เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ

เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำเป็นทรานสดิวเซอร์ประเภทพารามิเตอร์ที่มีหลักการทำงานขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลง ตัวเหนี่ยวนำ L หรือการเหนี่ยวนำร่วมกันของขดลวดกับแกนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานแม่เหล็ก RM ของวงจรแม่เหล็กของเซ็นเซอร์ที่แกนเข้ามา

เซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเพื่อวัดการเคลื่อนที่และครอบคลุมช่วงตั้งแต่ 1 μm ถึง 20 มม. นอกจากนี้ยังสามารถใช้เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำเพื่อวัดความดัน แรง การไหลของก๊าซและของเหลว ฯลฯ ในกรณีนี้ ค่าที่วัดได้จะถูกแปลงโดยใช้องค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนต่างๆ เป็นการเปลี่ยนแปลงการกระจัด จากนั้นค่านี้จะถูกส่งไปยังทรานสดิวเซอร์การวัดแบบเหนี่ยวนำ

ในกรณีของการวัดความดัน ส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนสามารถทำในรูปแบบของเยื่อยืดหยุ่น ปลอกหุ้ม ฯลฯ พวกเขายังใช้เป็นเซนเซอร์จับความใกล้เคียงซึ่งใช้ในการตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะและไม่ใช่โลหะต่างๆ ในลักษณะที่ไม่มีการสัมผัสบนหลักการใช่หรือไม่ใช่

ข้อดีของเซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ:

• ความเรียบง่ายและความแข็งแรงของการก่อสร้างโดยไม่ต้องเลื่อนหน้าสัมผัส

• ความสามารถในการเชื่อมต่อกับแหล่งความถี่ไฟฟ้า

• กำลังขับค่อนข้างสูง (สูงถึงหลายสิบวัตต์);

• ความไวอย่างมีนัยสำคัญ

ข้อเสียของเซ็นเซอร์อุปนัย:

• ความแม่นยำของการทำงานขึ้นอยู่กับความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าตามความถี่

• ใช้งานได้กับกระแสสลับเท่านั้น

ประเภทของตัวแปลงอุปนัยและคุณสมบัติการออกแบบ

ตามรูปแบบการก่อสร้าง เซ็นเซอร์อุปนัยสามารถแบ่งออกเป็นแบบเดี่ยวและแบบดิฟเฟอเรนเชียล เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำประกอบด้วยสาขาการวัดหนึ่งสาขา ดิฟเฟอเรนเชียลหนึ่งถึงสอง

ในเซ็นเซอร์อุปนัยแบบดิฟเฟอเรนเชียล เมื่อพารามิเตอร์ที่วัดได้เปลี่ยนไป ค่าความเหนี่ยวนำของขดลวดที่เหมือนกันสองขดลวดจะเปลี่ยนไปพร้อมกัน และการเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นด้วยค่าเดียวกันแต่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม

เป็นที่ทราบกันดีว่า ความเหนี่ยวนำของขดลวด:

โดยที่ W คือจำนวนรอบ F — ฟลักซ์แม่เหล็กทะลุทะลวง; ฉัน - กระแสที่ผ่านขดลวด

ปัจจุบันเกี่ยวข้องกับ MDS ตามอัตราส่วน:

ที่เราได้รับ:

โดยที่ Rm = HL / Ф คือความต้านทานแม่เหล็กของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ

ตัวอย่างเช่น พิจารณาเซ็นเซอร์อุปนัยหนึ่งตัว การทำงานของมันขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของโช้กช่องว่างอากาศเพื่อเปลี่ยนค่าความเหนี่ยวนำเมื่อค่าช่องว่างอากาศเปลี่ยนแปลง

เซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำประกอบด้วยแอก 1, ขดลวด 2, กระดอง 3 — ยึดด้วยสปริง แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจ่ายให้กับขดลวด 2 ผ่านความต้านทานโหลด Rn กระแสในวงจรโหลดถูกกำหนดเป็น:

โดยที่ rd คือความต้านทานที่ใช้งานของโช้ค L คือความเหนี่ยวนำของเซ็นเซอร์

เนื่องจากความต้านทานที่แอคทีฟของวงจรมีค่าคงที่ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงของกระแส I จึงเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในส่วนประกอบอุปนัย XL = IRn ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของช่องว่างอากาศ δ

