ИНДУКТИВНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
INDUCTIVE DISPLACEMENT SENSOR

изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения взаимных перемещений различных объектов, в том числе отдельных участков деформируемых тел.
Известен индуктивный датчик положения, содержащий два диода, ферромагнитный сердечник с двумя катушками, образующими два плеча моста переменного тока (авт. свид. СССР 357473, МПК G01D 5/20, 1972). При перемещении сердечника относительно катушек их индуктивности изменяются, и на выходе устройства появляется сигнал, пропорциональный перемещению сердечника. Недостатком известного устройства является сложность конструкции (две взаимосвязанные катушки и сердечник), малый уровень выходного напряжения, требующий дополнительного усиления, низкая помехозащищенность и низкая температурная стабильность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является индуктивный датчик перемещений, содержащий катушку индуктивности и сердечник, устанавливаемые на взаимно перемещающиеся объекты, генератор переменного напряжения, два диода и конденсатор (патент на изобретение RU 2221988, МПК G01В 7/14, 2004 - прототип). При перемещении сердечника относительно катушки индуктивность последней изменяется, и на выходе устройства появляется сигнал, пропорциональный перемещению сердечника.
Недостатком известного устройства является низкий уровень выходного напряжения, обусловленный тем, что измерительная система индуктивного датчика построена на методе измерения индуктивного сопротивления катушки. Это требует дополнительного усиления выходного сигнала, что приводит к низкой помехозащищенности и температурной нестабильности.
Предлагаемое изобретение направлено на улучшение чувствительности датчика, увеличение базы измерения (расстояния между взаимно перемещаемыми объектами), улучшение помехозащищенности и термостабильности датчика, на расширение возможности подключения выхода датчика к широкому классу регистрирующих приборов, в том числе и к компьютеру через АЦП, на расширение функциональных возможностей, заключающихся в том, что датчик может быть использован не только для статических и медленно протекающих процессов, но и динамических до частоты не более 30 Герц.
Данный результат достигается тем, что индуктивный датчик перемещений, содержащий индукционную катушку и ферромагнитный сердечник, устанавливаемые на взаимно перемещающиеся объекты, снабжен генератором прямоугольных импульсов, подключенным на вход генератора стабильного тока, который соединен с индукционной катушкой, подключенной на вход амплитудного детектора, связанного с устройством индикации.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства от наиболее близкого технического решения является то, что оно снабжено генератором прямоугольных импульсов, подключенным на вход генератора стабильного тока, который соединен с индукционной катушкой, подключенной на вход амплитудного детектора, связанного с устройством индикации.
Наличие генератора стабильного тока, управляемого генератором прямоугольных импульсов позволяет увеличить уровень ЭДС, поступающий с катушки и тем самым улучшить метрологические характеристики датчика (чувствительность, диапазон измерения, термостабильность) и помехозащищенность.
Низкое выходное сопротивление амплитудного детектора обеспечивает подключение практически любого измерительного прибора постоянного напряжения: авометр, тестер, цифровой мультиметр, АЦП компьютера в качестве устройства индикации.
Высокий уровень полезного сигнала обеспечивает высокую помехозащищенность датчика и температурную стабильность.
Достаточно высокая частота генератора прямоугольных импульсов (частота 3-6 кГц) и оптимальная настройка амплитудного детектора (время интегрирования 0.01-0.03 сек.) позволяют регистрировать изменения относительного перемещения в 50-100 мм с частотой до 30 Гц.
Изобретение поясняется чертежом, где показана схема расположения индукционной катушки и ферромагнитного сердечника на взаимно перемещающихся объектах и структурная схема устройства.
Индуктивный датчик перемещений содержит генератор прямоугольных импульсов 1, подключенный на вход генератора стабильного тока 2, выход которого соединен с индукционной катушкой 3, установленной на одном из взаимно перемещающихся объектов 5 и ферромагнитный сердечник 4, установленный на другом объекте 6. Датчик содержит амплитудный детектор 7, подключенный на выход индукционной катушки и устройство индикации 8, связанное по входу с амплитудным детектором.
Устройство работает следующим образом. После установки индукционной катушки 3 на один из взаимно перемещающихся объектов 5 и ферромагнитного сердечника 4 на другой объект 6 включается генератор прямоугольных импульсов 1. Устанавливается частота и амплитуда генератора прямоугольных импульсов. Эти параметры определяют режим работы генератора стабильного тока 2. Генератор стабильного тока 2 во время его активной фазы закачивает необходимую энергию в индукционную катушку 3 датчика. Во время его неактивной фазы ЭДС катушки 3 поступает на вход амплитудного детектора 7, импульсы ЭДС интегрируются и в виде однополярного напряжения поступают на вход устройства индикации 8. При перемещении ферромагнитного стержня 4 внутри катушки 3 изменяется индуктивность катушки, что приводит к пропорциональному изменению ЭДС и выходного напряжения амплитудного детектора 7. Таким образом, выходное напряжение амплитудного детектора 7 и информация на устройстве индикации 8 будут пропорционально изменяться при относительном перемещении катушки 3 и сердечника 4.
Генератор прямоугольных импульсов является задающим элементом амплитуды и рабочей частоты датчика. Он обеспечивает работу генератора стабильного тока, необходимого для поддержания неизменного (фиксированного) ударного тока, поступающего на индукционную катушку во время его активной фазы работы. Стабильный ударный ток обеспечивает накачку энергией индукционную катушку во время активной фазы генератора тока. Поскольку ударный ток стабилизирован, то ЭДС индукции, возникающая в катушке во время неактивной фазы генератора тока, достигает амплитуды в 2-3 раза большей, чем максимальное напряжение, поступающее с генератора тока в активной фазе его работы. Индукционная катушка имеет хорошую добротность при малом активном сопротивлении. ЭДС индукции в виде импульсов обратной полярности по отношению к импульсам генератора стабильного тока поступает на амплитудный детектор, который интегрирует импульсы ЭДС и обеспечивает получение на выходе однополярного напряжения с амплитудой, пропорциональной величине ЭДС в текущий момент времени. При неизменных параметрах задающего генератора прямоугольных импульсов и генератора стабильного тока величина ЭДС прямо пропорциональна индуктивности катушки, которая определяется относительным положением ферромагнитного сердечника и катушки. Таким образом, выходное напряжение с амплитудного детектора пропорционально перемещению ферромагнитного сердечника. Выходное напряжение имеет максимальное значение, примерно равное половине питающего напряжения генератора тока, не требует дополнительного усиления и может быть измерено любым стрелочным или цифровым прибором, используемым в качестве устройства индикации, а также через АЦП передано в компьютер для обработки.