Индуктивный датчик перемещения: Индуктивный датчик перемещения — Все промышленные производители

Содержание

измеряем линейное перемещение и вращение

18 августа 2016

Бесконтактные датчики обеспечивают повышенную надежность и долговечность при определении местоположения объекта и получении информации об его перемещении. Компания Texas Instruments выпускает линейку надежных и современных микросхем цифровых преобразователей для индуктивных датчиков, а также разработала ряд типовых решений на их основе.

В системах промышленной и автомобильной электроники довольно часто используются датчики для предоставления информации, связанной с анализом металлических предметов и поверхностей. Например, это может быть информация, подтверждающая присутствие предмета в определенном месте и частоту возникновения определенного события, информация о точном месторасположении интересующего объекта. Если при этом эксплуатация изделия происходит при наличии в окружающей среде грязи, пыли, машинного масла, повышенной влажности, то выбор технологии измерения индуктивности для реализации конечного изделия будет вполне обоснован. Принцип действия индуктивных датчиков основывается на реакции магнитного поля, излучаемого датчиком, на токопроводящий объект, попадающий в него. Магнитное поле создается током, протекающим в катушке индуктивности, и не требует наличия дополнительного внешнего магнита. Конструкция катушки индуктивности определяется необходимыми параметрами датчика и конструктивными особенностями изделия. Для создания магнитного поля может быть использован любой тип катушки: готовая моточная катушка, катушка, реализованная на печатной плате или даже простая металлическая пружина (рисунок 1). Индукционные бесконтактные датчики обнаруживают токопроводящие предметы различных типов, попадающие в зону действия магнитного поля, а также дают возможность определить состав объекта. При использовании в качестве катушки индуктивности пружины с помощью датчика можно определить меру ее сжатия, растяжения или изгиба.

Рис. 1. Различные варианты катушки индуктивности в датчиках

Технология измерения параметров системы с помощью индуктивности существует не одно десятилетие. Ранее для ее реализации требовалась сложная аналоговая схемотехника, что делало ее слишком дорогой для применения за пределами промышленных изделий и портативных металлодетекторов. На сегодняшний день существующие специализированные микросхемы и универсальные микроконтроллеры позволяют реализовать простые бюджетные индуктивные датчики.

Основные особенности, которые позволяют активно использовать индуктивные датчики – это простота конструкции, высокая точность, линейность и надежность. Последняя обусловлена тем, что попадание загрязнения между датчиком и исследуемым объектом не влияет на результаты измерения. Измерение индуктивности позволяет получить исключительные характеристики и надежность при относительно низкой себестоимости в сравнении с альтернативными решениями. Технология измерения с помощью индуктивности может быть использована для точного определения линейного и углового месторасположения предмета, величины сжатия пружин, силы вибрации, для определения состава металла. На ее основе возможна реализация различных органов управления (кнопки, регуляторы, переключатели), турбинных расходомеров, драйверов двигателей и так далее. Области применения индуктивных датчиков достаточно разнообразны и включают в себя различные сегменты рынка: автомобильный, рынок товаров широкого потребления, мобильных устройств, промышленный и медицинский.

Основные принципы работы индуктивных датчиков

Переменный ток, протекающий через катушку, создает переменное магнитное поле. При помещении в него проводящего материала, например, любого предмета, в состав которого входит железо, часть энергии магнитного поля передается на металлический объект. Эта переданная энергия индуцирует на поверхности объекта вихревые токи, известные как токи Фуко. Их величина зависит от размера и состава метала, а также расположения объекта относительно магнитного поля. Индуцированные вихревые токи в металлическом объекте создают собственное магнитное поле (встречное поле или вторичное поле), которое взаимодействует с первичным полем, генерируемым катушкой. За счет воздействий уменьшается эффективная индуктивность катушки, тем самым изменяя резонансную частоту контура, в который включена индуктивность.

Для создания L-C-резонатора (L-C-контура), который используется для генерации электромагнитного поля, необходимо всего два элемента – индуктивность и конденсатор. Изменение магнитного поля LC-резонатора, вызванное попаданием в него токопроводящего объекта, проявляется как смещение резонансной частоты. Такое смещение обусловлено изменением величины эффективной индуктивности катушки контура.

Для упрощения процесса разработки индуктивных датчиков компания Texas Instruments c 2013 года выпускает семейство цифровых преобразователей LDC. Микросхемы цифровых преобразователей LCD производят измерение импеданса и резонансной частоты L-C-контура. (рисунок 2, таблица 1). Выходными данными в преобразователях является цифровое значение, пропорциональное частоте. Значение частоты может быть преобразовано в значение эквивалентной индуктивности.

Рис. 2. Линейка индуктивных интерфейсов

Таблица 1. Краткие характеристики индуктивных интерфейсов

Параметры Наименование
LDC0851 LDC1101 LDC1612/ LDC1612-Q1 LDC1314/ LDC1314-Q1 LDC1312/ LDC1312-Q1 LDC1614/ LDC1614-Q1 LDC1000-Q1
Количество каналов 1 1 2 4 2 4 1
Ток потребления, тип., мА 2 2,1
2,1
2,1 2,1 1,7
Напряжение аналогового питания, мин., В 1,,8 1,71 2,7 2,7 2,7 2,7 4,75
Напряжение аналогового питания, макс., В 3,3 3,46 3,6 3,6 3,6 3,6 5,25
Напряжение цифрового питания, мин., В 1,8
Напряжение цифрового питания, макс., В 5,25
Интерфейс Двухтактный выход SPI I2C I2C I2C I2C SPI
L-разрешающая способность, бит 24 28 12 12 28 24
Амплитуда сигнала, макс., В 1,8 1,8 1,8 1,8 4
Частота датчика, MГц 0,3…19 0,5…10 0,001…10 0,001…10 0,001…10 0,001…10 0,005…5
Ток в режиме ожидания, тип., мкА 150 35 35 35 35 250
Рабочий диапазон температур, °С -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125 -40…125; -40…150
Корпус WSON VSON WSON WQFN WSON WQFN TSSOP
Размер корпуса, мм2 (ШхД) 4 (2×2) 9 (3×3) 16 (4×4) 16 (4×4) 16 (4×4) 16 (4×4) 32 (6,4×5)

Микросхемы в выпускаемой на сегодняшний день линейке индуктивных преобразователей Texas Instruments можно разделить на следующие группы: переключатели, одноканальные преобразователи, многоканальные преобразователи.

Относительно новой позицией в линейке индуктивных преобразователей Texas Instruments является микросхема индуктивного переключателя LDC0851. Это твердотельный переключатель, в котором уровень выходного сигнала на выходе зависит от величины индуктивности на входе.

Датчик линейного перемещения

Одним из распространенных способов определения линейного месторасположения объекта является реализация системы с использованием редкоземельных магнитов. Использование микросхем линейки LDCxxxx позволяет упростить задачу и уменьшить стоимость конечного решения за счет исключения из конструкции магнита. Примером может быть решение Texas Instruments – TIDM-INDUCTIVELINEAR на базе LDC1612. (рисунки 3, 4)

Рис. 3. LDC1612 в датчике линейного перемещения (TIDM-INDUCTIVELINEAR)

Рис. 4. Блок-схема LDC1612

Представленное решение (рисунок 5) позволяет реализовать индуктивное измерение линейного местоположения металлического предмета с помощью двух микросхем: микропроцессора

MSP430 с ESI-интерфейсом и LDC1612. Особенностью предложенного решения является использование для детектирования наличия объекта специального модуля микроконтроллера ESI (Extended Scan Interfacе – расширенный интерфейс сканирования), а для более точных измерений – возможности переключаться на использование данных от LDC1612. Такое решение позволяет значительно сократить энергопотребление системы. Таким образом, совмещая преимущества ESI, реализованного в микроконтроллере MSP430, с технологией преобразования индуктивности в код, можно реализовать бюджетное решение для определения линейного месторасположения с низким энергопотреблением.

Рис. 5. Блок-схема TIDM-INDUCTIVELINEAR

Преобразователь LDC1612 состоит из входных драйверов резонатора, подсоединенных к мультиплексору, через который активные каналы подсоединяются к основному ядру. С помощью основного ядра происходит измерение и преобразование в цифровой код частоты датчика. В качестве опорной частоты в преобразователе используется частота либо внутреннего генератора, либо внешнего. Получаемый цифровой код пропорционален отношению измеренной частоты датчика к частоте опорного генератора. Для управления режимом работы микросхемы и передачи данных к внешнему микроконтроллеру используется интерфейс I

2C (рисунок 5).

Для определения линейного месторасположения предмета, кроме придания определенной формы самому предмету, можно придать определенную форму переменному магнитному полю, генерируемому катушкой индуктивности. Основная идея – это создание неоднородного магнитного поля в зоне измерения. В зависимости от горизонтального положения вдоль катушки сила поля должна меняться. При использовании прямоугольного объекта катушка должна иметь неоднородное поле. Это может быть достигнуто за счет растягивания катушки так, чтобы поле было более сильным с одного ее конца.

На рисунке 6 показан пример такой системы, где прямоугольный объект перемещается вдоль оси Х датчика с сохранением постоянного воздушного зазора. Перемещение создает на выходе преобразователя LDC-сигнал, который можно использовать для определения месторасположения объекта. Преимущества использования вытянутой катушки индуктивности (прямоугольной PCB-катушки с уменьшающимся количеством витков на секцию) в паре с прямоугольным объектом по сравнению с обычной круглой катушкой в паре с треугольным объектом заключается в том, что объект может быть значительно меньше самой катушки. Для многих применений, где пространство для движущихся объектов ограничено, решение с использованием растянутой катушки позволяет обойти эти ограничения.

Рис. 6. Горизонтальное перемещение прямоугольного объекта вдоль PCB-катушки

В представленном типовом проекте используется катушка с 23 витками на слой, выполненная в четырех слоях. Переменное магнитное поле наиболее сильно со стороны самых удаленных витков и ослабевает при перемещении влево, поэтому наибольшую силу переменное магнитное поле имеет справа от геометрического центра катушки. Компания Texas Instruments предлагает скрипт для создания вытянутой катушки для применений, где требуется определение горизонтального месторасположения.

При использовании вытянутой катушки индуктивности следует учитывать, что длина и ширина объекта влияют на полученную разрешающую способность и диапазон измерения. Чем длиннее объект, тем большую разрешающую способность можно получить, при этом ограничивается диапазон измерения. Ширина объекта при этом должна перекрывать катушку для обеспечения максимального влияния металла на магнитное поле катушки.

Благодаря широкому диапазону частот генерации и выходных токов LDC1612 дает дополнительную гибкость при выборе размера индуктивности, которая наилучшим образом подходит под механические требования системы. Тем не менее, следует учитывать, что частота резонаторного контура должна быть в диапазоне 1 кГц…10 МГц. И хотя нет абсолютных требований к величине индуктивности катушки, необходимо гарантировать, чтобы резонансная частота и потери на параллельном сопротивлении не превышали заданные в спецификации значения. Также рекомендуется размещать емкость LC-контура как можно ближе к катушке индуктивности для уменьшения влияния паразитного сопротивления и индуктивности проводников на плате. Длина проводников между контуром и микросхемой не столь критична, так как не влияет на резонансную частоту.

Использование индуктивности, которая работает на максимально возможной частоте для прецизионных применений предпочтительно, так как в таких сенсорах будет меньше витков, что позволяет уменьшить температурный дрейф из-за изменения сопротивления объекта.

Дополнительными факторами, которые могут повлиять на ошибку при определении месторасположения объекта, могут быть неправильно рассчитанные полиноминальные коэффициенты. Для получения достоверных коэффициентов необходимо собрать данные по всей длине индуктивности при различной величине воздушного зазора и рассчитать полином 3-го порядка, чтобы получить наилучшую аппроксимацию.