สำหรับแต่ละค่า δ สอดคล้องกับค่าหนึ่ง I ซึ่งสร้างแรงดันตกที่ความต้านทาน Rn: Uout = IRn — คือสัญญาณเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ คุณสามารถหาค่าการพึ่งพาเชิงวิเคราะห์ Uout = f (δ) ได้หากช่องว่างมีขนาดเล็กพอและสามารถละเลยฟลักซ์หลงทางได้ และค่าความต้านทานสนามแม่เหล็กของเหล็ก Rmw สามารถถูกละเลยได้เมื่อเทียบกับค่าความต้านทานสนามแม่เหล็กของช่องว่างอากาศ Rmw

นี่คือนิพจน์สุดท้าย:

ในอุปกรณ์จริง ความต้านทานแบบแอกทีฟของวงจรจะน้อยกว่าแบบอุปนัยมาก จากนั้นนิพจน์จะลดรูปแบบลง:

การพึ่งพา Uout = f (δ) เป็นเส้นตรง (ในการประมาณครั้งแรก) คุณสมบัติที่แท้จริงมีดังนี้:

ความเบี่ยงเบนจากความเป็นเชิงเส้นที่จุดเริ่มต้นอธิบายได้ด้วยสมมติฐานที่ยอมรับ Rmzh << Rmv

ที่ d ขนาดเล็ก ความต้านทานสนามแม่เหล็กของเหล็กจะเทียบเท่ากับความต้านทานสนามแม่เหล็กของอากาศ

ความเบี่ยงเบนที่ d ขนาดใหญ่อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าที่ d RL ขนาดใหญ่จะเทียบเท่ากับค่าของความต้านทานที่ใช้งานอยู่ — Rn + rd

โดยทั่วไปแล้วเซ็นเซอร์อุปนัยที่พิจารณามีข้อเสียที่สำคัญหลายประการ:

• เฟสของกระแสไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนไป

• หากจำเป็นต้องวัดการกระจัดในทั้งสองทิศทางจำเป็นต้องตั้งค่าช่องว่างอากาศเริ่มต้นและ I0 ปัจจุบันซึ่งไม่สะดวก

• กระแสโหลดขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดและความถี่ของแรงดันไฟฟ้า

• ในระหว่างการทำงานของเซ็นเซอร์ แรงดึงดูดของวงจรแม่เหล็กจะกระทำกับกระดอง ซึ่งไม่สมดุลกับสิ่งใดๆ ดังนั้นจึงทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการทำงานของเซ็นเซอร์

ดิฟเฟอเรนเชียล (ย้อนกลับได้) เซ็นเซอร์อุปนัย (DID)

เซ็นเซอร์อุปนัยแบบดิฟเฟอเรนเชียลคือการรวมกันของเซ็นเซอร์กลับไม่ได้สองตัวและทำในรูปแบบของระบบที่ประกอบด้วยวงจรแม่เหล็กสองวงจรที่มีกระดองร่วมและสองขดลวด เซ็นเซอร์อุปนัยแบบดิฟเฟอเรนเชียลต้องใช้แหล่งจ่ายไฟสองตัวแยกกัน ซึ่งโดยปกติจะใช้หม้อแปลงแยก 5

รูปร่างของวงจรแม่เหล็กสามารถเป็นเซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียล-อุปนัยที่มีวงจรแม่เหล็กรูปตัว W ซึ่งคัดเลือกโดยสะพานเหล็กไฟฟ้า (สำหรับความถี่ที่สูงกว่า 1,000Hz จะใช้โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล-เพอร์โมลา) และทรงกระบอกที่มีวงจรแม่เหล็กทรงกลมหนาแน่น . การเลือกรูปร่างของเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับการผสมผสานอย่างสร้างสรรค์กับอุปกรณ์ควบคุม การใช้วงจรแม่เหล็กรูปตัว W เกิดจากความสะดวกในการประกอบขดลวดและลดขนาดของเซ็นเซอร์

ในการจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียล - อุปนัยจะใช้หม้อแปลง 5 ที่มีเอาต์พุตสำหรับจุดกึ่งกลางของขดลวดทุติยภูมิ อุปกรณ์ 4 อยู่ระหว่างมันกับปลายทั่วไปของขดลวดทั้งสอง ช่องว่างอากาศ 0.2-0.5 มม.

