степень нелинейности и возможность регулировки выходных характеристик, незначительная фазовая погрешность,
уменьшенные электромеханические усилия, значительная выходная моцнооть и чувствительность, высокая надежность работы, прос тота конструкций, малые габариты и вес.
Вданной книге рассматривается конструкции, элементы теории
ирасчета новых более эффективных индуктивных датчиков малых линейных перемещений с улучшенными метрологическими характерис
тиками.
2-4184
Г Л А В А I
ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ДАТЧИКИ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
§ I-I. Интгуктипные датчики с ш ы гндтннм гЬерроыагнитным
пвппвчииком ( ИДС )
Принцип действия этих датчиков основан на том, что при пере
мещении таких подвижных элементов, как ферромагнитный сердечник,
изменяются величины магнитных и электрических параметров, опре деленным образом распределенных вдоль пути перемещений подвиж
ной части [2] .
*
Не каждая конструкция ИДС, представленная в классификационной
таблице на рис.1-1, отвечает в полной мере специфичным требова ниям, предъявляемым к датчикам перемещений, основными из которых являются.’ I) широкий диапазон контролируемых перемещений; 2) вы сокая разреаапцая способность; 3) линейность статической харак теристики; 4) высокая чувствительность; 5) минимальная зависи мость фазы выходного сигнала от координаты подвижной части; 6) минимальные электромеханические усилия, действующие на подвиж ную часть датчика [ з ] .
При выборе ИДС по диапазону контролируема: перемещений стре мятся при достаточно высокой чувствительности обеспечить минималь ные поперечные габариты датчика.С этой точки зрения удобно клао-
оифицировать существующие датчики перемещений по следующим груп пам:
I. Датчики малых перемещений» рис. (i-l) [l»4], т.е. ИДС с пер менным зазором, можно разделить:
I) Датчики микроперенещений. Контролируемый диапазон:
|
|
|
Д атчики |
малых |
перемещений |
|
|
|
|
|||
|
|
Индуктивные (параметрические) |
|
|
Трансформаторные |
|||||||
|
|
Одноэлементные |
Дифференциальные Одноэлементные |
Дифференциальные |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
J |
j j i |
И |
И |
Е 1 |
|
|
|
|
|
|
|||
V* |
«■» |
Л |
2___ J |
п г |
|
]L |
4 |
1 |
t 4 |
3 |
4 2 i |
|
I I |
1 |
г 1 |
|
г |
||||||||
|
|
|
|
|
w |
и з |
|
|
|
н а |
||
111 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I E E |
||
|
|
|
|
ьччтчччччччччч^к^ |
|
|
|
|||||
г ? |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
w = ® |
хЧЧу^ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ^ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
4 |
/ |
|
||
1 |
|
|
Датчики |
больших |
перемещений |
|
|
|
||||
|
Индуктивные |
|
|
|
|
Трансформаторные |
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
Щ |
|
|
(О |
|
|
И |
l 1^ — |
|
|
|
|
|
|
|
^ |
3 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Щ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
2 |
2 |
1 ' Ч |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.4-1. Кпассисрикация датчиков перемещений
- 8 -
X M = t { 0+100) ш ; |
отношение |
Х „ к максимальному поперечному |
|
размеру |
V " |
= Ю -4 + |
10“5 |
2) |
Датчики малых перемещений, контролируемый диапазон: |
||
|
Хн = ± (Й'-гЗ) *» ■> |
- 3 f* O.S. |
|
Д. Датчики больших перемещений: |
|||
1) |
Датчики средних перемещений, ри с ^ -l) [э,1СГ], -^м=^(2+50)»в1 |
*т =0,5*1, в основном ИДС о переменной площадью зазора и солено идного типа.
2) Датчики больших и весьма больших перемещений, рис ^I-l) [ll,12] , Хм= ± (50 ♦ 10000 ) мм; £ г = 5 ♦ 100.
Рассмотрим одноэлементную конструкцию НДС из классификацион
ной таблицы на рис.1-1 [i]. Магнитная система индуктивного датчи-
«
ка состоит из неподвижного ферромагнитного броневого сердечника I
с возбуждающей обмоткой 2 и подвижного ферромагнитного сердечника 3,
при перемещении которого изменяется воздушный зазор S'.
Sax видно из рис.1-2,потокораспределение в нагнитопроводе
датчика является функцией зазора $ |
подвижного якоря 3 [i]. |
|
На схеме замещения магнитной цепи датчика обозначены: |
||
|
магнитодвижущая сила (НДС); |
|
<р |
- полный магнитный поток, |
определяемый полным магнит |
|
ным сопротивлением системы; |
|
Р г |
- магнитный поток, определяешй магнитным сопротивле |
|
|
нием воздуиного зазора |
R r ; |
(p g |
- магнитный поток рассеяния, определяемый магнитным |
|
|
сопротивлением R g 5 |
|
Ру |
- поток шпучивания ( утечки ), определяемый магнит |
|
|
ными линиями черев боковые поверхности и "ребра” |
|
|
сердечников, или некоторым магнитным сопротивлением |
|
|
выпучивания Ry . |
|
|
е , |
з q ^ c ; t c ^ c « c « |
|
X |
I |
------------1 |
|
2. |
г. |
|
|
Ф |
|
Ф - |
Ф е |
|
|
Рис. i- 2 .Конструкция и схема замещения магнитной цепи ИДС