На рисунке 7 приведен результат измерения индуктивности в зависимости от линейного положения объекта. Нулевой отметке (0 мм) соответствует положение объекта на стороне с наименьшей плотностью витков, а отметке 100 мм – область с наибольшей плотностью витков (рисунок 6). Из полученного графика видно, что наиболее оптимальным для использования является средний участок – 20…90 мм. На данном участке мы имеем почти линейную зависимость индуктивности от месторасположения объекта и можем получить максимальную точность. Участок 0…20 мм также может быть использован для определения месторасположения. Однако из-за малой величины изменения индуктивности точность измерения здесь будет минимальна. Область выше 90 мм, которая соответствует переходу через центр катушки индуктивности, не пригодна для нахождения месторасположения, так как имеет немонотонную зависимость.

Рис. 7. Изменение индуктивности при линейном перемещении металлического объекта

Счетчик событий

Счетчик событий используется для определения скорости и положения ротора вентилятора, расходомера и тому подобного. Зачастую такие счетчики событий строятся с использованием датчиков Холла или оптических датчиков. И то, и другое решение позволяет реализовать бесконтактное измерение со своими особенностями. Необходимость использования магнита в решении на базе датчика Холла ведет к дополнительному удорожанию изделия. Решения, использующие оптические датчики, подвержены влиянию грязи и пыли, что сказывается на времени жизни изделия. Применение катушки индуктивности позволяет реализовать надежную систему с рядом дополнительных преимуществ, а именно – повторяемым порогом срабатывания, невосприимчивостью к таким внешним факторам как температура и влажность. Более того, данная технология чрезвычайно устойчива при работе в жестких условиях и может использоваться там, где необходимо обеспечить водозащищенное решение.

Рис. 8. Функциональная блок-схема решения TIDA-00851-LDC0851

Представленное решение TIDA-00851-LDC0851 (рисунок 8) на базе индуктивного датчика не требует использования дополнительного магнита. Разработанный прибор обеспечивает надежную работу в среде с повышенной загрязненностью, влажностью или при наличии смазки, что является непростой задачей при использовании альтернативных датчиков. Применение индуктивного датчика упрощает задачу и увеличивает долговременную надежность для таких задач как подсчет количества зубьев, определение скорости вращения и тому подобного для промышленных и автомобильных систем. И если для большинства систем, где для обнаружения используется индуктивный датчик, проводящий объект должен быть расположен параллельно катушке индуктивности, то в предложенном варианте объект располагается перпендикулярно измерительной катушке. Индуктивность катушки будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от положения проводящего объекта. Соответственно, частота датчика увеличивается, когда объект приближается к катушке датчика, что вызвано уменьшением индуктивности. В приведенном примере в качестве детектируемых объектов применены медные полоски, прикрепленные к лопастям вентилятора. Полоски проходят около катушки при вращении вентилятора (рисунок 9).

Рис. 9. LDC0851 в схеме измерения числа оборотов вентилятора

При работе с объектами, которые имеют малую поверхностную площадь, например, такими как край вентилятора, применяются специальные решения. Это обусловлено необходимостью обнаруживать небольшое отклонение индуктивности при прохождении объекта рядом с сенсором. Объект, обладающий площадью большей или равной площади измерительной катушки, создает максимальный сдвиг частоты, поэтому в представленном решении для гарантирования того, что объект с малой поверхностной площадью может быть обнаружен на расстоянии до 3 мм, используется специальный подход. В разводку платы преднамеренно введено рассогласование между измерительной и опорной индуктивностью. Оно введено таким образом, что при отсутствии металлического объекта индуктивность измерительного датчика меньше опорной индуктивности, а когда объект присутствует – наоборот, опорная индуктивность меньше измерительной. Для этого в измерительной индуктивности могут использоваться короткие проводники или уменьшена индуктивность на половину витка. Это позволяет увеличить диапазон чувствительности при использовании LDC0851 для заданного объекта.

Для надежной работы необходимо, чтобы диаметр индуктивности был хотя бы в три раза больше измеряемого расстояния. Больший диаметр обеспечивает лучшие параметры системы. Тем не менее, следует учитывать некоторые ограничения. Если диаметр индуктивности превышает размер объекта, то минимальное воздействие малого объекта ослабит максимально возможный сдвиг по частоте. Использование большего объекта значительно увеличивает чувствительность системы, что может быть использовано либо для увеличения измеряемого диапазона, либо для улучшения точности измерения. Однако увеличение диаметра объекта до величины значительно больше размера катушки не дает пропорциональное улучшение отклика.

Дополнительно при использовании LDC08051 следует учитывать ограничения, накладываемые характеристиками микросхемы: частота датчика должна находиться в диапазоне 300 кГц…19 МГц; минимальная емкость датчика должна быть более 33 пФ; ток датчика не должен превышать 6 мА при питании 3,3 В.

В данном приложении LDC0851 постоянно измеряет основную и опорную катушки. При обнаружении объекта преобразователь вызывает прерывание микроконтроллера MSP430F5528. Алгоритм микроконтроллера сравнивает метку времени текущего события с предыдущей для определения скорости вращения. Для компенсации минимальных вариаций скорости вращения вентилятора метки времени обрабатываются с помощью фильтра со скользящим усреднением.

З2-позиционный датчик угла поворота

Традиционно датчики угла поворота выполняются с использованием систем с механическими контактами. Вследствие присутствия контактов такие системы имеют проблемы с долговременной надежностью, что приводит к необходимости их замены из-за износа движущихся частей. Альтернативным решением является использование оптических датчиков, но такое решение подвержено негативному влиянию грязи и пыли, что уменьшает время наработки на отказ во многих автомобильных и промышленных системах. Вариант использования магнитных датчиков позволяет решить проблемы с грязью и пылью, но несвободен от воздействия внешних магнитных полей, что уменьшает надежность изделия. Индуктивный датчик позволяет реализовать надежный вращающийся бесконтактный управляющий элемент. Более того, данная технология обладает повышенной устойчивостью при работе в жестких внешних условиях и может быть выполнена в водостойком варианте.

Предложенное решение шагового датчика угла поворота TIDA-00828 позволяет реализовать надежный круговой регулятор для различных промышленных, потребительских и автомобильных применений. Использование индуктивных датчиков обеспечивает надежную работу в среде с повышенным загрязнением/влажностью и не требует дополнительных магнитов. Основным узлом регулятора являются две микросхемы LDC0851 (рисунок 10).

Рис. 10. LDC0851 в cхеме энкодера
(TIDA-00828)

Решение представляет собой набор из нескольких элементов: индуктивного датчика, платы с проводящими детектируемыми элементами, ручки управления. Индуктивный датчик со всеми необходимыми элементами выполнен в виде платы. Плата с детектируемыми проводящими элементами присоединяется к ручке управления и вращается на определенном расстоянии над уровнем платы с индуктивными датчиками (рисунок 11). Плата с детектируемыми элементами содержит только набор медных проводников и не требует никаких дополнительных элементов. При вращении ручки сигнал на выходах LDC0851 изменяется, тем самым передавая микроконтроллеру сигнал о смене положения и количестве измененных позиций. Две микросхемы необходимы для определения направления поворота. Каждая имеет свой датчик и опорную индуктивность. Датчики и детектируемые элементы расположены так, что данные на выходе микросхем выдают сигнал в виде кода Грея. Таким образом, исходя из полученной последовательности, можно вычислить, в какую сторону двигалась ручка управления. В данном дизайне последовательность «00_01_11_10_00» соответствует повороту по часовой стрелке, тогда как обратная последовательность – «00_10_11_01_00», – соответствует повороту против часовой стрелки. Предложенный вариант расположения датчиков и детектируемых элементов позволяет обеспечить 32-позиционную систему определения кругового месторасположения (рисунок 12).

Рис. 11. Конфигурация датчика и платы с детектируемыми элементами

Реализация малогабаритного многопозиционного сенсора накладывает свои ограничения на размеры используемых датчиков. Такие датчики обладают малой индуктивностью, величина которой может быть недостаточна для корректной работы индуктивного компаратора LDC0851. Для того чтобы получить максимальную индуктивность в заданном пространстве, в TIDA-00828 реализован трапециевидный датчик вместо обычного круглого. Дополнительно индуктивность датчика выполнена в четырех слоях с 7-ю витками на каждом слое (рисунок 13).

Рис. 12. Функциональная блок-схема 32-позиционного кругового регулятора

Рис. 13. Трапециевидная конструкция датчика, выполненного в четырех слоях

Предложенный дизайн рассчитан на работу от USB-интерфейса 5 В и регулируемого напряжения 3,3 В для питания микроконтроллера и LDC0851. И хотя представленный дизайн датчика угла поворота разрабатывался для реализации интерфейса «человек-машина», он с успехом может быть использован для применений, где необходимо измерение скорости. В данном случае следует учитывать, что максимальная измеряемая скорость будет зависеть от времени преобразования микросхемы и необходимости дополнительной передискретизации для достижения надежных показаний. Измеряемую максимальную скорость можно оценить по формуле (1):

(1)

где RPMмакс – максимально возможная измеряемая скорость вращения, tмин – время преобразования с учетом передискретизации. В предлагаемом решении с использованием LDC08051, с частотой датчика 16,73 МГц и с учетом того, что для надежной работы производится усреднение по трем значениям, максимальная измеряемая скорость составляет 2415 об/мин.

Прецизионный регулятор

Другим примером реализации датчика угла поворота является типовой проект TIDA-00508. В проекте показано, как с помощью индуктивных преобразователей Texas Instruments можно реализовать прецизионный диск управления, который позволяет определять угол поворота с точностью до 1° с разрешающей способностью 0,1° без использования дополнительных магнитов. Получаемые результаты не зависят от температуры и позволяют автоматически скорректировать качание по оси z. В качестве преобразователя индуктивности в проекте используется LDC1314 (рисунок 14). Использование индуктивного датчика позволяет реализовать бесконтактный узел управления и получить все выгоды от его использования, такие же, как и в предыдущих проектах: устойчивость к загрязнениям, надежность, отсутствие магнита и тому подобное, что позволяет использовать его в различных промышленных, автомобильных, потребительских применениях. Для реализации индуктивного датчика используется стандартная технология изготовления печатных плат, что позволяет получить недорогое решение. И хотя в примере применяется LDC1314, при необходимости вместо нее также могут быть использованы LDC1312, LDC1614, LDC1612.

Рис. 14. LDC1314 в cхеме прецизионного регулятора

Особенностью реализации прецизионного кругового регулятора является специальная конструкция сенсора и токопроводящего детектируемого объекта. Предложенная конструкция обеспечивает линейную зависимость перекрытия при повороте. Для достижения линейности измерений рисунок проводящего материала представляет собой форму, в которой ширина проводника линейно меняется в зависимости от угла (рисунок 15). При этом сам диск выполнен из стандартного материала FR4.

Рис. 15. Форма проводника для проводящего объекта

Дополнительно применение дифференциальной конструкции сенсора позволяет минимизировать нежелательное воздействие изменения температуры, точности сопряжения в пространстве и уменьшить различие между платами до 3° без дополнительной калибровки (рисунок 16). Данные об изменении частоты с LDC1314 передаются на микроконтроллер MSP430, который в данном проекте является мостом между I2C-интерфейсом LDC1314 и USB-интерфейсом. Вся обработка данных и их отображение производятся с помощью ПК. С помощью ПК также производится необходимая калибровка. Применяемый для обработки и калибровки алгоритм может быть легко перенесен в микроконтроллер для самостоятельных применений.

Рис. 16. Конструкция дифференциальных индуктивных датчиков с проводящим объектом над ним

Используемая микросхема LDC1314 является четырехканальным цифровым преобразователем индуктивности (рисунок 17). Четыре входных канала (от IN0A/IN0B до IN3A/IN3B) подсоединяются к четырем датчикам, реализованным в виде LC-контура. Выход каждого канала преобразования представлен в виде 12 бит информации о частоте LC-контура. Получение информации об измеренной частоте, а также настройка параметров преобразователя осуществляются при помощи I2C-интерфейса (рисунок 18).

