Дифференциально-трансформаторный датчик линейных перемещений

Дифференциально-трансформаторный датчик линейных перемещений относится к области приборостроения и может быть использован в обратной связи систем управления приводных механизмов космической, авиационной техники, оборудования нефтяной и газовой промышленности для контроля за перемещением штоков. Совершенствование обратной связи систем управления включает в себя использование положительных результатов работы в части миниатюризации датчиков линейного перемещения. Одним из направлений миниатюризации является встраивание датчиков внутрь штоков приводных механизмов. В рассматриваемом датчике этот вопрос решается за счет выбора соотношения длин активных составляющих датчика. Длины сердечника, наружного магнитопровода и катушки равны между собой. При этом выборе распределения силовых линий магнитного поля в пределах рабочего хода датчика (±5 мм) наиболее равномерное, что позволило применить рядовую намотку обмоток первичной и вторичной цепей, сократить до минимума число слоев в обмотках первичной и вторичной цепей датчика и, как следствие, получить минимальный диаметр корпуса. Изготовлен образец датчика на рабочий ход (±5 мм). Длина корпуса образца составила 47 мм, диаметр корпуса - 11 мм, масса - 35 г. По результатам проверок при напряжении питания 3 В и частоте переменного тока синусоидальной формы 4000 Гц нелинейность выходной характеристики образца каждого из двух выходов не превысила ±0,3%, а ток потребления составил не более 20 мА. Полученные габаритные размеры и точностная характеристика датчика (нелинейность выходной характеристики) позволяют устанавливать его внутрь штоков приводных механизмов диаметром 15 мм и более.

Дифференциально-трансформаторный датчик линейных перемещений относится к области приборостроения и может быть использован для измерения линейных перемещений рабочих органов механизмов.

Известны дифференциальные трансформаторы, содержащие коаксиально расположенные обмотку возбуждения и рабочую обмотку и перемещающийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник, с весьма высокой точностью при стабильных входных и выходных параметрах (нагрузка) и при использовании начального участка выходной характеристики [Шидлович А.Х. Дифференциальные трансформаторы и их применение. Л., «Энергия», 1966 г. ].

В известном дифференциально-трансформаторном преобразователе линейных перемещений, содержащем цилиндрический магнитопровод, соосно размещенные внутри него и включенные последовательно-встречно секции измерительной обмотки, размещенную между ними обмотку возбуждения и установленный на их оси с возможностью перемещения ферромагнитный якорь, повышение точности предложено за счет уменьшения нелинейности с помощью корректирующей обмотки, которая включена последовательно-встречно с обмоткой возбуждения и имеет длину, равную суммарной длине обмоток возбуждения и измерительных обмоток [А.с. СССР 1569525, М., 07.06.90. БИ 21].

Основной недостаток вышеприведенных датчиков - сравнительно невысокая точность в жестких условиях эксплуатации при колебании напряжения питания, частоты, температуры, давления (ухудшение теплоотдачи в вакууме), характерных, например, для авиации и космонавтики и, что особенно важно, при непременном условии минимальных габаритов и массы.

В известном индуктивном датчике линейных перемещений за счет уничтожения емкостных связей во вторичных катушках датчик становится самоконтролируемым и менее зависимым от частоты питания. В одном из исполнений предусмотрена регулировка чувствительности за счет взаимного перемещения двух каркасов, на которых намотаны вторичные обмотки. Каждая вторичная обмотка содержит обмотку с неизменным по ходу числом витков и обмотку с линейно меняющимся по длине числом витков, намотанных в «лесенку», соединенными последовательно [Патент 2587.795, Франция, 27.03.1987., "Индуктивный датчик линейного перемещения"].

Известен преобразователь, содержащий первичную обмотку, намотанную вокруг первого цилиндрического каркаса, в котором расположен канал с сердечником подвижным в аксиальном направлении, первую вторичную обмотку, намотанную вокруг первичной обмотки и вторую вторичную обмотку, намотанную на втором цилиндрическом каркасе, и которая охватывает первую вторичную обмотку.

Первая вторичная обмотка состоит из двух частей: часть с рядовой намоткой (виток к витку по всей длине каркаса) и ступенчатая часть, которые электрически соединены одна с другой в фазе, и вторая вторичная обмотка состоит из двух подобных частей, которые электрически соединены между собой в противофазе.

Выходные сигналы вторичных обмоток объединены так, чтобы получить результирующий сигнал отношения их суммы к разности.

