cảm biến quy nạp

Cảm biến điện cảm là loại đầu dò tham số có nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi độ tự cảm L hoặc độ tự cảm lẫn nhau của cuộn dây với lõi, do sự thay đổi điện trở từ RM của mạch từ của cảm biến mà lõi đi vào.

Cảm biến cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo chuyển vị và bao phủ phạm vi từ 1 μm đến 20 mm. Cũng có thể sử dụng cảm biến cảm ứng để đo áp suất, lực, tốc độ dòng khí và chất lỏng, v.v. Trong trường hợp này, giá trị đo được chuyển đổi bằng cách sử dụng các yếu tố nhạy cảm khác nhau thành thay đổi chuyển vị và sau đó giá trị này được đưa đến đầu dò đo điện cảm.

Trong trường hợp đo áp suất, các phần tử nhạy cảm có thể được chế tạo dưới dạng màng đàn hồi, ống bọc, v.v. Chúng cũng được sử dụng làm cảm biến tiệm cận, được sử dụng để phát hiện các vật thể kim loại và phi kim loại khác nhau theo cách không tiếp xúc theo nguyên tắc có hoặc không.

Ưu điểm của cảm biến quy nạp:

• đơn giản và sức mạnh của việc xây dựng, không có tiếp xúc trượt;

• khả năng kết nối với các nguồn tần số điện;

• công suất đầu ra tương đối cao (lên đến hàng chục watt);

• độ nhạy đáng kể.

Nhược điểm của cảm biến quy nạp:

• độ chính xác của hoạt động phụ thuộc vào sự ổn định của điện áp cung cấp theo tần số;

• hoạt động chỉ có thể với dòng điện xoay chiều.

Các loại bộ chuyển đổi cảm ứng và các tính năng thiết kế của chúng

Theo sơ đồ xây dựng, cảm biến cảm ứng có thể được chia thành đơn và vi sai. Một cảm biến điện cảm chứa một nhánh đo, vi sai một - hai.

Trong cảm biến điện cảm vi sai, khi thông số đo được thay đổi thì điện cảm của hai cuộn dây giống hệt nhau thay đổi đồng thời và sự thay đổi xảy ra cùng giá trị nhưng ngược dấu.

Như đã được biết, độ tự cảm của cuộn dây:

trong đó W là số lượt; F — từ thông xuyên qua nó; I - dòng điện chạy qua cuộn dây.

Hiện tại có liên quan đến MDS theo tỷ lệ:

Nơi chúng tôi nhận được:

trong đó Rm = HL / Ф là điện trở từ của cảm biến điện cảm.

Ví dụ, hãy xem xét một cảm biến cảm ứng đơn. Hoạt động của nó dựa trên đặc tính của cuộn cảm khe hở không khí để thay đổi độ tự cảm của nó khi giá trị khe hở không khí thay đổi.

Cảm biến điện cảm bao gồm một cái ách 1, một cuộn dây 2, một phần ứng 3 — được giữ bởi các lò xo. Một điện áp nguồn xoay chiều được cung cấp cho cuộn dây 2 thông qua điện trở tải Rn. Dòng điện trong mạch tải được định nghĩa là:

trong đó rd là điện trở tích cực của cuộn cảm; L là độ tự cảm của cảm biến.

Vì điện trở hoạt động của mạch không đổi, nên sự thay đổi dòng điện I chỉ có thể xảy ra do sự thay đổi thành phần cảm ứng XL = IRn, điều này phụ thuộc vào độ lớn của khe hở không khí δ.

Với mỗi giá trị δ tương ứng với một giá trị I nhất định, giá trị này tạo ra điện áp rơi trên điện trở Rn: Uout = IRn — là tín hiệu đầu ra của cảm biến. Bạn có thể rút ra sự phụ thuộc phân tích Uout = f (δ) với điều kiện là khe đủ nhỏ và có thể bỏ qua các từ thông đi lạc, và có thể bỏ qua điện trở từ của sắt Rmw so với điện trở từ của khe hở không khí Rmw.