Рис. 17. Функциональная блок-схема LDC1314

Рис. 18. Функциональная блок-схема прецизионного кругового регулятора

Для измерения резонансной частоты LC-контура в качестве опорного сигнала может быть использован как внутренний, так и внешний генератор.

При определении угла поворота с помощью измерения индуктивности возможно появление систематической ошибки. Величина данной ошибки зависит от точности согласования используемых катушек индуктивности, емкости, наличия механических девиаций системы и внешних металлических поверхностей. Калибровка может значительно уменьшить ошибки измерения, связанные со встроенными ошибками. В текущем проекте применяются три вида калибровки: калибровка по четырем точкам, калибровка полного поворота, автоматическая калибровка (калибровка во время работы).

Заключение

Применение цифровых преобразователей «индуктивность-код» производства компании Texas Instruments существенно упрощает процесс разработки и использования индуктивных датчиков. Широкая номенклатура имеющихся преобразователей в семействе LDC позволяет реализовать все преимущества бесконтактных индуктивных датчиков, не усложняя конструкцию и не используя дорогостоящих внешних элементов. Рассмотренные практические примеры применения показывают, что использование индуктивных датчиков позволяет реализовать надежные решения, которые являются достойной альтернативой оптическим и магнитным датчикам.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Наши информационные каналы

Индуктивные датчики. Устройство, типы и виды индуктивных датчиков.

Индуктивные датчики применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Простейший индуктивный датчик (называемый однотактным) представляет собой катушку индуктивности 1 с железным сердечником 2 и подвижным якорем З, отделенным от сердечника воздушным зазором (рис. 2-4). Катушка индуктивности с сердечником, называемая статором датчика, закрепляется неподвижно, а якорь соединяется механически с подвижной частью ОУ, перемещение которой нужно преобразовывать в электрический сигнал. При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи датчика вследствие изменения воздушного зазора δ между статором и якорем (при вертикальном движении якоря) или площади воздушного зазора S (при горизонтальном движении якоря).

   Сопротивление магнитной цепи датчика складывается из сопротивления участка цепи со сталью Rст и сопротивления участка цепи с воздушным зазором Rв. Магнитное сопротивление участка цепи со сталью:

Rст = Lст/(mст/Sст),

где Lст  — суммарная длина средней магнитной силовой линии в стали сердечника и якоря; Sст — площадь поперечного сечения стального сердечника; mст — магнитная проницаемость материала сердечника и якоря.

   Магнитное сопротивление участка цепи с воздушным зазором:

Rст = 2δ/(μоSв), где δ — длина воздушного зазора между статором и якорем датчика; μо — проницаемость воздуха; Sв — площадь поперечного сечения воздушного зазора. Так как μо>>μо, то Rст0 . сопротивление магнитной цепи датчика будет определяться в основном сопротивлением участка цепи с воздушным зазором:

Rм ≈ Rв = 2δ/(;μоSr)

Переменный магнитный поток Ф, возникающий при подключении источника питания к катушке датчика, равен

Ф = Iω/Rм


где I — ТОК в цепи катушки датчика; w — число витков катушки датчика,w — число витков катушки датчика.

Индуктивность катушки датчика (если пренебречь потоком рассеяния):

L = ωФ/I = [ω2/2δ]μS

   Формула (2-1) устанавливает функциональную связь между перемещением якоря индуктивного датчика (при перемещении изменяется или d, или Sв) и индуктивностью катушки датчика.

   У индуктивных датчиков с изменяющимся воздушным зазором статическая характеристика L=f(x)  нелинейная (рис. 2-5, 1) и при больших зазорах (δ > 1 мм) чувствительность датчика уменьшается. Такие датчики используют при ограниченном диапазоне перемещения якоря — до 1 мм, а начальная рабочая точка выбирается в области характеристики, где она имеет наибольшую крутизну и приближается к линейной чувствительность датчиков с изменяющимся воздушным зазором высокая – до  0,2 мкм.

   У индуктивных датчиков с изменяющейся площадью воздушного зазора статическая характеристика L=f(Sв) линейная, диапазон перемещения якоря шире — до 8 мм, но чувствительность меньше — до 0,3 мкм (рис. 2-5, 2). Изменение индуктивности катушки датчика L приводит к изменению ее индуктивного сопротивления: ХL = ωL, где ω — круговая частота питающего напряжения. Следовательно, происходит и изменение полного сопротивления катушки: Z = √Rа*2+XL*2, где Ra  — активное сопротивление катушки датчика.

   Ток I, протекающий в катушке датчика под действием приложенного переменного напряжения U, также изменяется при перемещении якоря и может служить выходным сигналом датчика (выходной характеристикой). Условно принцип работы индуктивных датчиков можно представить в виде цепи преобразований происходящих при перемещении якоря датчика (для датчиков с изменяющимся воздушным зазором):

x↑ → δ↑ → Rm↑ → Ф↓ → L↓ → Xl↓ → Z↓ → I↑

   Однотактные индуктивные датчики имеют высокую чувствительность и надежность, практически неограниченный срок службы, большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт), что позволяет в ряде случаев не применять усилитель. К недостаткам индуктивных датчиков следует отнести нереверсивность характеристики, небольшой диапазон перемещений якоря, наличие тока холостого хода и электромагнитной силы притяжения между якорем и статором, влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки полностью или частично отсутствуют у дифференциальных индуктивных датчиков.

Дифференциальный индуктивный датчик

Он содержит два статора с катушками индуктивности L1 и L2 и один общий якорь. При перемещении якоря индуктивность одной катушки увеличивается, другой — уменьшается. Катушки индуктивности включаются или в дифференциальную измерительную схему, или как смежные плечи в мостовую измерительную схему.

   Дифференциальные индуктивные датчики по сравнению с однотактными имеют более высокую точность преобразования и чувствительность. Статическая характеристика этих датчиков линейная и реверсивная.

Трансформаторные датчики

Они являются разновидностью индуктивных датчиков. Трансформаторный датчик можно рассматривать как трансформатор, у которого коэффициент трансформации изменяется за счет изменения коэффициента взаимоиндуктивности М между его обмотками. Такие датчики применяются для преобразования в электрический сигнал (напряжение переменного тока) небольших линейных и угловых перемещений.

   На рис. 2-6 представлен дифференциальный трансформаторный датчик с угловым перемещением якоря. Первичная обмотка датчика ω1 расположена на центральном стержне сердечника 1 и подключена к источнику переменного тока. Вторичные обмотки ω2а и ω2б расположены на крайних стержнях и соединяются последовательно и встречно. Ток, протекающий по ω1 создает переменный магнитный поток Ф1, разветвляющийся на два потока: Ф1а и Ф1б. При симметричном положении якоря 2 по отношению к статору датчика (сердечник 1 с обмотками ω1, ω2а и ω2б) магнитные потоки равны: Ф1а=Ф1б=Ф1/2, и ЭДС, индуцирующиеся во вторичных обмотках, будут также равны: Е2а=Е2б.


Так как фазы этих ЭДС противоположны (за счет встречного включения обмоток ω2а и ω2б), то напряжение на выходе датчика будет равно нулю: Uвых = Е2а — Е2б=О. При повороте якоря, который механически связан с подвижной частью объекта управления, изменяются площади поперечного сечения воздушных зазоров и между якорем и крайними стержнями сердечника. В результате этого изменятся сопротивления RM1 и RM2 магнитных цепей потоков Ф1а и Ф1б, да и сами потоки: один из них увеличивается на ΔФ, а другой уменьшится на ΔФ. Индуцирующие во вторичных обмотках ЭДС Е2а и Е2б также изменятся пропорционально изменению потоков ФIа и Ф2б. На выходе датчика появится напряжение Uвых, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС Е2а и Е2б: Uвых = Е2а-Е2б, а фаза выходного напряжения будет определяться фазой большей из ЭДС.

   Таким образом, характеристика такого датчика будет реверсивной и линейной (в рабочей зоне). Чувствительность дифференциального трансформаторного датчика в два раза выше, чем у однотактного, рабочая зона в два раза больше, и при симметричном положении якоря выходное напряжение равно нулю. Точность преобразования у дифференциальных трансформаторных датчиков выше, так как ввиду симметричности конструкции и схемы датчика частично взаимно компенсируются погрешности от изменения окружающей температуры и частоты источника питания.

Датчики перемещения, расстояния и положения Micro-Epsilon

Емкостные датчики предназначены для бесконтактного измерения смещения, расстояния и положения, а также для измерения толщины. Благодаря высокой стабильности и разрешению сигнала емкостные датчики смещения применяются в лабораториях и промышленных измерительных задачах. Например, при управлении производством емкостные датчики измеряют толщину пленки и нанесение клея. Установленные в станках, они контролируют смещение и положение инструмента. Специальная конструкция сенсора, сенсорный кабель и инновационная технология контроллера обеспечивают идеально согласованную измерительную систему. Поэтому измерительные системы capaNCDT отличаются высокой точностью и стабильностью сигнала. Даже в промышленных применениях емкостные датчики достигают разрешающей способности в диапазоне субмикрометров.

  • CS005 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 0,05 мм
  • CS02 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 0,2 мм
  • CSH02-CAm1,4 цилиндрический датчик с кабелем, диапазон измерения: 0,2 мм
  • CSH02FL-CRm1,4 плоский датчик с кабелем, диапазон измерения: 0,2 мм
  • CS05 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 0,5 мм
  • CSE05 цилиндрический датчик с гнездом, компактная конструкция, диапазон измерения: 0,5 мм
  • CSE05 / M8 надежный датчик (цилиндрический) с резьбой M8 и гнездом, диапазон измерения: 0,5 мм
  • CSG0,50-CAm2,0 датчик зазора (на плате) с кабелем, 2-сторонний, диапазон измерения: 0,5 мм
  • CSH05-CAm1,4 цилиндрический датчик с кабелем, диапазон измерения: 0,5 мм
  • CSH05FL-CRm1,4 плоский датчик с кабелем, диапазон измерения: 0,5 мм
  • CS08 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 0,8 мм
  • CS1 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 1 мм
  • CS1HP цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 1 мм
  • CSE1 цилиндрический датчик с гнездом, компактная конструкция, диапазон измерения: 1 мм
  • CSG1,00-CAm2,0 датчик зазора (на плате) с кабелем, 2-сторонний, диапазон измерения: 1 мм
  • CSh2-CAm1,4 цилиндрический датчик с кабелем, диапазон измерения: 1 мм
  • CSh2FL-CRm1,4 плоский датчик с кабелем, диапазон измерения: 1 мм
  • CSh2,2-CAm1,4 цилиндрический датчик с кабелем, диапазон измерения: 1,2 мм
  • CSh2,2FL-CRm1,4 плоский датчик с кабелем, диапазон измерения: 1,2 мм
  • CSE1,25 цилиндрический датчик с гнездом, компактная конструкция, диапазон измерения: 1,25 мм
  • CSE1,25 / M12 надежный датчик (цилиндрический) с резьбой M12 и гнездом, диапазон измерения: 1,25 мм
  • CS2 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 2 мм
  • CSE2 цилиндрический датчик с гнездом, компактная конструкция, диапазон измерения: 2 мм
  • CSE2 / M16 надежный датчик (цилиндрический) с резьбой M16 и гнездом, диапазон измерения: 2 мм
  • CSF2 датчик зазора (на плате) с разъемом, односторонний, диапазон измерения: 2 мм
  • CSF2-CRg4,0 датчик зазора (на плате) с кабелем, односторонний, диапазон измерения: 2 мм
  • CSh3-CAm1,4 цилиндрический датчик с кабелем, диапазон измерения: 2 мм
  • CSh3FL-CRm1,4 плоский датчик с кабелем, диапазон измерения: 2 мм
  • CS3 цилиндрический датчик с гнездом, компактная конструкция, диапазон измерения: 3 мм
  • CSE3 цилиндрический датчик с гнездом, компактная конструкция, диапазон измерения: 3 мм
  • CSE3 / M24 надежный датчик (цилиндрический) с резьбой M24 и гнездом, диапазон измерения: 3 мм
  • CSh4FL-CRm1,4 плоский датчик с кабелем, диапазон измерения: 3 мм
  • CSF4 датчик зазора (на плате) с разъемом, односторонний, диапазон измерения: 4 мм
  • CSF4-CRg4,0 датчик зазора (на плате) с кабелем, односторонний, диапазон измерения: 4 мм
  • CS5 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 5 мм
  • CSF6 датчик зазора (на плате) с односторонним разъемом, диапазон измерения: 6 мм
  • CSF6-CRg4,0 датчик зазора (на плате) с кабелем, односторонний, диапазон измерения: 6 мм
  • CS10 цилиндрический датчик с гнездом, диапазон измерения: 10 мм

4.2 Двухтактный индуктивный датчик перемещения

Двухтактный индуктивный датчик можно построить на основе рассмотренного однотактного датчика. Для этого надо взять два идентичных однотактных датчика и включить их диференциально как по отношению к измеряемому перемещению, так и к выходному сигналу. Схема включения двух однотактных датчиков для образования двухтактного датчика показана на рис. 44.