Расположение вторичных обмоток на отдельных каркасах позволяет изменять их взаимное положение по оси, чтобы регулировать выходные характеристики преобразователя.

Секции вторичных обмоток, формирующие первый вторичный выход соединены между собой последовательно - согласно, тогда как секции, формирующие второй вторичный выход соединены между собой последовательно - встречно. Таким образом, когда на первичную обмотку подано питание, результирующие напряжения первого и второго вторичных выходов изменяются в линейной функциональной зависимости от перемещения сердечника и представляют собой зависимости, которые параллельны и сдвинуты одна относительно другой. Напряжения вторичных выходов объединены в результирующий сигнал r=(v1+v2)/(v1-v2), зависящий только от координаты перемещения и очень нечувствительный к изменениям температуры и колебаниям напряжения, подаваемого на первичную обмотку.

При обрыве одной из вторичных обмоток (v1 или v2=0) преобразователь самоконтролируется, выявляется отказ [Патент 4,694, 246, США, 15.09.1987., "Преобразователь перемещения"].

Недостаток такого датчика - увеличенные габаритные размеры, связанные с использованием взаимно перемещающихся каркасов с обмотками, охватывающих друг друга.

В перечисленных выше датчиках намотка с меняющейся плотностью распределения витков для обеспечения высокой линейности выходной характеристики препятствует уменьшению диаметрального размера корпуса.

Для достижения точности измерения в жестких эксплуатационных условиях используется инвариантная схема построения датчика, когда выходной характеристикой является отношение разности напряжений выходных полуобмоток U₂₁ и U₂₂ к их сумме (U ₂₁+U₂₂):

Из выражения (1) видно, что Y является безразмерной величиной и любое изменение U₂₁ или U ₂₂ от внешних факторов (напряжения питания, температура, частота и пр.) не приводит к изменению величины Y как частного от деления этих величин. Кроме того, в выражение (1) не входит напряжение питания U₁, вследствие чего изменение активного сопротивления обмотки возбуждения также не сказывается на величине Y.

При реализации инвариантной схемы погрешность измерения датчика определяется только нелинейностью и технологическим разбросом крутизны выходной характеристики.

В общем случае и (U₂₁-U₂₂), и (U₂₂ +U₂₁) в функции перемещения являются величинами нелинейными. Для получения линейной величины Y необходима намотка секций измерительной обмотки с переменной плотностью витков по длине, т.е. необходимо найти такой закон изменения w₂(x), чтобы частное Y от деления двух нелинейных функций (U₂₁-U₂₂ ) и (U₂₁+U₂₂) было бы линейным.

У всех вышеперечисленных датчиков длина подвижной части составляет не более длины секции измерительной обмотки. Переменная плотность распределения витков по длине намотки секций измерительных обмоток позволяет получить высокую линейность выходной характеристики, но не дает возможность кардинально решить вопрос об уменьшении диаметральных размеров датчиков.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является:

- получение линейного участка выходных характеристик у датчика с инвариантной схемой построения и дублированными обмотками для измерения перемещения с повышенной точностью как в нормальных условиях, так и в жестких условиях эксплуатации (от колебания напряжения питания, частоты, температуры, давления, от вибрационных, ударных, линейных ускорений и других) при минимальном диаметре корпуса, что позволяет встраивать датчик внутрь штока приводного механизма с целью измерения перемещения штока.

Улучшение линейности при минимальном диаметре корпуса связано с получением необходимого закона распределения силовых линий магнитного поля, создаваемого датчиком, в диапазоне его рабочего хода для равномерного распределения витков в слоях обмоток первичной и вторичной цепей. Необходимый закон распределения силовых линий зависит от соотношения длины сердечника, наружного магнитопровода, длины и высоты намотки обмоток первичной и вторичной цепей. При равномерном распределении витков количество слоев вторичных обмоток сводится до минимума, что позволяет приблизить среднюю силовую линию магнитного потока, создаваемого обмотками возбуждения к оси сердечника и улучшить равномерность распределения силовых линий магнитного поля в пределах заданного рабочего хода датчика, а следовательно, и линейность выходных характеристик.