Đây là biểu thức cuối cùng:

Trong các thiết bị thực, điện trở hoạt động của mạch nhỏ hơn nhiều so với điện cảm, khi đó biểu thức rút gọn về dạng:

Sự phụ thuộc Uout = f(δ) là tuyến tính (trong xấp xỉ đầu tiên). Tính năng thực tế như sau:

Độ lệch khỏi tuyến tính ngay từ đầu được giải thích bởi giả thiết được chấp nhận Rmzh << Rmv.

Tại d nhỏ, từ trở của sắt tỉ lệ với từ trở của không khí.

Độ lệch ở d lớn được giải thích là do ở d lớn RL trở nên tương xứng với giá trị của điện trở hoạt động — Rn + rd.

Nói chung, cảm biến cảm ứng được coi là có một số nhược điểm đáng kể:

• pha của dòng điện không thay đổi khi hướng chuyển động thay đổi;

• nếu cần đo độ dịch chuyển theo cả hai hướng, thì cần phải đặt khe hở không khí ban đầu và do đó là I0 hiện tại, điều này gây bất tiện;

• dòng tải phụ thuộc vào biên độ và tần số của điện áp nguồn;

• trong quá trình hoạt động của cảm biến, lực hút vào mạch từ tác động lên phần ứng, lực này không được cân bằng bởi bất cứ thứ gì và do đó gây ra lỗi cho hoạt động của cảm biến.

Cảm biến quy nạp vi sai (có thể đảo ngược) (DID)

Cảm biến cảm ứng vi sai là sự kết hợp của hai cảm biến không thể đảo ngược và được chế tạo dưới dạng một hệ thống bao gồm hai mạch từ có phần ứng chung và hai cuộn dây. Cảm biến cảm ứng vi sai yêu cầu hai nguồn điện riêng biệt, thường sử dụng biến áp cách ly 5.

Hình dạng của mạch từ có thể là các cảm biến cảm ứng vi sai với mạch từ hình chữ W, được tuyển dụng bởi các cầu thép điện (đối với tần số trên 1000Hz, hợp kim sắt-niken-permola được sử dụng) và hình trụ với mạch từ tròn dày đặc . Việc lựa chọn hình dạng của cảm biến phụ thuộc vào sự kết hợp mang tính xây dựng của nó với thiết bị được điều khiển. Việc sử dụng mạch từ hình chữ W là do sự tiện lợi của việc lắp ráp cuộn dây và giảm kích thước của cảm biến.

Để cấp nguồn cho cảm biến cảm ứng vi sai, một máy biến áp 5 có đầu ra cho điểm giữa của cuộn thứ cấp được sử dụng. Thiết bị 4 được bao gồm giữa nó và đầu chung của hai cuộn dây, khe hở không khí là 0,2-0,5 mm.

Tại vị trí chính giữa của phần ứng, khi các khe hở không khí bằng nhau thì điện trở của cuộn dây 3 và 3' bằng nhau, do đó cường độ dòng điện trong các cuộn dây bằng I1 = I2 và kết quả là dòng điện trong thiết bị bằng 0.

Với độ lệch nhỏ của phần ứng theo hướng này hay hướng khác, dưới tác động của giá trị X được kiểm soát, giá trị của khe hở và độ tự cảm thay đổi, thiết bị đăng ký dòng điện chênh lệch I1-I2, đây là chức năng của phần ứng dịch chuyển khỏi vị trí chính giữa. Sự khác biệt về dòng điện thường được ghi lại bằng thiết bị điện từ 4 (microammeter) với mạch chỉnh lưu B ở đầu vào.