В схеме присутствуют два контурных тока J1 и J2.,величина которых зависит от индуктивностей обмоток L1 и L2. Поскольку контуры питаются от дифференциальных вторичных обмоток трансформатора Тр, токи в контурах всегда

Рис. 44

Дифференциальная схема включения индуктивного датчика.

направлены встречно (в противофазе) и результирующий ток в нагрузке равен их разности.

JH=J1J2 (29)

Величина каждого из контурных токов зависит от индуктивности соответствующего однотактного датчика как рассмотрено выше (27). Воздушный зазор в магнитных цепях определяется начальным зазором δ0 и смещением якоря x (рис. 44)

δ1= δ0+x

δ2 = δ0 x (30)

Подставляя (27) в (29) с учетом (30), получим

(31)

где U0 – напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Графически построение статической характеристики двухтактного индуктивного датчика показано на рис. 45.

Рис. 45

Статическая характеристика двухтактного индуктивного датчика.

Статическая характеристика имеет практически линейный участок при малых значениях x, но к краям диапазона перемещения (±δ0) существенно отклоняется от линейной зависимости. Поэтому в зависимости от требуемой точности приходится ограничивать величину рабочего перемещения якоря. Считается, что для обеспечения точности преобразования в пределах (1÷2)% рабочий диапазон перемещения .

Более точно вид статической характеристики и, соответственно, величина погрешности может быть получена на этапе проверочных расчетов за счет более подробного учета изменения магнитного сопротивления при перемещении якоря или экспериментально при исследовании макетного образца датчика.

Индуктивный датчик может использоваться и в других схемах включения. Так в схеме, показанной на рис 44 можно поменять местами подключение напряжения питания и нагрузочного сопротивления. В этом случае токи J1 и J2 будут синфазными, но ЭДС в выходной обмотке, наводимые этими токами будут в противофазе, что обеспечит формирование двухтактной статической характеристики датчика такой же, как на рис 45.

Другим способом включения двух дифференциально изменяющихся индуктивностей L1 и L2 является мостовая схема (рис.46). В нее кроме индуктивностей включены два постоянных резистора с одинаковым сопротивлением R. К одной из диагоналей моста приложено напряжение питания U0, а с другой диагонали снимается выходной сигнал UH.

В исходном состоянии (при среднем положении якоря) индуктивности L1 и L2 равны между собой, следовательно, равны их реактивные и полные сопротивления и мост сбалансирован. Напряжение на выходе моста равно нулю. При смещении якоря на величину x произойдет разбаланс моста и на выходе появится напряжение, соответствующее величине перемещения. Фаза выходного напряжения будет определяться направлением смещения, т.е. статическая характеристика будет двухтактная, аналогичная показанной на рис.45.

Рис.46

Мостовая схема включения обмоток индуктивного датчика.

При разомкнутой цепи нагрузки (RH→∞) напряжение в выходной диагонали моста (UH) (с учетом допущения 5) будет равно

(32)

Используя соотношение (26), получим

(33)

Более точное выражение для статической характеристики можно получить, учитывая активное сопротивление обмоток RD , используя более точный математический аппарат для расчета магнитного сопротивления датчика и влияние сопротивления нагрузки RH, включенной в выходную диагональ моста. При этом статическая характеристика станет нелинейной, но сохранит при малых x линейный участок. Наиболее достоверная статическая характеристика может быть получена при экспериментальном исследовании макета спроектированного датчика.

Индуктивные датчики обладают большой конструктивной гибкостью. На рис.47 показан датчик угловых перемещений, полученный из рассмотренного (рис.44) датчика линейных перемещений. При угловых перемещениях якоря вокруг оси изменяются воздушные зазоры и, соответственно, индуктивности правой и левой обмотки. Датчик может быть включен в схемы, показанные на рис 44, 46, и будет иметь двухтактную статическую характеристику, подобную показанной на рис.45. Поскольку в соответствии с допущением 3 толщина зазора должна быть достаточно малой по сравнению со сторонами «а» (рис.41), диапазон измеряемых углов может составлять единицы или доли градуса. Следует отметить, что рабочий воздушный зазор в рассматриваемом датчике в общем случае не является плоским. Для предварительного расчета можно применить формулу (24), используя в ней среднее значение величины зазора. Более точно магнитное сопротивление клиновидного зазора можно подсчитать по формулам, приводимым в специальной литературе /////.

Рис. 47.

Двухтактный индуктивный датчик угловых перемещений.

Действие индуктивного датчика основано на изменении реактивного сопротивления обмотки, которое в свою очередь зависит от изменения магнитного сопротивления при перемещении подвижной части датчика. На величину магнитного сопротивления можно влиять не только изменением величины воздушного зазора δ, но и изменением площади зазора SB (24). Это дает возможность создания других конструктивных схем индуктивных датчиков, одна из которых показана на рис.48.

Рис. 48.

Двухтактный индуктивный датчик линейных перемещений.

Магнитное сопротивление левого и правого зазоров в условиях допущений 1-6 описываются формулами

, , (34)

Магнитные потоки левого и правого зазоров преодолевают еще средний воздушный зазор с магнитным сопротивлением

. (35)

Соответственно индуктивности левой и правой обмоток

, . (36)

При включении этих обмоток в схему, показанную на рис.44 или на рис.46 получаем двухтактный индуктивный датчик с перемещением якоря поперек силовых линий магнитного поля, обеспечивающего перемещение значительно больше по величине, чем рассмотренные выше датчики (рис.38 или рис.44) с перемещением якоря вдоль силовых линий.

Существенным недостатком индуктивного датчика является наличие большого «обратного воздействия» — электромагнитного усилия притяжения якоря к сердечнику. Это усилие действует на устройство, перемещение подвижной части которого должен измерять датчик. В некоторых случаях, например в гироприборах, такое воздействие может вредно влиять на работу прибора. Для снижения обратного воздействия можно использовать симметричную схему магнитной системы индуктивного датчика, представленную на рис. 49. В этой схеме используются четыре обмотки с попарно дифференциальным изменением индуктивности. Эти четыре обмотки можно включить последовательно по две в известные дифференциальные схемы (рис.44 или рис.46), а можно составить из них мостовую схему (рис.46 с заменой резисторов R на сопротивление двух дополнительных обмоток), которая дает практически вдвое больший коэффициент передачи (чувствительность) датчика.

Рис. 49.

Сбалансированный двухтактный индуктивный датчик линейных перемещений.

Магнитные системы индуктивных датчиков с перемещением якоря поперек силовых линий можно приспособить для измерения угловых перемещений, придав якорю форму цилиндрического сектора (рис.50а и 50б).

а б

Рис. 50.

Двухтактный индуктивный датчик угловых перемещений

Изменение магнитного сопротивления воздушного зазора индуктивного датчика можно реализовать за счет введения в воздушный зазор пластины из проводящего немагнитного материала. Поскольку в индуктивном датчике возбуждается переменное магнитное поле, в проводящей пластине возбуждаются вихревые токи (токи Фуко), создающие собственное магнитное поле, направление которого противоположно возбуждающему магнитному полю. В результате в области воздушного зазора, занятой проводящей пластиной результирующее магнитное поле существенно ослабляется, т.е. проводящая пластина экранирует переменное магнитное поле в части воздушного зазора. Это приводит к изменению рабочей площади и магнитного сопротивления этого зазора и, соответственно, к изменению индуктивности обмотки. Дополнительный эффект от введения проводящей пластины в воздушный зазор вызывается увеличением активных потерь в магнитной цепи за счет энергии, рассеиваемой токами Фуко в пластине. Это приводит к увеличению результирующего активного сопротивления обмотки датчика.

F200 — прецизионный индуктивный датчик перемещения с возвратной пружиной

Датчик-преобразователь с защищенным корпусом предназначен для измерения линейного перемещения в малых диапазонах от 5 до 20 мм.

Индуктивный датчик положения серии F200 преобразует небольшие прямолинейные смещения в электрические аналоговые сигналы с помощью дифференциального трансформатора с подвижным сердечником.

Сердечник установлен на толкателе, который может быть прижат встроенной пружиной к измеряемому объекту или жестко соединен с объектом.

На преобразователь подается постоянное напряжение. Встроенный генератор обеспечивает переменное напряжение для питания дифференциального трансформатора. Вторичные напряжения трансформатора выпрямляются встроенным демодулятором. Генератор и демодулятор являются гибридными цепями.

Выходное напряжение постоянного тока строго пропорционально смещению сердечника и, следовательно, измеряемому смещению. Электрический ноль находится посередине полезного хода толкателя.

Конструктивные особенности:
Полностью герметичный корпус, нечувствительность к влажности     Защита от обратного напряжения
Класс защиты IP67 (только с коннектором EEM 33-70)     Гибридная электронная схема
Хорошая темпаратурная стабильность     Высокая точность
Области применения:
Измерения, требующие погружения в воду или масляную среду     Устройства обратной связи
Высокоточная оценка линейных перемещений в малых диапазонах     Станки с ЧПУ

Датчики перемещения

Индуктивные датчики перемещения с аналоговым выходом

Модель 8740 (свободный шток)
Модель 8741 (подпружиненный шток)

Технические данные

Аксессуары для моделей

 

 

 

 

 

  • Измерительные диапазоны от 0….1 мм до 0…150 мм
  • Нелинейность, не хуже ± 0.25 % от полной шкалы
  • Отсутствие гистерезиса
  • Интегрированный усилитель, выходной сигнал 0…5 В
  • Датчики нечувствительны к вибрации и ударным нагрузкам
  • Доступны по запросу специальные версии (выходной сигнал 0…10 В, линейность ± 0.1 % шкалы)

Применение

Перемещение или конвертируемые в перемещение величины, такие как сила, давление, деформация, крутящий момент, вибрация, и т.д. могут быть измерены индуктивными датчиками перемещений, в основе которых лежит принцип линейного переменного дифференциального трансформатора (LVDT).
Данные индуктивными датчиками перемещений используются во многих прикладных технологиях (промышленность, исследования, испытания и др.) из-за их очень хорошей точности измерений, высокого класса защиты и длительных сроков эксплуатации.
Область применения индуктивных датчиков перемещений — в измерении, регулировании и контроле медленных и быстрых перемещений между частями машин, измерении положения и расстояний между компонентами подвижных частей и оснований, в сервоприводах, в контроле клапанов, в устройствах управления роботов, измерении динамических прогибов пружин, и т.д.
Индуктивные датчики перемещений имеют прочную конструкцию — внутренние катушки и электроника соединены так, чтобы минимизировать влияния вибрации и ударных нагрузок. В результате, эти датчики хорошо подходят для мобильных приложений (например автомобили, подвижной состав железных дорог и т.д.) и испытательных стендов с процессами высокой цикличности.