Указанный технический результат достигается путем сведения до минимума числа ступеней в измерительных обмотках и числа витков в обмотках возбуждения за счет выбора длины сердечника, равной длине наружного магнитопровода и длине обмоток первичной и вторичной цепей. Увеличении длины сердечника до длины, занимаемой обмотками, вызывает уменьшение сопротивления магнитной системы датчика, что приводит к уменьшению намагничивающей силы, необходимой для обеспечения заданного тока потребления, и, как следствие, к уменьшению числа витков в обмотках возбуждения.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема предлагаемого датчика. Датчик (фиг. 1) содержит корпус 1 из немагнитной стали, наружный магнитопровод 2 из ферромагнитной стали, служащий для уменьшения энергопотребления и защиты от воздействия внешних магнитных полей, отпрессованный пластмассовый каркас 5, на котором расположены равновеликие секции двух дублированных измерительных обмоток 4 и дублированные обмотки возбуждения 3, сердечник 6, тяга 7, служащая для связи с объектом, перемещение которого измеряется.

Дублированные обмотки возбуждения выполнены в два провода рядовой намоткой виток к витку по всей длине каркаса, так, что каждый виток одной обмотки следует за витком другой.

Каждая измерительная обмотка занимает всю длину каркаса и состоит из двух симметрично расположенных относительно его центра равновеликих секций, соединенных между собой последовательно-встречно. Секции разных измерительных обмоток, расположенные на одинаковых частях каркаса, попарно выполнены рядовой намоткой, так, что каждый виток секции одной обмотки следует за витком секции другой.

Измерительные обмотки не имеют между собой гальванической связи.

Датчик работает следующим образом.

На обмотки возбуждения подается напряжение переменного тока. В цепи этих обмоток протекает ток, который создает намагничивающую силу. Под действием намагничивающей силы возникает магнитный поток, взаимодействующий с витками секций измерительных обмоток и замыкающийся вокруг обмотки возбуждения. Часть потока проходит по сердечнику, а часть по воздуху. Когда сердечник располагается на электрической нейтрали, поток симметричен относительно секций измерительных обмоток, ЭДС, наведенные в секциях, равны. Перемещение сердечника влево или вправо от электрической нейтрали вызывает увеличение потокосцепления одной пары секций и уменьшение другой пары. Соответственно изменяются и выходные напряжения секций, которые увеличиваются или уменьшаются в зависимости от направления перемещения сердечника. При этом, как показано на фиг. 3, для датчика с ходом ±5 мм, при линейном характере изменения U₂₁ и U₂₂, а следовательно {U₂₁ -U₂₂) и (U₂₁+U₂₂) от перемещения сердечника х, текущие значения выходной характеристики Y по выражению (1) увеличиваются пропорционально перемещению.

Отношение текущего значения выходной характеристики Y к соответствующему перемещению сердечника определяет крутизну выходной характеристики датчика.

Измерительные обмотки обеспечивают при работе датчика две идентичные выходные характеристики или два выхода датчика (первый и второй), дублирующих друг друга. В случае неисправности в одной из измерительных обмоток (обрыв или короткое замыкание) один из выходов остается работоспособным.

Экспериментально проверены выходные характеристики датчика с двумя измерительными обмотками и рабочим ходом ±5 мм. Длина сердечника датчика равна длинам, занимаемым на каркасе обмоткой возбуждения и измерительными обмотками, и длине наружного магнитопровода. Характеристики проверены при напряжении питания 2 В и частоте переменного тока синусоидальной формы 4000 Гц и сопротивлении нагрузки в каждой секции измерительных обмоток 20 кОм. Ток потребления датчика составил не более 0,02 А.

Зависимости U₂₁ и U₂₂, Y от перемещения сердечника для одного из двух выходов датчика с ходом 5 мм представлены на фиг. 2, а зависимость n (нелинейность выходной характеристики как относительная погрешность измерения положения сердечника) от перемещения сердечника - на фиг. 3.

Аналогичные зависимости имеет и другой выход датчика.

Масса датчика составила 35 г, диаметр корпуса - 11 мм, длина корпуса - 47 мм.

Полученные результаты испытаний дают возможность использовать датчик внутри штоков приводных механизмов диаметром 15 мм и более для измерения их перемещения в пределах ±5 мм.

Дифференциально-трансформаторный датчик линейных перемещений, содержащий коаксиально расположенные магнитопровод, дублированные обмотки возбуждения, дублированные измерительные обмотки, состоящие из симметрично расположенных относительно их центра равновеликих секций, и перемещающийся внутри обмоток ферромагнитный сердечник, в котором информацией о перемещении сердечника является безразмерная величина от деления разницы напряжений секций измерительных обмоток на их сумму, отличающийся тем, что длины его сердечника, магнитопровода, обмоток возбуждения, общая длина измерительных обмоток равны между собой.