Các đặc điểm của cảm biến điện cảm là:

Cực tính của dòng điện đầu ra không thay đổi bất kể dấu hiệu của sự thay đổi trở kháng của cuộn dây. Khi hướng lệch của phần ứng từ vị trí giữa thay đổi, pha của dòng điện ở đầu ra của cảm biến sẽ thay đổi ngược lại (180 °). Khi sử dụng bộ chỉnh lưu nhạy pha, có thể nhận được chỉ báo về hướng di chuyển của phần ứng từ vị trí ở giữa. Các đặc điểm của cảm biến cảm ứng vi sai với bộ lọc tần số pha như sau:

Lỗi chuyển đổi cảm biến cảm ứng

Khả năng thông tin của cảm biến điện cảm phần lớn được xác định bởi sai số của nó khi chuyển đổi tham số đo được. Tổng lỗi của một cảm biến điện cảm bao gồm một số lượng lớn các thành phần lỗi.

Có thể phân biệt các lỗi cảm biến cảm ứng sau:

1) Lỗi do tính phi tuyến tính của đặc tính. Thành phần nhân của tổng sai số Do nguyên lý quy nạp chuyển đổi giá trị đo được, là cơ sở hoạt động của cảm biến điện cảm, nó rất cần thiết và trong hầu hết các trường hợp xác định phạm vi đo của cảm biến. Đối tượng bắt buộc để đánh giá trong quá trình phát triển cảm biến.

2) Lỗi nhiệt độ. Thành phần ngẫu nhiên.Do số lượng lớn các tham số phụ thuộc vào nhiệt độ của các thành phần cảm biến, sai số của thành phần có thể đạt giá trị lớn và đáng kể. Để được đánh giá trong thiết kế cảm biến.

3) Lỗi do ảnh hưởng của trường điện từ bên ngoài. Thành phần ngẫu nhiên của tổng sai số. Nó xảy ra do cảm ứng EMF trong cuộn dây cảm biến bởi các trường bên ngoài và do sự thay đổi đặc tính từ của mạch từ dưới tác động của các trường bên ngoài. Trong các cơ sở công nghiệp có lắp đặt điện năng, từ trường có cảm ứng T và tần số chủ yếu là 50 Hz được phát hiện.

Do lõi từ của cảm biến cảm ứng hoạt động ở mức cảm ứng 0,1 — 1 T, nên tỷ lệ trường bên ngoài sẽ là 0,05-0,005% ngay cả khi không có lớp che chắn. Đầu vào màn hình và việc sử dụng cảm biến vi sai làm giảm tỷ lệ này khoảng hai bậc độ lớn. Do đó, lỗi do ảnh hưởng của trường bên ngoài chỉ nên được xem xét khi thiết kế các cảm biến có độ nhạy thấp và không thể che chắn đầy đủ. Trong hầu hết các trường hợp, thành phần lỗi này không đáng kể.

4) Lỗi do hiệu ứng nam châm. Nó phát sinh do sự biến dạng của mạch từ không ổn định trong quá trình lắp ráp cảm biến (thành phần phụ) và do thay đổi biến dạng trong quá trình vận hành cảm biến (thành phần tùy ý). Các tính toán có tính đến sự hiện diện của các khoảng trống trong mạch từ cho thấy ảnh hưởng của sự mất ổn định của các ứng suất cơ học trong mạch từ gây ra sự mất ổn định tín hiệu đầu ra của cảm biến thứ tự và trong hầu hết các trường hợp, thành phần này có thể được bỏ qua một cách cụ thể.

5) Lỗi do tác dụng của máy đo biến dạng của cuộn dây.Thành phần ngẫu nhiên. Khi cuộn dây cảm biến, một lực căng cơ học được tạo ra trong dây. Sự thay đổi các ứng suất cơ học này trong quá trình hoạt động của cảm biến dẫn đến thay đổi điện trở của cuộn dây đối với dòng điện một chiều và do đó làm thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến. Thông thường đối với các cảm biến được thiết kế phù hợp, nghĩa là thành phần này không nên được xem xét cụ thể.