Блок схема

 

 

 

Описание

Данные индуктивные датчики перемещения с интегрированной электроникой содержат линейный дифференциальный трансформатор и усилитель несущей частоты (генератор, демодулятор, фильтр и усилитель), которые установлены в корпусе из нержавеющей стали.
Напряжение питания датчика осуществляется постоянным током; выходной сигнал по напряжению пропорционален перемещению. Дифференциальный трансформатор состоит из первичной и двух вторичных катушек, которые расположены симметрично относительно первичной катушки.
Наведенный сигнал во вторичных катушках датчика демодулируется, фильтруется и усиливается интегрированной электроникой. Ферромагнитный сердечник подвижен в пределах дифференциального трансформатора. В зависимости от положению этого сердечника изменяется аналоговый выходной сигнал датчика.
Модель 8740 содержит осевой свободный шток с двумя пластмассовыми направляющими кольцами. Они обеспечивают центровку штока в центральном отверстии датчика.
Механическое крепление штока датчика на объект измерения может быть произведено посредством резьбового соединения. Следует избегать поперечных нагрузок.
Модель 8741 имеет шарикоподшипники для направления штока. Наконечник прижимается к контактной площадке объекта измерения при помощи внутренней пружины. Применение этой версии индуктивных датчиков перемещений предпочтительно в случаях, когда механическое крепление или затруднительно или просто не практично. Измерительная сторона датчика защищена от грязи, пыли и брызг резиновым сильфоном.

*

ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62

С.В. Карпов

ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

В статье рассматривается подход к обработке выходного сигнала индуктивного датчика линейных перемещений. Рассмотрена возможность расширения диапазона измерений без изменения геометрических размеров, а также предложены пути реализации датчика для применения его в крайне агрессивных средах с температурой до +300 0С.

Ключевые слова: индуктивный преобразователь, датчик, катушка индуктивности, диапазон измерений, аппроксимация, погрешность.

Измерительные приборы с индуктивными преобразователями (LVDT- датчиками) заняли доминирующее положение среди электронных приборов для линейных измерений, благодаря целому ряду несомненных преимуществ по сравнению с другими типами механических приборов и электрических преобразователей. ИП оснащают многочисленные цеховые контрольные приборы и приспособления, приборы активного контроля в автоматических и электрических безлюдных производствах, а также лабораторные поверочные приборы, в том числе для аттестации и поверки индикаторов и концевых мер длины. [1]

ИП выгодно отличают относительная простота конструкции, достаточно высокая мощность выходного сигнала, малые размеры, высокая точность и надежность, пониженная чувствительность к изменению условий окружающей среды и помехам, сочетание хороших динамических свойств с возможностью передачи сигнала на сравнительно большое расстояние с минимальными искажениями и потерями, низкая цена.

3

S2

Рис. 1. Схема датчика.

Датчик (рис. 1) состоит из двух катушек индуктивности (3), расположенных на одном каркасе (1). Внутри каркаса находится якорь (2) из ферромагнитного материала, который может перемещаться по оси Х. Если якорь находится точно в середине каркаса, то полные сопротивления 71 и 72 обеих обмоток являются равными. В случае изменения положения якоря полное сопротивление одной обмотки становится больше Хкон. = 7.1 + Д7, а другой меньше 72КоН. = 72 — А7. [2]

Длина якоря 81 оказывается тем геометрическим параметром датчика, который и определяет линейность рабочей характеристики. Излишне большая длина якоря (более 75 % от длины катушки) также, как и короткий якорь вызывают появление большой нелинейности.

Толщина стенки 5 титанового каркаса выбирается на основе анализа результатов экспериментальных исследований выходного напряжения ив датчика для титановых каркасов с различной толщиной стенок.

Измерительный канал на основе ИП обычно выполняется как однокомпонентный и состоит из одного индуктивного датчика и одного блока согласования (БС).

© Карпов С.В., 2018.

Основным воздействующим фактором, влияющим на датчик, является температура. Чем она больше, тем меньше чувствительность (рис. 2). Поэтому расширение температурного диапазона — это приоритетная задача для ИП. Кроме того, диапазон измерения сильно зависит от геометрических параметров датчика, поэтому расширение диапазона измерений с сохранением размеров является не менее важной задачей. [3]

■30 -ВО О +60 +80 мм

Рис. 2. Изменение угла наклона линейной части характеристики, при изменении температуры.

(Красный цвет — характеристика, при повышении температуры.)

Для реализации этих 2-х задач предлагается применить следующий подход к конструкции и обработке сигнала.

Повышенный температурный диапазон работы датчика обуславливает применение специального обмоточного провода, а также применение каркаса для намотки, выполненного не из диэлектрика, а из металла, например, титана или латуни, с продольной прорезью, залитой высокотемпературным компаундом, для устранения влияния вихревых токов. Расширение температурного диапазона работы до +300 0С можно достигнуть, используя высокотемпературный намоточный провод с соответствующей рабочей температурой.

Компенсация нелинейности выходной характеристики датчика (рис. 3) осуществляется микроконтроллером с использованием кусочно-линейной аппроксимации, при которой весь диапазон разбивается точками на N участков, каждый из которых считается линейным. Выходной сигнал в основном очень близок к линейному от -60 до +60 (в пределах 0.5%), однако, имеет нелинейные участки по краям -80..-60 и +60..+80. Применяя алгоритм линеаризации можно увеличить линейный участок (вместо -60..+60 получить -80..+80), что расширит диапазон измерений более чем на 30%. В качестве метода линеаризации выбираем метод кусочно-линейной аппроксимации, т.к. это наиболее надежный, простой и понятный метод.

-80 -60 0 +60 +80 |у||у

Рис. 3. Реальная выходная характеристика измерительного канала.

Метод кусочно-линейной аппроксимации заключается в замене заданной нелинейной характеристики ломаной прямой с одной или несколькими точками излома (рис. 4). Градуировочные точки хранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Такая замена нелинейной характеристики позволяет вести расчет аналитически с помощью линейных уравнений. Для прямолинейных участков записываются линейные уравнения, решения которых припасовываются: электрические величины для конца участка приравниваются соответствующим величинам для начала следующего участка. Погрешность будет тем меньше, чем больше градуировочных точек. И максимальной погрешность будет в середине нелинейных участках. [4]

Рис. 4. Суть метода кусочно-линейной аппроксимации.

Рассмотрим подробнее аппроксимацию 1-го нелинейного участка. — шаг квантования (границы рас-

(и1+1—ид

сматриваемого участка характеристики), их — значение напряжения с АЦП, и1+1 — и; — значения напряжения, соответствующие Ь1+1 — Ь; перемещениям.

Так как выходной сигнал после первичной обработки является линейным, то в общем виде его можно записать, как:

у = кх + Ъ, т.е. как линейную функцию. Геометрический смысл коэффициента к — угол наклона прямой к положительному направлению оси Ох, считается против часовой стрелки. А, как говорилось

ранее, при воздействии температуры выходная характеристика меняет угол наклона. Следовательно, зная температуру окружающей среды, можно компенсировать этот наклон, опираясь на модель линейной функции. Для того, чтобы узнать температуру рабочей среды, в датчик монтируется термометр, который передает данные непосредственно в микроконтроллер.

Алгоритм, который в виде кода записывается в микроконтроллер (рис. 6).

Применяя вышеперечисленные меры, возможно расширить диапазон измерения более, чем на 30% с сохранением геометрических размеров, а также расширить температурный диапазон до +300 0С.

Для сравнения: датчик компании ZETLAB (рис. 8) работает в диапазоне температур -40…+120°С, при погрешности в 0.3%; а датчик компании SENSOR SYSTEMS (рис. 7) работает в диапазоне температур -40..+150°С, при той же погрешности, что говорит о невозможности их использования в крайне агрессивных средах.

Рис. 6. Алгоритм обработки сигнала.

Рис. 7. Датчик фирмы Рис. 8. Датчик фирмы ZETLAB.

SENSOR SYSTEMS.

Библиографический список

1. Сорочкин Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей, Л. Машиностроение, 1990, 365 с.,

2. Щепетов А.Г. Теория, расчет и проектирование измерительных устройств. Часть 2, ФГУП «СТАНДАР-ТИНФОРМ», 2008, 344 с.

3. Федотов А.В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, М, Машиностроение, 1979,

176 с.

4. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. М.: Горячая линия. Телеком, 2007, 95 с.

КАРПОВ СЕРГЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ — магистрант, Мытищинский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана, Россия.

Торговые ярмарки

Провод
20.06. — 24.06.22 — Дюссельдорф, 40474, Германия

Выставка батарей
28.06. — 30.06.22 — Штутгарт, 70269, Германия

Мотек
04.10. — 07.10.22 — Штутгарт, 70269, Германия

Новый ценовой класс вихретоковых датчиков перемещения

  • 01 октября 2015 г.
  • Микро-Эпсилон ГмбХ и Ко.КГ
Новый ценовой класс вихретоковых датчиков перемещения

Новый eddyNCDT 3001 — это экономичный вихретоковый датчик с корпусом, который до сих пор предназначался только для индуктивных датчиков и датчиков приближения. Этот компактный датчик оснащен встроенной электроникой, включая температурную компенсацию, предлагает отличное соотношение цены и качества, а также прост в эксплуатации. Высокая точность измерения и линейность, а также высокая частота отклика 5 кГц являются выдающимися характеристиками по сравнению с другими датчиками того же ценового класса.Датчики калибруются на заводе для ферромагнитных и неферромагнитных металлов в диапазоне измерения 4 мм. Датчики защищены по стандарту IP67. Поскольку датчики просты в использовании и экономичны, они особенно подходят для стандартного производства OEM-приложений. Новая серия DT3001 открывает новые области применения для линейки продуктов Micro-Epsilon, основанных на принципе вихревых токов.

Вихретоковые датчики Micro-Epsilon измеряют перемещение, расстояние, положение, колебания, вибрации и т. д.Бесконтактные вихретоковые датчики обеспечивают чрезвычайно точные измерения там, где требуется субмикронная точность. Часто требуются модификации стандартных вихретоковых датчиков, особенно для средних и крупных серий. Что можно изменить? Датчики могут быть адаптированы различными способами в соответствии с конкретными приложениями заказчика, например. изменения в кабеле, материале датчика и конструкции, а также в контроллере. Индивидуальные датчики могут быть изготовлены эффективно, что приводит к значительному снижению затрат.

Перейти на веб-сайт Micro-Epsilon GmbH & Co. KG
Узнать больше


Вихретоковый датчик смещения 1 мм, зонд Φ 5 мм

Недорогой вихретоковый датчик используется для измерения линейных перемещений и вибрации. Диапазон измерения 1 мм, диаметр зонда 5 мм, дополнительный выходной сигнал 0~5В/0~10В/4~20мА/RS485, максимальный рабочий ток 45мА.Вихретоковый преобразователь представляет собой бесконтактный индуктивный датчик, продаваемый напрямую производителем.

Области применения: Измеряя относительное положение измеряемого металлического объекта и конца зонда, вихретоковый датчик перемещения воспринимает и обрабатывает его в соответствующий выходной электрический сигнал. Вихретоковый преобразователь смещения использует бесконтактное измерение, которое может надежно работать в течение длительного времени, обладает высокой чувствительностью, сильной помехоустойчивостью, быстрой скоростью отклика и не зависит от таких сред, как масло и вода.Вихретоковые датчики смещения широко используются для долгосрочного мониторинга в режиме реального времени смещения вала, вибрации вала, скорости вращения вала и других характеристик больших вращающихся механизмов, а также для запуска спутников, идентификации материалов, взвешивания, измерения толщины металлической пластины. деформация материала и другие области применения.

