3. Индуктивные первичные преобразователи

Индуктивные преобразователи применяют для преобразования малых линейных или угловых перемещений в электрические сигналы. Принцип их действия основан на зависимости индуктивного сопротивления катушки от изменения зазора в магнитопроводе, от перемещения магнитопровода в катушке или от изменения площади зазора.

Индуктивный преобразователь с подвижным якорем (изменяющимся зазором) представляет собой катушку индуктивности 3 с магнитопроводом 2 и подвижным якорем 1 (рис. 5, а). Катушка индуктивности с магнитопроводом, называемая статором, закрепляется неподвижно, а якорь механически соединяется с подвижной частью объекта управления, перемещение которого необходимо преобразовать в электрический сигнал. Перемещение якоря изменяет воздушный зазор 6 (входная величина преобразователя), вызывает изменение индуктивного сопротивления катушки и, как следствие этого, выходной величины тока I при постоянном напряжении и₀.

Чувствительность индуктивных преобразователей с изменяющимся воздушным зазором уменьшается с увеличением зазора 6, поэтому их используют для измерения и контроля очень малых перемещений (до 2 мм). В таком диапазоне рабочих перемещений их чувствительность не превышает 2 мкм.

Индуктивные преобразователи с перемещающимся магнитопроводом (рис. 5, б) способны измерять большие перемещения (до 50 мм).

Рис. 5. Индуктивные преобразователи:

а – с подвижным якорем; б – с перемещающимся сердечником; в – с изменяющейся площадью зазора; г – дифференциальный

У индуктивных преобразователей с изменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 5, в) статическая характеристика линейна только на определенном участке. Линейность нарушается, когда активное сопротивление становится сравнимым с индуктивным. Диапазоны перемещения якоря больше (до 8 мм), чем у преобразователей с изменяющимся воздушным зазором, однако чувствительность ниже.

Все перечисленные выше виды индуктивных преобразователей обладают высокой надежностью, имеют практически неограниченный срок службы и большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт). К недостаткам можно отнести нереверсивность статической характеристики, небольшой диапазон перемещения якоря, наличие тока холостого хода и влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения питания. Эти недостатки практически полностью отсутствуют у дифференциальных индуктивных преобразователей.

Дифференциальный индуктивный преобразователь (рис. 5, г) имеет два статора 2 с катушками индуктивности 3 и один подвижный якорь 1. При отклонении якоря от среднего положения происходит изменение индуктивного сопротивления обеих катушек и на выходе преобразователя появляется напряжение U_н. Катушки индуктивности включаются либо в дифференциальную измерительную схему, либо как смежные плечи мостовой измерительной схемы.

Дифференциальные индуктивные преобразователи по сравнению с ранее рассмотренными конструкциями обладают более высокими точностью и чувствительностью. Их статическая характеристика линейна и реверсивная. Поэтому они получили наибольшее распространение.

Трансформаторные преобразователи являются разновидностью индуктивных. Они представляют собой трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации за счет изменения коэффициента взаимоиндуктивности между обмотками. Трансформаторные преобразователи применяют для преобразования небольших линейных и угловых перемещений в электрический сигнал (напряжение переменного тока).

Первичная обмотка 2 (рис. 6) дифференциального трансформаторного преобразователя с угловым перемещением якоря намотана на центральном стержне 1 магнитопровода, а две совершенно одинаковые вторичные обмотки 3 располагаются на крайних стержнях. Они соединены последовательно и имеют встречную намотку. При симметричном положении якоря 4 по отношению к стержню 1 во вторичных обмотках будут индуцироваться одинаковые по значению и противоположные по фазе ЭДС, а напряжение на выходе преобразователя будет равно нулю. При повороте якоря, механически связанного с подвижной частью объекта управления, изменяется значение магнитных потоков и в соответствии с этим значение ЭДС, т. е. на выходе появляется напряжение, амплитуда которого равна разности амплитуд ЭДС вторичных обмоток. Статическая характеристика рассмотренного преобразователя линейна и реверсивна. Реверсивность означает изменение в знаке выходного сигнала при изменении знака входного сигнала. Чувствительность преобразователя в 2 раза выше чувствительности обычных индуктивных преобразователей.

Интересна конструкция ферродинамического преобразователя, предназначенного для преобразования угловых перемещений в электрические сигналы.

Ферродинамический преобразователь (рис. 7) имеет магнитопровод, состоящий из плунжера /, шихтованного ярма 2 и сердечника 3. На сердечнике 3 укреплены агатовые подпятники (на схеме не показаны), в которых на кернах установлена поворотная рамка 4, механически соединенная с подвижной частью объекта управления. Концы обмотки подвижной рамки подсоединяются с помощью спиральных пружин и проводов. Принцип работы преобразователя заключается в следующем. При подаче переменного тока на обмотку возбуждения 5 в магнитопроводе возникает магнитный поток. Если рамка 4 расположена по нейтрали ММ, то значение наведенной ЭДС равно нулю. При повороте рамки на некоторый угол α в ней индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна углу поворота. Рабочий угол рамки от нейтрали составляет 40°. В зависимости от типа преобразователя напряжение на выходе рамки изменяется от –1 до +1 В или от 0 до 2 В.

Высокочастотные индуктивные преобразователи позволяют измерить толщину фольги металлов, толщину гальванических покрытий, разностенность металлических труб и т. д. Принцип их действия основан на изменении индуктивности обмотки при возникновении вихревых токов в проводящем теле, расположенном вблизи этой обмотки.

В таких преобразователях используется так называемый поверхностный эффект, т. е. затухание вихревых токов по мере проникновения их в глубь проводящей среды, обусловленных переменным магнитным полем; при этом разность токов возбуждающего поля и поля вихревых токов уменьшается.