ที่ตำแหน่งตรงกลางของกระดอง เมื่อช่องว่างอากาศเท่ากัน ความต้านทานอุปนัยของขดลวด 3 และ 3' จะเท่ากัน ดังนั้นค่าของกระแสในขดลวดจะเท่ากับ I1 = I2 และผลลัพธ์ที่ได้ กระแสไฟในเครื่องเป็น 0

ด้วยการเบี่ยงเบนเล็กน้อยของเกราะในทิศทางเดียวหรืออีกทิศทางหนึ่งภายใต้อิทธิพลของค่าควบคุม X ค่าของช่องว่างและตัวเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนไปอุปกรณ์จะลงทะเบียน I1-I2 ที่แตกต่างกันในปัจจุบันซึ่งเป็นฟังก์ชันของกระดอง การเคลื่อนที่จากตำแหน่งตรงกลาง ความแตกต่างของกระแสมักจะถูกบันทึกโดยใช้อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้า 4 (ไมโครแอมมิเตอร์) ที่มีวงจรเรียงกระแส B ที่อินพุต

คุณสมบัติของเซ็นเซอร์อุปนัยคือ:

ขั้วของกระแสเอาต์พุตยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยไม่คำนึงถึงสัญญาณของการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ของขดลวด เมื่อทิศทางการเบี่ยงเบนของกระดองจากตำแหน่งตรงกลางเปลี่ยนไป เฟสของกระแสที่เอาต์พุตของเซ็นเซอร์จะเปลี่ยนแบบย้อนกลับ (180 °) เมื่อใช้วงจรเรียงกระแสที่ไวต่อเฟส การระบุทิศทางการเคลื่อนที่ของกระดองสามารถหาได้จากตำแหน่งตรงกลาง คุณลักษณะของเซ็นเซอร์อุปนัยแตกต่างที่มีตัวกรองความถี่เฟสมีดังนี้:

ข้อผิดพลาดในการแปลงเซ็นเซอร์อุปนัย

ความจุข้อมูลของเซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำถูกกำหนดโดยข้อผิดพลาดเป็นส่วนใหญ่เมื่อแปลงพารามิเตอร์ที่วัดได้ ข้อผิดพลาดทั้งหมดของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำประกอบด้วยองค์ประกอบข้อผิดพลาดจำนวนมาก

สามารถแยกแยะข้อผิดพลาดของเซ็นเซอร์อุปนัยต่อไปนี้ได้:

1) ข้อผิดพลาดเนื่องจากลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น องค์ประกอบการคูณของข้อผิดพลาดทั้งหมดเนื่องจากหลักการของการแปลงค่าที่วัดได้แบบอุปนัยซึ่งเป็นพื้นฐานของการทำงานของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำจึงมีความสำคัญและในกรณีส่วนใหญ่กำหนดช่วงการวัดของเซ็นเซอร์ ต้องมีการประเมินผลระหว่างการพัฒนาเซ็นเซอร์

2) อุณหภูมิผิดพลาด ส่วนผสมแบบสุ่มเนื่องจากพารามิเตอร์ที่ขึ้นกับอุณหภูมิจำนวนมากของส่วนประกอบเซ็นเซอร์ ข้อผิดพลาดของส่วนประกอบอาจถึงค่าที่มากและมีนัยสำคัญ เพื่อประเมินในการออกแบบเซนเซอร์

3) ข้อผิดพลาดเนื่องจากอิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก องค์ประกอบสุ่มของข้อผิดพลาดทั้งหมด เกิดขึ้นเนื่องจากการเหนี่ยวนำของ EMF ในเซ็นเซอร์ที่คดเคี้ยวโดยสนามภายนอก และเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงลักษณะแม่เหล็กของวงจรแม่เหล็กภายใต้อิทธิพลของสนามภายนอก ในสถานที่อุตสาหกรรมที่มีการติดตั้งระบบไฟฟ้ากำลัง ตรวจพบสนามแม่เหล็กที่มีการเหนี่ยวนำ T และความถี่ส่วนใหญ่ 50 Hz