Спецификация

Модель АТО-МЛ33-01
Диапазон измерений 1 мм
Диаметр зонда 5 мм
Линейная ошибка ≤ ±0.25 % полной шкалы
Разрешение 0,05 мкм
Повторяемость 0,1 мкм
Частотная характеристика (-3 дБ) 0~10 кГц
Выходной сигнал (дополнительно) Напряжение 0–5 В
Напряжение 0–10 В
Ток 4-20 мА
RS485
Блок питания (дополнительно) Тип напряжения: +9~18 В пост. тока, +18~36 В пост. тока, ± 15 В~± 18 В пост. тока
Тип тока: +22~30 В пост. тока
Тип RS485: +12 В пост. тока
Рабочий ток Тип напряжения: < 45 мА
Тип тока: < 25 мА
Тип RS485: < 40 мА
Пульсация ≤ 20 мВ
Температурный дрейф системы ≤ 0.05% / ℃
Статическая чувствительность В зависимости от выходного сигнала и соответствующего диапазона
Выходная нагрузка Выходное напряжение: Нагрузочная способность < 10 кОм
Токовый выход: Нагрузочная способность < 500 Ом
Калибровка температуры окружающей среды (20 ± 5) ℃
Рабочая температура Зонд -30℃ ~ +150℃, проксимитор -30℃ ~ +85℃
Степень защиты Зонд IP67, проксимитор IP65
Резьба зонда М8Х1.0
Кабель зонда По умолчанию 5 м, настраиваемый
Кабель питания По умолчанию 1 м, настраиваемый

Принципиальная схема действия вихревых токов (единица измерения: мм)

  Конструкция датчика вихретокового датчика смещения и схема размеров (единица измерения: мм)

Примечание. Корпус датчика вихретокового датчика перемещения используется для соединения и фиксации головки датчика и используется в качестве зажимной конструкции при установке датчика.Чтобы адаптироваться к различным приложениям и случаям монтажа, корпус зонда имеет различные типы и различные характеристики резьбы и размера.

Вихретоковый датчик смещения Диаграмма размеров корпуса Proximitor (единица измерения: мм)

Проксимитор является центром обработки сигналов всей системы вихретоковых датчиков. С одной стороны, проксимитор подает высокочастотный переменный ток возбуждения на катушку зонда, чтобы заставить зонд работать.С другой стороны, через специальную схему проксимитор улавливает изменение зазора между головкой зонда и металлическим проводником. После обработки проксимитором генерируется выходной сигнал напряжения или тока, изменяющийся при линейном изменении зазора.

Советы: Принцип работы вихретокового датчика перемещения.

Принцип работы вихретокового датчика перемещения основан на вихретоковом эффекте, который является индуктивным измерением.Вихретоковый эффект возникает за счет энергии колебательного контура. Вихревой ток должен формироваться в проводящем материале. Вводя переменный ток в катушку зонда-датчика, можно создать вокруг катушки зонда магнитное поле.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, если проводник поместить в это магнитное поле, в проводнике будут возбуждаться вихревые токи.

Согласно закону Ленца, направление магнитного поля вихревого тока точно противоположно магнитному полю катушки, что изменит значение импеданса катушки в зонде.Изменение значения импеданса напрямую связано с расстоянием между катушкой и измеряемым объектом. После того, как зонд датчика смещения подключен к контроллеру, контроллер может получить значение изменения напряжения от зонда датчика и использовать его в качестве основы для расчета соответствующего значения смещения. Принцип измерения вихревых токов позволяет измерять все проводящие материалы.

Поскольку вихревой ток может проникать через изолятор, даже металлический материал с поверхностью, покрытой изолятором, также может использоваться в качестве измеряемого объекта вихретокового датчика перемещения.

Сравнение емкостных и вихретоковых датчиков

General Sensor TechNote LT05-0011

Copyright © 2009 Lion Precision. www.lionprecision.com

Введение

Бесконтактные датчики, использующие емкостные и вихретоковые технологии, представляют собой уникальное сочетание преимуществ и недостатков для различных областей применения. Это сравнение сильных сторон двух технологий поможет вам выбрать лучшую технологию для вашего приложения.

Сравнительная таблица

Краткий справочник с подробностями ниже.

•• Лучший выбор, • Функциональный выбор, – Не вариант

Коэффициент

Емкостный

Вихретоковый

Грязная среда ••
Маленькие мишени ••
Большой диапазон ••
Тонкие материалы ••
Универсальность материалов ••
Несколько датчиков ••
Простота монтажа датчика ••
Разрешение ••
Полоса пропускания ••
Стоимость ••

Конструкция датчика

Рис. 1.Конструкция емкостного зонда

Понимание различий между емкостными и вихретоковыми датчиками начинается с рассмотрения их конструкции. В центре емкостного зонда находится чувствительный элемент. Этот кусок нержавеющей стали генерирует электрическое поле, которое используется для определения расстояния до цели. Защитное кольцо, также изготовленное из нержавеющей стали, отделено от чувствительного элемента изолирующим слоем. Защитное кольцо окружает чувствительный элемент и фокусирует электрическое поле на цель.Несколько электронных компонентов подключены к чувствительному элементу и защитному кольцу. Все эти внутренние узлы окружены изолирующим слоем и заключены в корпус из нержавеющей стали. Корпус соединяется с заземленным экраном кабеля (рис. 1).

Рис. 2. Конструкция вихретокового датчика

Основной функциональной частью вихретокового преобразователя является чувствительная катушка. Это катушка провода рядом с концом зонда. Переменный ток проходит через катушку, которая создает переменное магнитное поле; это поле используется для определения расстояния до цели.Катушка залита пластиком и эпоксидной смолой и установлена ​​в корпусе из нержавеющей стали. Потому что магнитное поле вихретокового датчика не так легко сфокусировать, как

электрического поля емкостного датчика, катушка, покрытая эпоксидной смолой, выступает из стального корпуса, позволяя полному чувствительному полю воздействовать на цель (рис. 2).

Размер пятна, размер цели и диапазон

Рис. 3. Размер пятна емкостного пробника

Поле срабатывания зонда бесконтактного датчика воздействует на цель в определенной области.Размер этой области называется размером пятна. Цель должна быть больше размера пятна, иначе потребуется специальная калибровка. Размер пятна всегда пропорционален диаметру зонда. Соотношение между диаметром зонда и размером пятна существенно различается для емкостных и вихретоковых датчиков. Эти разные размеры пятна приводят к разным минимальным размерам цели.

Емкостные датчики используют для обнаружения электрическое поле. Это поле фокусируется защитным кольцом на датчике, в результате чего размер пятна примерно на 30 % превышает диаметр чувствительного элемента (рис. 3).Типичное отношение диапазона чувствительности к диаметру чувствительного элемента составляет 1:8. Это означает, что для каждой единицы дальности диаметр чувствительного элемента должен быть в восемь раз больше. Например, диапазон чувствительности 500 мкм требует диаметра чувствительного элемента 4000 мкм (4 мм). Это соотношение для типичных калибровок. Калибровка с высоким разрешением и расширенным диапазоном изменит это соотношение.

Рис. 4. Размер пятна вихретокового датчика

Вихретоковые датчики используют магнитные поля, которые полностью окружают конец зонда.Это создает сравнительно большое сенсорное поле, в результате чего размер пятна примерно в три раза превышает диаметр сенсорной катушки зонда (рис. 4). Для вихретоковых датчиков отношение дальности действия к диаметру чувствительной катушки составляет 1:3. Это значит, что на каждую единицу дальности диаметр катушки должен быть в три раза больше. В этом случае для того же диапазона чувствительности 500 мкм требуется только вихретоковый датчик диаметром 1500 мкм (1,5 мм).

При выборе технологии обнаружения учитывайте размер цели.Меньшие цели могут потребовать емкостного зондирования. Если ваша цель должна быть меньше, чем размер пятна датчика, специальная калибровка может компенсировать неотъемлемые ошибки измерения.

Техника обнаружения

Емкостные и вихретоковые датчики используют разные методы для определения положения цели. Емкостные датчики, используемые для точного измерения смещения, используют высокочастотное электрическое поле, обычно от 500 кГц до 1 МГц. Электрическое поле излучается поверхностями чувствительного элемента.Чтобы сфокусировать поле чувствительного элемента на цели, защитное кольцо создает отдельное, но идентичное электрическое поле, которое изолирует поле чувствительного элемента от всего, кроме цели (рис. 5).

Рис. 5. Защита емкостного пробника

Величина тока, протекающего в электрическом поле, частично определяется емкостью между чувствительным элементом и поверхностью мишени. Поскольку размеры мишени и чувствительного элемента постоянны, емкость определяется расстоянием между зондом и мишенью, при условии, что материал в зазоре не меняется.Изменения расстояния между зондом и целью изменяют емкость, которая, в свою очередь, изменяет ток, протекающий в чувствительном элементе. Электроника датчика выдает откалиброванное выходное напряжение, пропорциональное величине протекающего тока, что приводит к индикации целевого положения.

Вместо электрических полей вихретоковые датчики используют магнитные поля для определения расстояния до цели. Измерение начинается с пропускания переменного тока через измерительную катушку.Это создает переменное магнитное поле вокруг катушки. Когда это переменное магнитное поле взаимодействует с проводящей мишенью, оно индуцирует ток в материале мишени, называемый вихревым током. Этот вихревой ток создает собственное магнитное поле, противодействующее полю чувствительной катушки (рис. 6).

Рис. 6 Магнитное поле индуцирует
вихревой ток в проводящей мишени

Поскольку вихревые токи в мишени противодействуют чувствительному полю, импеданс чувствительной катушки изменится.Величина изменения импеданса зависит от расстояния между целью и чувствительной катушкой в ​​зонде. Ток в сенсорной катушке, который зависит от импеданса, обрабатывается для создания выходного напряжения, которое указывает положение цели относительно зонда.

Источники ошибок

Вихретоковые датчики используют изменения магнитного поля для определения расстояния до цели; емкостные датчики используют изменения емкости. Существуют факторы, отличные от расстояния до цели, которые также могут изменить магнитное поле или емкость.Эти факторы представляют собой потенциальные источники ошибок в вашем приложении. К счастью, в большинстве случаев эти источники ошибок различны для двух технологий. Понимание наличия и величины этих источников ошибок в вашем приложении поможет вам выбрать наилучшую технологию обнаружения.
В оставшейся части этой статьи будут объяснены эти источники ошибок, чтобы вы могли сделать лучший выбор для своего приложения и получить наилучшие возможные результаты.

Загрязнение зазора

Рис. 7 Загрязнение зазора
приводит к изменению диэлектрической проницаемости зазора

В некоторых приложениях зазор между датчиком и целью может быть загрязнен пылью, жидкостями, такими как охлаждающая жидкость, и другими материалами, которые не являются частью предполагаемого измерения.То, как датчик реагирует на присутствие этих загрязнений, является решающим фактором при выборе емкостных или вихретоковых датчиков.

Емкостные датчики предполагают, что изменения емкости между датчиком и целью являются результатом изменения расстояния между ними. Еще одним фактором, влияющим на емкость, является диэлектрическая проницаемость (ε) материала в зазоре между мишенью и датчиком. Диэлектрическая проницаемость воздуха немного больше единицы; если другой материал с другой диэлектрической проницаемостью попадет в зазор датчик/мишень, емкость увеличится, и датчик ошибочно укажет, что цель приблизилась к датчику (рис. 7).Чем выше диэлектрическая проницаемость загрязняющего вещества, тем больше влияние на датчик. Масло имеет диэлектрическую проницаемость от 8 до 12. Вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость 80.

Из-за чувствительности к диэлектрической проницаемости материала между датчиком и целью емкостные датчики смещения должны использоваться в чистой среде при измерении положения цели.

Диэлектрическая чувствительность емкостных датчиков может использоваться для измерения толщины или плотности непроводящих материалов.Дополнительную информацию об этом типе применения см. в нашей технической заметке по теории емкостных датчиков.

В отличие от емкостных датчиков, вихретоковые датчики используют для измерения магнитные поля. На магнитные поля не влияют непроводящие загрязняющие вещества, такие как пыль, вода и масло. Поскольку эти загрязнения попадают в зону обнаружения между вихретоковым датчиком и мишенью, на выходной сигнал датчика это не влияет.

По этой причине вихретоковый датчик является лучшим выбором, когда приложение включает грязную или агрессивную среду.Вихретоковые датчики Lion Precision имеют класс защиты IP67 и могут использоваться даже полностью погруженными в неагрессивную жидкость.

