что такое Датчик индуктивный? Индуктивные датчики широко используются для измерения положения и скорости, особенно в неблагоприятных условиях эксплуатации.Однако терминология и методы работы индуктивных датчиков могут вводить многих инженеров в заблуждение. В этой статье Марк Ховард из компании Zettlex объясняет принципы работы и описывает типы существующих датчиков, а также перечисляет их преимущества и недостатки.

индуктивных датчиков

Индуктивные датчики положения и скорости бывают самых разнообразных форм, размеров и конструкций. Можно сказать, что все индуктивные датчики работают по принципу работы трансформатора и физическое явление, основанное на переменных электрических токах. Это явление впервые наблюдал Майкл Фарадей в 1830-х годах, когда обнаружил, что первый токопроводящий проводник может «индуцировать» ток во втором проводнике. Открытия Фарадея позволили создать электродвигатели, динамометры и, конечно же, индуктивные датчики положения и скорости. В число таких датчиков входят простые бесконтактные реле, датчики переменной индуктивности и сопротивления, синхронизаторы, резольверы, ротационные датчики перемещения и линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (RVDT и LVDT).

Различные типы индуктивных датчиков

В простом бесконтактном датчике (иногда называемом бесконтактным реле) при подключении устройства к источнику электропитания в его катушке (цепи, контуре или обмотке) протекает переменный ток. При приближении к катушке проводящего или магнитопроницаемого материала, например стального диска, импеданс катушки изменяется. Превышение порогового значения служит сигналом о наличии объекта. Бесконтактные датчики обычно используются для определения наличия металла, а их выходной сигнал часто используется для управления переключателем. Эти датчики широко используются во многих областях промышленности, где проблематично использовать электрические контакты обычных переключателей, например там, где много грязи или воды. Даже в обычной автомойке используется множество индуктивных бесконтактных датчиков.

Индуктивные датчики переменной индуктивности и сопротивления обычно генерируют электрический сигнал, пропорциональный смещению проводящего или магнитопроницаемого объекта (обычно стального стержня) относительно катушки. Как и в случае с бесконтактными датчиками, импеданс катушки изменяется пропорционально смещению объекта относительно катушки, в которой протекает переменный ток. Такие устройства обычно используются для измерения смещения поршней в цилиндрах, например в пневматических или гидравлических системах. Можно сделать так, чтобы поршень проходил по внешнему диаметру катушки.

Сельсины измеряют индуктивную связь между катушками, когда те движутся относительно друг друга. Сельсины, которые обычно вращаются, необходимо напрямую подключать как к движущейся, так и к неподвижной деталям (обычно называемым ротором и статором). Они обеспечивают чрезвычайно высокую точность измерений и используются в промышленной метрологии, радиолокационных антеннах и телескопах. Сельсины, как известно, сегодня дорогие и используются все реже, так как на смену им приходят (бесщеточные) резольверы. Последние представляют собой еще один вид индуктивных датчиков, но подключаются только к обмоткам статора.

Индуктивный датчик

LVDT, RVDT и резольверы измеряют изменение индуктивной связи между катушками, которые обычно называют первичной и вторичной обмотками. Первичная обмотка передает энергию во вторичные, но количество энергии в каждой из вторичных обмоток изменяется пропорционально относительному смещению магнитопроницаемого материала. В LVDT через отверстие обмоток обычно проходит металлический стержень. Как правило, ротор или полюсная деталь вращаются в RVDT или резольвере относительно обмоток, расположенных вокруг ротора. Обычно LVDT и RVDT используются в гидравлических сервоприводах элеронов аэрокосмических аппаратов, а также элементах управления двигателем и топливной системой.  Резольверы, в свою очередь, применяются для коммутации бесщеточных электродвигателей.

Существенным преимуществом индуктивных датчиков является то, что связанные схемы обработки сигналов не нужно располагать в непосредственной близости от чувствительных катушек. Это позволяет размещать чувствительные катушки в неблагоприятных условиях эксплуатации, где другие методы измерения (например, магнитные или оптические) невозможны, поскольку для них относительно чувствительная кремниевая электроника должна находиться в точке измерения.

Применение

Индуктивные датчики известны своей надежностью при работе в сложных условиях. Следовательно, часто именно их сразу выбирают тогда, когда необходимо обеспечить безопасность или высокую надежность работы. Такие требования широко распространены в военной, аэрокосмической, железнодорожной и тяжелой промышленности.