เนื่องจากแกนแม่เหล็กของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำทำงานที่การเหนี่ยวนำที่ 0.1 — 1 T ส่วนแบ่งของสนามภายนอกจะอยู่ที่ 0.05-0.005% แม้ว่าจะไม่มีการป้องกันก็ตาม อินพุตหน้าจอและการใช้เซ็นเซอร์ดิฟเฟอเรนเชียลจะลดสัดส่วนนี้ลงประมาณสองลำดับความสำคัญ ดังนั้น ข้อผิดพลาดเนื่องจากอิทธิพลของสนามภายนอกควรได้รับการพิจารณาเฉพาะเมื่อออกแบบเซ็นเซอร์ที่มีความไวต่ำและไม่สามารถป้องกันได้อย่างเพียงพอ ในกรณีส่วนใหญ่ ส่วนประกอบข้อผิดพลาดนี้ไม่มีนัยสำคัญ

4) ข้อผิดพลาดเนื่องจากผลกระทบของสนามแม่เหล็ก เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เสถียรของการเสียรูปของวงจรแม่เหล็กระหว่างการประกอบเซ็นเซอร์ (ส่วนประกอบเพิ่มเติม) และเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงการเสียรูประหว่างการทำงานของเซ็นเซอร์ (ส่วนประกอบโดยพลการ) การคำนวณโดยคำนึงถึงการมีอยู่ของช่องว่างในวงจรแม่เหล็กแสดงให้เห็นว่าอิทธิพลของความไม่เสถียรของความเค้นเชิงกลในวงจรแม่เหล็กทำให้เกิดความไม่เสถียรของสัญญาณเอาต์พุตของเซ็นเซอร์คำสั่ง และในกรณีส่วนใหญ่ ส่วนประกอบนี้อาจถูกละเลยเป็นพิเศษ

5) ข้อผิดพลาดเนื่องจากเอฟเฟกต์สเตรนเกจของคอยล์ส่วนผสมแบบสุ่ม เมื่อพันขดลวดเซ็นเซอร์ ความตึงเชิงกลจะถูกสร้างขึ้นในเส้นลวด การเปลี่ยนแปลงของความเค้นเชิงกลเหล่านี้ระหว่างการทำงานของเซ็นเซอร์ส่งผลให้ความต้านทานของขดลวดเปลี่ยนไปเป็นกระแสตรง และทำให้สัญญาณเอาต์พุตของเซ็นเซอร์เปลี่ยนไป โดยปกติแล้วสำหรับเซ็นเซอร์ที่ออกแบบอย่างเหมาะสม กล่าวคือ ส่วนประกอบนี้ไม่ควรได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษ

6) การเบี่ยงเบนจากสายเชื่อมต่อ เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เสถียรของความต้านทานไฟฟ้าของสายเคเบิลภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิหรือการเสียรูป และเนื่องจากการเหนี่ยวนำของ EMF ในสายเคเบิลภายใต้อิทธิพลของสนามภายนอก เป็นองค์ประกอบสุ่มของข้อผิดพลาด ในกรณีที่ความต้านทานของสายเคเบิลไม่เสถียรข้อผิดพลาดของสัญญาณเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ ความยาวของสายเคเบิลเชื่อมต่อคือ 1-3 ม. และน้อยมาก เมื่อสายเคเบิลทำจากลวดทองแดงแบบภาคตัดขวาง ความต้านทานของสายเคเบิลจะน้อยกว่า 0.9 โอห์ม ความไม่เสถียรของความต้านทาน เนื่องจากอิมพีแดนซ์ของเซนเซอร์โดยทั่วไปมีค่ามากกว่า 100 โอห์ม ข้อผิดพลาดในเอาต์พุตของเซนเซอร์จึงอาจมีขนาดใหญ่ถึง ดังนั้นสำหรับเซ็นเซอร์ที่มีความต้านทานการทำงานต่ำ จะต้องประมาณค่าความผิดพลาด ในกรณีอื่น ๆ ก็ไม่มีนัยสำคัญ

7) ข้อผิดพลาดในการออกแบบสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของเหตุผลต่อไปนี้: อิทธิพลของแรงวัดต่อการเสียรูปของชิ้นส่วนเซ็นเซอร์ (สารเติมแต่ง) อิทธิพลของความแตกต่างของแรงการวัดต่อความไม่เสถียรของการเสียรูป (ทวีคูณ) อิทธิพลของ คำแนะนำของแท่งวัดระหว่างการส่งพัลส์การวัด (การคูณ) ความไม่เสถียรของการถ่ายโอนพัลส์การวัดเนื่องจากช่องว่างและระยะฟันเฟืองของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ (สุ่ม) ข้อผิดพลาดในการออกแบบนั้นพิจารณาจากข้อบกพร่องในการออกแบบเป็นหลัก องค์ประกอบเชิงกลของเซ็นเซอร์และไม่เฉพาะสำหรับเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ การประเมินข้อผิดพลาดเหล่านี้ดำเนินการตามวิธีการที่รู้จักในการประเมินข้อผิดพลาดของการส่งสัญญาณจลนศาสตร์ของอุปกรณ์วัด

8) ข้อผิดพลาดทางเทคโนโลยี เกิดขึ้นจากความเบี่ยงเบนทางเทคโนโลยีในตำแหน่งสัมพัทธ์ของชิ้นส่วนเซ็นเซอร์ (สารเติมแต่ง) การกระจายตัวของพารามิเตอร์ของชิ้นส่วนและขดลวดระหว่างการผลิต (สารเติมแต่ง) อิทธิพลของช่องว่างทางเทคโนโลยีและความรัดกุมในการเชื่อมต่อชิ้นส่วนและในไกด์ ( โดยพลการ).

ข้อผิดพลาดทางเทคโนโลยีในการผลิตองค์ประกอบเชิงกลของโครงสร้างเซ็นเซอร์ไม่ได้เฉพาะเจาะจงกับเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำ พวกเขาได้รับการประเมินโดยใช้วิธีการปกติสำหรับอุปกรณ์การวัดเชิงกล ข้อผิดพลาดในการผลิตวงจรแม่เหล็กและขดลวดเซ็นเซอร์ทำให้เกิดการกระจายตัวของพารามิเตอร์ของเซ็นเซอร์ และความยุ่งยากที่เกิดขึ้นในการรับประกันความสามารถในการใช้แทนกันได้ของโมดูลหลัง

9) ข้อผิดพลาดอายุเซ็นเซอร์องค์ประกอบข้อผิดพลาดนี้เกิดขึ้น ประการแรก เกิดจากการสึกหรอของชิ้นส่วนเคลื่อนไหวของโครงสร้างเซนเซอร์ และประการที่สอง เกิดจากการเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลาของคุณลักษณะทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจรแม่เหล็กของเซนเซอร์ ข้อผิดพลาดควรถือเป็นอุบัติเหตุ เมื่อประเมินข้อผิดพลาดเนื่องจากการสึกหรอ การคำนวณทางจลนศาสตร์ของกลไกเซ็นเซอร์ในแต่ละกรณีจะถูกนำมาพิจารณาด้วย ในขั้นตอนการออกแบบเซ็นเซอร์ ในกรณีนี้ ขอแนะนำให้ตั้งค่าอายุการใช้งานของเซ็นเซอร์ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ซึ่งในระหว่างนั้นข้อผิดพลาดในการสึกหรอเพิ่มเติมจะไม่เกินค่าที่ระบุ

คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวัสดุเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

ในกรณีส่วนใหญ่ กระบวนการที่เด่นชัดของการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะสิ้นสุดลงภายใน 200 ชั่วโมงแรกหลังจากการให้ความร้อนและการล้างอำนาจแม่เหล็กของวงจรแม่เหล็ก ในอนาคต สิ่งเหล่านี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงและไม่มีบทบาทสำคัญในข้อผิดพลาดโดยรวมของเซ็นเซอร์อุปนัย

การพิจารณาองค์ประกอบข้อผิดพลาดของเซ็นเซอร์แบบเหนี่ยวนำข้างต้นทำให้สามารถประเมินบทบาทในการก่อตัวของข้อผิดพลาดทั้งหมดของเซ็นเซอร์ได้ ในกรณีส่วนใหญ่ ปัจจัยที่กำหนดคือข้อผิดพลาดจากลักษณะที่ไม่ใช่เชิงเส้นและข้อผิดพลาดด้านอุณหภูมิของตัวแปลงแบบเหนี่ยวนำ