Толщина цели

Емкостные и вихретоковые датчики предъявляют разные требования к толщине цели. Электрическое поле емкостного датчика воздействует только на поверхность мишени без значительного проникновения в материал. Благодаря этому на емкостные датчики не влияет толщина материала.

Магнитное поле вихретокового датчика должно проникать через поверхность мишени, чтобы индуцировать вихревые токи в материале.Если материал слишком тонкий, меньшие вихревые токи в мишени создают более слабое магнитное поле. Это приводит к тому, что датчик имеет пониженную чувствительность и меньшее отношение сигнал/шум.

Глубина проникновения магнитного поля датчика зависит от материала и частоты осциллирующего магнитного поля датчика. Вихретоковые датчики Lion Precision обычно используют частоту 1–2 МГц. В таблице 1 показаны минимальные толщины для некоторых распространенных материалов.

Более подробную информацию можно найти в технической заметке о минимальной рекомендуемой толщине мишени.

Материалы мишеней и вращающиеся мишени

Емкостные и вихретоковые датчики по-разному реагируют на различия в материале цели. Магнитное поле вихретокового датчика проникает в цель и индуцирует вихревой ток в материале, который создает магнитное поле, противодействующее полю зонда. Сила вихревого тока и возникающее магнитное поле зависят от проницаемости и удельного сопротивления материала. Эти свойства различаются у разных материалов.Их также можно изменить с помощью различных методов обработки, таких как термообработка или отжиг. Например, два одинаковых куска алюминия, обработанных по-разному, могут иметь разные магнитные свойства. Между различными немагнитными материалами, такими как алюминий и титан, разница проницаемости и удельного сопротивления может быть небольшой, но высокоэффективный вихретоковый датчик, откалиброванный для одного немагнитного материала, все равно будет давать ошибки при использовании с другим немагнитным материалом.

Различия между немагнитными материалами, такими как алюминий и титан, и магнитными материалами, такими как железо или сталь, огромны. В то время как относительная проницаемость алюминия и титана приблизительно равна единице, относительная проницаемость железа может достигать 10 000.
Вихретоковые датчики, откалиброванные для немагнитных материалов, вряд ли вообще будут работать при использовании с магнитными материалами. При использовании вихретоковых датчиков для точных измерений очень важно, чтобы датчик был откалиброван для конкретного материала, используемого в приложении.
Высокая проницаемость магнитных материалов, таких как железо и сталь, также может вызывать небольшие ошибки вихретокового датчика в одном и том же материале. В любом несовершенном материале есть микроскопические трещины и вариации материала. В этих областях проницаемость материала незначительно изменяется. Хотя изменения относительно невелики, чрезвычайно высокая проницаемость магнитных материалов позволяет вихретоковым датчикам с высоким разрешением обнаруживать эти изменения. Эта проблема наиболее очевидна для вращающихся мишеней из магнитных материалов.

Рис. 8. График биения, показывающий фактическое биение
(синим цветом),
и электрическое биение от вихретокового датчика
(красным).

Может быть установлен вихретоковый датчик для измерения биения вращающегося вала. Но даже если вал идеальный, абсолютно без биений, вихретоковый датчик с высоким разрешением обнаружит повторяющуюся картину изменений при вращении вала (рис. 8). Эти изменения являются результатом небольших вариаций материала. Это явление хорошо известно и называется электрическим биением.Эти ошибки могут быть небольшими, часто в микронном диапазоне. Многие приложения для измерения биения вала, особенно те, которые используются в агрессивных средах, где вихретоковые датчики являются нормой, ищут гораздо большие ошибки и поэтому могут допускать эти ошибки. Другие более точные приложения должны будут использовать методы для устранения этих ошибок или использовать другую технологию измерения, такую ​​как емкостные датчики.

Электрическое поле емкостного датчика использует цель как токопроводящий путь к земле. Все проводящие материалы обеспечивают это одинаково хорошо, поэтому емкостные датчики измеряют все проводящие материалы одинаково.После калибровки емкостного датчика его можно использовать с любой проводящей мишенью без ухудшения характеристик.

Поскольку электрическое поле емкостного датчика не проникает в материал, колебания внутри материала не влияют на измерение. Емкостные датчики не проявляют явления электрического биения, характерного для вихретоковых датчиков, и могут использоваться с вращающимися мишенями из любого проводящего материала без дополнительных ошибок.

Вихретоковые датчики должны быть откалиброваны по тому же материалу, что и мишень в приложении, и не должны использоваться с вращающимися мишенями из магнитного материала, за исключением случаев, когда ошибки электрического биения допустимы в приложении.Емкостные датчики после калибровки можно использовать с любым проводящим материалом без ошибок, связанных с материалом, и они хорошо работают с вращающимися мишенями.

Параметры окружающей среды: температура и вакуум

Из-за различий в физике восприятия и связанных с этим различий в электронике драйвера емкостные и вихретоковые датчики имеют разные диапазоны рабочих температур датчика и совместимость с вакуумом.

Емкостные и вихретоковые преобразователи

Lion Precision имеют разные диапазоны рабочих температур.Вихретоковые датчики из-за их устойчивости к агрессивным средам имеют больший диапазон температур. Стандартные вихретоковые датчики, в которых используются полиуретановые кабели, имеют рабочий диапазон от -25 до +125°C. Зонды для высоких температур, в которых используются кабели из тефлона FEP, имеют рабочий диапазон от -25 до +200°C. Емкостные датчики, на которые влияет конденсация, имеют рабочий диапазон только от +4 до +50 °C. Электроника драйвера для обеих сенсорных технологий имеет рабочий диапазон от +4 до +50°C.

Емкостные и вихретоковые датчики могут использоваться в вакуумных приложениях. Материалы зондов выбраны с учетом структурной стабильности и минимизации газовыделения в условиях вакуума. Датчики, совместимые с вакуумом, подвергаются дополнительной очистке и специальной упаковке для удаления посторонних материалов, которые могут угрожать деликатной вакуумной среде.

Многие вакуумные приложения требуют точного контроля температуры. Потребляемая мощность зонда и связанный с ним вклад в изменение температуры — это то, чем отличаются емкостные и вихретоковые технологии.Емкостный пробник имеет чрезвычайно малый ток и потребляемую мощность. Типичный емкостной датчик потребляет менее 40 мкВт энергии, выделяя мало тепла в вакуумную камеру.

Потребляемая мощность вихретокового датчика может варьироваться от 40 мкВт до 1 мВт. При этих более высоких мощностях вихретоковый датчик будет выделять больше тепла в вакуумную камеру и может возмущать высокоточные вакуумные среды. Потребляемая мощность вихретокового преобразователя зависит от многих факторов; Сам по себе размер зонда не является хорошим предиктором энергопотребления.Потребляемая мощность каждого вихретокового датчика должна оцениваться индивидуально.
Емкостные или вихретоковые датчики могут хорошо работать в условиях вакуума. В вакууме, чувствительном к температуре, вихретоковые датчики могут выделять слишком много тепла для приложения. В этих приложениях емкостные датчики будут лучшим выбором.

Крепление зонда

Рис. 9. Помехи возникают, когда
вихретоковые преобразователи
установлены рядом друг с другом.

Из-за различий в форме и характере реактивного поля чувствительных полей емкостных и вихретоковых датчиков технологии предъявляют разные требования к установке датчика.Вихретоковые датчики создают сравнительно большие магнитные поля. Диаметр поля как минимум в три раза больше диаметра зонда и больше трех диаметров для больших зондов. Если несколько датчиков установлены близко друг к другу, магнитные поля будут взаимодействовать (рис. 9). Это взаимодействие создаст ошибки в выходных сигналах датчика. Если этот тип монтажа неизбежен, датчики на основе цифровых технологий, такие как ECL202, могут быть специально откалиброваны для уменьшения или устранения помех от соседних датчиков.

Магнитное поле вихретокового датчика также распространяется примерно на полтора диаметра позади датчика. Любые металлические предметы в этой области, обычно крепежные детали, будут взаимодействовать с полем и влиять на выходной сигнал датчика (рис. 10). Если близлежащее монтажное оборудование неизбежно, датчики можно откалибровать с установленным монтажным оборудованием, что компенсирует влияние оборудования.

Рис. 10. Монтажное оборудование может
создавать помехи магнитному полю вихретокового датчика
.

Электрические поля емкостных датчиков излучаются только с передней поверхности датчика. Поле имеет слегка коническую форму, в результате чего размер пятна примерно на 30 % больше, чем диаметр чувствительной области. Находящееся поблизости крепежное оборудование или другие объекты редко находятся в поле и поэтому не влияют на калибровку датчика. Когда несколько независимых емкостных датчиков используются с одной и той же целью, электрическое поле от одного датчика может пытаться добавить заряд к цели, в то время как другой датчик пытается снять заряд (рис. 11).

Это конфликтующее взаимодействие с целью вызовет ошибки в выходных данных датчиков. Эта проблема легко решается синхронизацией датчиков. Синхронизация устанавливает для управляющего сигнала всех датчиков одну и ту же фазу, так что все датчики добавляют или снимают заряд одновременно, а помехи устраняются. Все многоканальные системы Lion Precision синхронизированы, что исключает любые опасения по поводу этого источника ошибок.

Рисунок 11. Несинхронизированные емкостные датчики
будут создавать помехи, когда
используются на той же цели.

Когда в приложении требуется использование нескольких датчиков с общей целью, удобно использовать синхронизированные емкостные датчики. Если приложение требует вихретоковой технологии, необходимо уделить особое внимание плану монтажа и может потребоваться специальная калибровка.

Сводка

При выборе между емкостными и вихретоковыми датчиками перемещения необходимо учитывать множество факторов. Любое приложение, которое включает загрязняющие вещества в зоне измерения, такие как жидкости или отходы, требует вихретокового измерения.Емкостные датчики требуют чистой окружающей среды.

Небольшие цели легче измерять с помощью емкостных датчиков из-за сравнительно небольшого размера емкостного сенсорного поля. Когда требуется вихретоковое зондирование, можно использовать специальную калибровку с небольшими целями.
Для емкостного или вихретокового датчика того же размера вихретоковый датчик будет иметь больший диапазон измерения.

Поскольку емкостные датчики взаимодействуют с поверхностью мишени, толщина материала не является фактором при емкостных измерениях.Вихретоковые датчики имеют минимальные требования к толщине цели.

Емкостные датчики не чувствительны к материалу цели, если он является проводящим. Вихретоковые датчики чувствительны к различиям материалов и должны быть откалиброваны в соответствии с целевым материалом приложения.

При использовании нескольких датчиков емкостные датчики должны быть синхронизированы, но их можно устанавливать близко друг к другу без помех. Даже при синхронизации вихретоковые датчики будут взаимодействовать, если они установлены близко друг к другу.Когда это неизбежно, можно использовать специальную калибровку, но она доступна только для цифровых датчиков, таких как Lion Precision ECL202.

Небольшое сенсорное поле емкостного зонда, направленное только на цель, не позволяет ему обнаруживать монтажное оборудование или близлежащие объекты. Большое окружающее поле обнаружения вихревых токов может обнаруживать монтажное оборудование или другие объекты, если они находятся слишком близко к области обнаружения.
Эти две технологии отличаются двумя другими характеристиками: разрешением и пропускной способностью.Емкостные датчики имеют более высокое разрешение, чем вихретоковые датчики, что делает их лучшим выбором для высокоточных приложений с высоким разрешением.

Большинство емкостных и вихретоковых датчиков имеют полосу пропускания 10–15 кГц, но некоторые вихретоковые датчики (ECL101) имеют полосу пропускания до 80 кГц.

Еще одним отличием технологий является стоимость. Вообще говоря, вихретоковые датчики дешевле.

Этот обзор различий между емкостными и вихретоковыми датчиками поможет вам определить, какая технология лучше всего подходит для вашего приложения.Свяжитесь с нами, чтобы получить дополнительную помощь в выборе лучшего датчика.