6) Sai lệch so với cáp kết nối. Nó xảy ra do sự mất ổn định của điện trở của cáp dưới tác động của nhiệt độ hoặc biến dạng và do cảm ứng EMF trong cáp dưới tác động của các trường bên ngoài. Là thành phần ngẫu nhiên của lỗi. Trong trường hợp điện trở riêng của cáp không ổn định, tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ bị lỗi. Chiều dài của cáp kết nối là 1-3 m và hiếm khi hơn. Khi cáp được làm bằng dây đồng tiết diện, điện trở của cáp nhỏ hơn 0,9 Ohm, điện trở không ổn định. Do trở kháng của cảm biến thường lớn hơn 100 ôm, nên sai số ở đầu ra của cảm biến có thể lớn bằng Do đó, đối với các cảm biến có điện trở hoạt động thấp, lỗi phải được ước tính. Trong các trường hợp khác, nó không đáng kể.

7) Lỗi thiết kế.Chúng phát sinh dưới ảnh hưởng của các lý do sau: ảnh hưởng của lực đo đến biến dạng của các bộ phận cảm biến (phụ gia), ảnh hưởng của sự khác biệt trong lực đo đến sự mất ổn định của biến dạng (nhân lên), ảnh hưởng của thanh dẫn của thanh đo trong quá trình truyền xung đo (nhân lên), sự không ổn định của việc truyền xung đo do khe hở và phản ứng dữ dội của các bộ phận chuyển động (ngẫu nhiên). các yếu tố cơ học của cảm biến và không dành riêng cho cảm biến cảm ứng. Việc đánh giá các lỗi này được thực hiện theo các phương pháp đã biết để đánh giá các lỗi truyền động học của thiết bị đo.

8) Lỗi kỹ thuật. Chúng phát sinh do sai lệch công nghệ ở vị trí tương đối của các bộ phận cảm biến (phụ gia), sự phân tán các thông số của các bộ phận và cuộn dây trong quá trình sản xuất (phụ gia), ảnh hưởng của khoảng cách công nghệ và độ kín trong các kết nối của các bộ phận và trong hướng dẫn ( Bất kỳ).

Lỗi công nghệ trong quá trình sản xuất các bộ phận cơ học của cấu trúc cảm biến cũng không đặc trưng cho cảm biến cảm ứng; chúng được đánh giá bằng các phương pháp thông thường đối với các thiết bị đo cơ khí. Lỗi trong quá trình sản xuất mạch từ và cuộn dây cảm biến dẫn đến sự phân tán các thông số của cảm biến và gây khó khăn trong việc đảm bảo khả năng thay thế lẫn nhau của cảm biến.

9) Lỗi lão hóa cảm biến.Thành phần lỗi này trước tiên là do sự hao mòn của các phần tử chuyển động của cấu trúc cảm biến và thứ hai là do sự thay đổi theo thời gian của các đặc tính điện từ của mạch từ của cảm biến. Lỗi nên được coi là ngẫu nhiên. Khi đánh giá lỗi do hao mòn, tính toán động học của cơ chế cảm biến trong từng trường hợp cụ thể được tính đến. Ở giai đoạn thiết kế cảm biến, trong trường hợp này, nên đặt tuổi thọ của cảm biến trong điều kiện hoạt động bình thường, trong đó sai số hao mòn bổ sung sẽ không vượt quá giá trị đã chỉ định.

Tính chất điện từ của vật liệu thay đổi theo thời gian.

Trong hầu hết các trường hợp, các quá trình thay đổi đặc tính điện từ rõ rệt kết thúc trong vòng 200 giờ đầu tiên sau khi xử lý nhiệt và khử từ của mạch từ. Trong tương lai, chúng hầu như không đổi và không đóng vai trò quan trọng trong sai số tổng thể của cảm biến cảm ứng.

Việc xem xét các thành phần sai số của cảm biến cảm ứng ở trên giúp đánh giá vai trò của chúng trong việc hình thành sai số tổng của cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp, yếu tố quyết định là sai số do tính phi tuyến tính của đặc tính và sai số nhiệt độ của bộ chuyển đổi cảm ứng.