Индуктивный датчик для военных

Причина солидной репутации датчиков связана с фундаментальными законами физики и принципами работы, которые, как правило, не зависят от:

  • подвижных электрических контактов;
  • температуры;
  • влажности, воды и наличия конденсата;
  • посторонних предметов, например грязи, жира, твердых частиц и песка.

Преимущества и недостатки

Особенности конструкции основных элементов управления (катушек обмотки и металлических деталей) обеспечивают чрезвычайную надежность большинства индуктивных датчиков. Учитывая их солидную репутацию, возникает очевидный вопрос: «Почему индуктивные датчики не используются чаще?» Причина в том, что их физическая прочность является одновременно их преимуществом и недостатком. Индуктивные датчики отличаются точностью, надежностью и стабильностью, но при этом являются большими, громоздкими и тяжелыми. Большой расход материала и необходимость тщательной намотки катушек обуславливают дороговизну производства датчиков, особенно высокоточных приборов, требующий прецизионной намотки. Помимо простых бесконтактных датчиков, более сложные индуктивные датчики стоят слишком дорого для использования в широко распространенных коммерческих или промышленных сферах применения.

Другая причина их относительно редкого использования заключается в сложности составления инженерами-конструкторами технических условий. Это связано с тем, что схемы генерации переменного тока и обработки сигналов для каждого датчика необходимо рассчитывать и приобретать отдельно. Для этого обычно требуются глубокие навыки и знания в области аналоговой электроники. Поскольку молодые инженеры стремятся сосредоточиться на цифровой электронике, они рассматривают изучение таких дисциплин как приобретение ненужной квалификации, которую следует избегать.

Индуктивные датчики следующего поколения

Тем не менее, в последние годы на рынке появилось новое поколение индуктивных датчиков, которые пользуются все большей популярностью не только в традиционных сферах, но и в промышленном, автомобильном, медицинском, коммунальном, научном и нефтегазовом секторах. В этих индуктивных датчиках нового поколения используются те же фундаментальные законы физики, что и традиционных устройствах, но в них применяются печатные платы и современная цифровая электроника, а не громоздкие трансформаторные конструкции и аналоговая электроника. Такой элегантный подход также позволяет использовать эти технологии в 2D и 3D-датчиках, линейных устройствах с укороченным (< 1 мм) шагом перемещения, устройствах измерения криволинейной геометрии и высокопрецизионных энкодерах угла поворота.

Zettlex разработала инновационную технологию, которая легла в основу данного индуктивного метода нового поколения и за последние годы была значительно усовершенствована благодаря удачным конструкторским решениям. Использование печатных плат позволяет печатать датчики на тонких и гибких подложках, что также позволяет устранить необходимость в традиционных кабелях и разъемах. Основное преимущество нового подхода — его гибкость (как в буквальном смысле, тик и в смысле готовности разрабатывать индивидуальные конструкции для OEM-производителей).  Данная технология обеспечивает аналогичное традиционному методу надежное и точное измерение в неблагоприятных условиях эксплуатации. Также она обладает следующими важными преимуществами:

  • меньшая стоимость;
  • повышенная точность;
  • сниженный вес;
  • упрощенная конструкция (в которой нет подшипников, уплотнений и втулок);
  • компактный размер — особенно, учитывая длину хода по сравнению с традиционными LVDT;
  • упрощенный электрический интерфейс — обычно включает источник постоянного тока и абсолютный цифровой сигнал.

 Индуктивный датчик положения

Изображение традиционного устройства LVDT (вверху) и линейного датчика Zettlex (посередине).  Внизу для масштаба приведена линейка

Это отлично видно на приведенной выше фотографии, где изображен традиционный LVDT с рабочим ходом 150 мм и заменивший его прибор нового поколения, изготовленный для производителя линейных приводов. Параллели с фотографиями «до» и «после» применения диеты очевидны. Но и это еще не все, ведь устройство нового поколения также оснащено связанной схемой формирования и обработки сигнала (не показана по сравнению с традиционным LVDT).  Для сравнения, устройство Zettlex:

  • более чем в 10 раз точнее;
  • на 95 % легче;
  • на 75 % меньше;
  • на 50 % дешевле;
  • непосредственно генерирует цифровые данные, устраняя таким образом необходимость в аналого-цифровом преобразовании.
Connect with Zettlex

Ask a question

Technical support

This website uses cookies to provide you with the best user experience and site functionality, and provides us with enhanced site analytics. By continuing to view this site without changing your web browser settings, you agree to our use of cookies. To learn more, please view our privacy policy.