КСБ

Кибератака предотвращена

KSB стал объектом криминальной кибератаки. С этим мы хотели бы сообщить вам. Благодаря нашим высоким стандартам безопасности внутренние меры безопасности заметили атаку на ранней стадии. Поэтому в качестве меры предосторожности все подключения к Интернету были немедленно прерваны, чтобы избежать дальнейшего ущерба и максимально защитить права наших клиентов, деловых партнеров и сотрудников.Тем не менее, предотвратить воздействие на некоторые системы не удалось. Разумеется, мы подали заявление о возбуждении уголовного дела и сообщили об инциденте в компетентный орган по защите данных.

Внутренние и внешние специалисты в настоящее время анализируют точные масштабы и инициируют контрмеры. Сегодня мы можем с уверенностью сказать, что серверы были затронуты, но не навсегда повреждены или зашифрованы.

Не исключено, что в ходе этой атаки также были перехвачены личные данные и пароли.Отключение систем и доступа к Интернету означает, что электронная связь нарушена или будет сильно ограничена в ближайшие несколько дней. Это относится, в частности, к общению с нашими деловыми партнерами. Сюда входят все онлайн-платформы и порталы.

Чтобы как можно быстрее восстановить эту связь, мы временно перейдем на традиционную связь по аналоговой переписке, где это возможно.

Производство не затронуто или незначительно.Производство продолжается, но возможны перебои в доставке и, как следствие, задержки поставок.

Если у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к своим обычным контактам.

Cyber-Angriff abgewehrt

KSB ist Ziel eines criminellen Cyber-Angriffs geworden. Darüber möchten wir Sie Hiermit informieren. Aufgrund unseres hohen Sicherheitsstandards haben die internen Sicherheitsmaßnahmen die Attacke frühzeitig bemerkt.Deshalb wurden vorsorglich sofort alle Verbindungen zum Internet unterbrochen, um weiteren Schaden zu vermeiden und die Rechte unserer Kunden, Geschäftspartner und Mitarbeiter bestmöglich zu schützen. Dennoch konnte nicht verhindert werden, dass einige Systeme betroffen wurden. Selbstverständlich haben wir Strafanzeige erstattet und den Vorfall der zuständigen Datenschutzbehörde gemeldet.

Derzeit sind interne und externe Spezialisten damit befasst, das genaue Ausmaß zu analysieren und Gegenmaßnahmen einzuleiten.Was wir heute mit Sicherheit sagen können ist, dass Server zwar betroffen, aber nicht nachhaltig geschädigt bzw. verschlüsselt worden sind. Es ist nicht auszuschließen, dass bei diesem Angriff auch personenbezogene Daten und Passwörter abgegriffen wurden. Das Abschalten der Systeme und des Zugangs zum Internet hat zur Folge, dass in den nächsten Tagen die elektronische Kommunikation nicht oder nur sehr eingeschränkt funktioniert. Позолоченные штампы insbesondere für die Kommunikation zu unseren Geschäftspartnern.Dies umfasst alle Online-Pattformen und-Portale.

Um diese Communikation so schnell wie möglich wiederzustellen, werden wir dort, wo möglich, vorübergehend auf die klassische Communikation per Analogem Schriftverkehr ausweichen.

Die Produktion ist nicht oder nur in geringem Umfang betroffen. Die Produktion läuft weiter, allerdings wird es im Versand zu Störungen und damit zu verzögerten Auslieferungen kommen.

Wir beauern diese Unannehmlichkeiten und sichern Ihnen zu, alles in unserer Macht Stehende zu tun, um so schnell wie möglich wieder zum normalen Geschäftsbetrieb übergehen zu können.

Wenn Sie Fragen haben, stehen Ihnen Ihre gewohnten Ansprechpartner gerne zur Verfügung.

Нападение на киберпреступника

KSB — это киберпреступная атака. Nous vous informons par cette web site. En raison de notre niveau de sécurité élevé, les mesures de sécurité internes ont permis de détecter les attaques à temps.

C’est pourquoi, par mesure de предосторожности, toutes les connexions à Internet ont été immédiatement interrompues afin d’éviter d’autres dommages et de protéger au mieux les droits de nos клиентов, партнеров (коммерческих) и работодателей.

Néanmoins, il n’a pas été, возможное d’éviter que определенных систем soient touches par cette attaque. Nous avons bien entendu deposé un plainte pénale et signalé l’incident à l’autorité compétente en matière de protection des données.

Внутренние и внешние специалисты не должны приниматься во внимание при проведении анализов амплевра, точных данных о явлениях и измерениях на месте противодействия. Ce que nous pouvons dire avec certitude aujourd’hui, c’est que les serveurs on certes été touches, mais qu’ils n’ont pas été endommagés durablement ou qu’ils ont ete chiffrés.

Il n’est pas exclu que des données staffles et des mots de passe aient également été récupérés lors de cette attaque. L’arrêt des systèmes et de l’accès à l’internet для последствий Que la Communication électronique ne fonctionnera pas ou seulement de manière très limitée dans les prochains jours. Cela vaut surtout pour la Communication avec nos partenaires commerciaux. Села заботится о всех формах платформ и о портах на линиях.

Afin de rétablir cette Communication le plus quickement возможно, nous allons, là où c’est возможно, passer temporairement à la классическая коммуникация по аналогии корреспонденции.

Производство не имеет значения. La production se poursuit, mais l’expédition connaîtra des perturbations et donc des retards de livraison.

En cas d’interrogation, nous vous invitons à prendre contact avec votre interlocuteur usuel.

Атака кибернетического эвитадо

A través de este correo queremos informarles de que KSB ha sido víctima de un ataque cibernetico.Debido nuestro estándar elevado de seguridad, hemos sido capaces de Detectar el ataque en un momento precoz. Por motivos де seguridad, hemos tomado ла decisión де interrumpir todas лас conexiones де Интернет пункт evitar posibles daños у proteger лос derechos де nuestros clientes, asociados у empleados де ла mejor manera. Aún así, ha sido imposible de evitar que algunos sistemas hayan sido afectados. Por supuesto, hemos presentado una denuncia penal y hemos transferido el asunto a las autoridades компетентные де protección де datos.

En este momento, expertos internos y externos están evaluando el daño correcto y preparando mesuras contundentes y eficaces. Lo Que sabemos con certitud ES Que el servidor ha sido afectado, pero no dañado de forma seria y que no ha sido encriptado.

No podemos descartar que debido a este ataque, datos personales o contraseñas hayan sido robados/robadas. Como tenemos дие desconectar nuestros sistemas informáticos у bloquear эль acceso Интернет-ан-лос-próximos días, nuestra comunicación электроника не funcionará о соло estará disponible де forma muy básica.Esto afecta especialmente la comunicación hacia clientes o Proedores, incluyendo plataformas y portales online.

Para restablecer la comunicación lo más rápido posible vamos a utilizar medios de comunicación. analógica donde sea возможно.

La factoryación de nuestros no está afectada o solo afectada levemente. Грех эмбарго, habrá efectos para los envíos y como resultado retrasos para nuestros pedidos.

Si tiene alguna duda, sus contactos civiluales estarán encantados de ayudarle.

Индуктивные датчики (вихретоковые) для перемещения, расстояния и положения

Индуктивные датчики (вихретоковые) для перемещения, расстояния и положения MICRO-EPSILON

Смотреть видео

Презентация

Индуктивные датчики (основанные на принципе вихревых токов) от Micro-Epsilon чрезвычайно мощные и надежные.Даже при наличии давления, грязи и масла они «чувствуют себя как дома» и обеспечивают быстрые и высокоточные измерения. Датчики используются для измерения смещения, расстояния, положения, колебаний и вибрации.

Например, компактный вихретоковый датчик eddyNCDT 3001 со встроенным контроллером контролирует масляный зазор в гидростатических подшипниках. Эти подшипниковые системы используются на многих предприятиях, таких как каменные мельницы или телескопические установки. Эти подшипниковые системы постоянно снабжаются жидкой смазкой через внешний источник давления.Смазка запрессована между поверхностями подшипников, которые, таким образом, постоянно отделены друг от друга тонкой смазочной пленкой. Поверхности подшипников не подвергаются трению и, следовательно, работают без износа. Любые нарушения в гидравлике (например, перепады давления) могут иметь катастрофические последствия, которые могут привести к повреждению подшипников и, в конечном итоге, к отказу системы, что приведет к высоким затратам на техническое обслуживание и ремонт. Вихретоковые датчики eddyNCDT 3001 идеально подходят для надежного контроля масляного зазора в гидростатических подшипниках.Поскольку датчик устойчив к брызгам масла и воды, а также к высоким температурам, в сочетании с его компактной конструкцией, эти датчики идеально подходят для суровых промышленных условий.

Будучи специалистом в области высокоточного измерения расстояний, компания Micro-Epsilon использует активную температурную компенсацию с вихретоковыми системами. Модель eddyNCDT 3005 представляет собой компактную надежную сенсорную систему с температурной компенсацией, которая может работать при температурах от -30°C до +180°C.Даже при высоких температурах или колебаниях температуры, преобладающих в производственной среде, эти датчики обеспечивают исключительную точность измерений, несмотря на то, что температура является существенным фактором, влияющим на результаты измерений. Контроллер, кабель и датчик устойчивы к давлению до 10 бар. Компактная, надежная конструкция датчиков и высокая точность измерений в сочетании с особенно выгодным соотношением цены и качества делают эти датчики подходящими для применения в больших объемах и для интеграции в установки, оборудование и машины.

Технические характеристики

Бесконтактное измерение смещения, расстояния и положения на электропроводящих материалах Надежные датчики промышленного класса Датчики и контроллеры по индивидуальному заказу Широкие возможности применения благодаря широкому ассортименту продукции

Скачать полные технические характеристики

Область применения

Для сложных промышленных условий: грязь, давление, температура

Мнение о продукте

ДРУГАЯ ПРОДУКЦИЯ ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ ОТ MICRO-EPSILON

Ознакомьтесь со всей продукцией индуктивных датчиков движения от MICRO-EPSILON.

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ ИНТЕРНЕТА ТАКЖЕ КОНСУЛЬТИРУЮТСЯ ПО КАТЕГОРИИ ИНДУКТИВНЫЕ ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ

Ознакомьтесь со всеми продуктами из категории индуктивные датчики движения

См. также

Исследование импеданса катушки самоиндуктивного датчика перемещения с учетом вихревых токов сердечника

Индуктивный датчик смещения широко используется в системах с активными магнитными подшипниками (АМП) для определения смещения ротора в режиме реального времени, и производительность датчика напрямую влияет на производительность АМП.В настоящее время большинство теоретических исследований принципа работы индуктивного датчика перемещения основаны на традиционной математической модели, игнорирующей влияние магнитного сопротивления сердечника и вихревых токов сердечника, что приведет к определенной погрешности между теоретическим анализом выходного сигнала датчика характеристики и реальная ситуация. В связи с этим, на основе теории электромагнитного поля и цепи, в данной работе была создана усовершенствованная теоретическая модель индуктивного датчика путем введения комплексной магнитной проницаемости, с помощью которой можно учесть влияние вихревых токов сердечника на магнитное поле.Для проверки усовершенствованной модели был разработан восьмиполюсный радиальный самоиндуктивный датчик перемещения с воздушным зазором 1 мм. Затем электромагнитное поле разработанного датчика было смоделировано программным обеспечением конечных элементов, и с помощью измерительного прибора GW LCR-6100 были измерены изменения индуктивности и сопротивления катушек сердечника разработанного датчика при смещении ротора на частоте 20-100 кГц. Результаты показали, что существует хорошая линейная зависимость между изменением импеданса катушек датчика и смещением ротора в диапазоне измерений -0.4 ~ +0,4 мм. В то же время, по сравнению с традиционной моделью, чувствительность усовершенствованной теоретической модели ближе к результатам МКЭ и эксперимента, а точность чувствительности усовершенствованной теоретической модели может быть увеличена примерно вдвое, несмотря на определенные различия с экспериментальная ситуация.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.