Взаимоиндуктивный бесконтактный датчик перемещений на основе металлопленочного чувствительного элемента

44

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

УДК 531.714.2

А. А. Трофимов

ВЗАИМОИНДУКТИВНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

A. A. Trofimov

INTER-INDUCTIVE CONTACTLESS PICK-UP OF MOVING ON BASIS OF METAL FILM SENSING ELEMENT

Аннотация. Рассмотрен вариант построения взаимоиндуктивного бесконтактного датчика перемещений с использованием металлопленочного чувствительного элемента, представляющего собой многослойную катушку индуктивности. Принцип работы датчика основан на изменении взаимоиндуктивной связи между возбуждающей и измерительной обмотками трансформатора с переменным воздушным зазором между датчиком и ферромагнитным якорем, связанным механически с объектом контроля. Разработанная блок-схема для бесконтактных амплитудно-фазовых датчиков позволяет на ранних стадиях проектирования датчиков перемещений существенно облегчить выбор конструкции в зависимости от требований по метрологическим, габаритно-массовым показателям и условиям эксплуатации. Полученные технические и эксплуатационные характеристики в сочетании с простотой и технологичностью конструкции позволяют применять разработанный датчик в измерительных и управляющих системах ракетно-космической и авиационной техники.

Abstract. A variant of the construction of Vzaimoinduktivnye noncontact displacement sensor using a metal-sensitive element, re-presenting a multilayer inductor. The principle of operation of the sensor is based on the change in the relationship between Vzaimoinduktivnye exciting and measuring windings of the transformer with variable air gap between the sensor and the ferromagnetic armature connected mechanically to the object of control. The block diagram for the amplitude and phase of contactless sensors allows the early stages of design pick-off greatly facilitate design choice depending on the metrological requirements, dimensions and weight parameters and operating conditions. The resulting technical and operational characteristics, combined with ease of manufacturability and design can be used to develop a sensor in measuring and control systems, rocket and space and aviation technology.

Ключевые слова: чувствительный элемент, датчики перемещений, катушка индуктивности, измерительная обмотка.

Key words: sensor element, gauges of movement, inductor, measuring coil.

Несмотря на высокий современный уровень развития науки и техники, проблемы физических измерений остаются актуальными из-за экстремальных условий эксплуатации первичных средств измерений (датчиков), какие имеют место в ракетно-космической технике, вооружении и военной технике. В том числе актуальны задачи измерения перемещений.

Надежным средством измерения перемещений в условиях воздействия жестких дестабилизирующих факторов (температура, удары, вибрация, влажность) являются взаимоиндуктивные датчики, получившие широкое распространение в ракетно-космической и авиационной

45

2015,№l(llJ

технике [1, 2], что привело к появлению большого разнообразия первичных преобразователей, отличающихся не только конструктивным исполнением, но и характером выходного сигнала.

Одной из особенностей существующих конструкций взаимоиндуктивных датчиков перемещений является наличие в них катушек индуктивности, состоящих из цилиндрического каркаса с намотанными на него рабочими и компенсационными обмотками. Недостатками таких конструкций являются:

- низкая технологичность, так как операции намотки, пропитки и заливки катушек трудно автоматизировать;

- невысокая надежность ввиду возможности повреждения изоляции проводов и, как следствие, межвитковые замыкания;

- пробой на корпус или сердечник;

- низкая повторяемость качества из-за ошибок при счете количества витков.

Для тех случаев, когда датчик работает в диапазоне температур от минус 50 до 100-150 оС и к нему предъявляются требования по высокой технологичности и низкой стоимости, на основе блок-схемы [3, 4] (рис. 1) была разработана конструкция взаимоиндуктивного металлопленочного датчика перемещений [2].

Рис. 1. Блок-схема бесконтактных амплитудно-фазовых датчиков перемещений

Блок-схема бесконтактного амплитудно-фазового датчика перемещений содержит источник переменного напряжения 1, рабочий 2 и компенсационный 3 трансформаторы с разомкнутыми магнитопроводами, рабочий якорь 4, закрепленный на объекте контроля, и компенсационный якорь 5, выполненные из диамагнитного токопроводящего, обладающего большой электропроводностью материала, масштабирующий контур 6, выполненный в виде последовательно включенных фазовращателя 7 и масштабирующего звена 8; сумматор 9, регистрирующий прибор 10.

Конструктивно первичная W\v, Щк и вторичная W2f, Ж2к обмотки рабочего и компенсационного трансформаторов 1 и 3 соответственно размещены на центральных стержнях Ж-образного сердечника, выполненного из ферромагнитного материала. Со стороны открытых торцов Ж-образного сердечника размещены компенсационный Як и рабочий Яр якори, выполненные в виде металлических пластин из диамагнитного электропроводящего материала (медь, латунь, алюминий и т.п.).

Конструкция датчика линейных перемещений с использованием металлопленочного чувствительного элемента представлена на рис. 2.

Датчик содержит ферромагнитный корпус 1, чувствительный элемент, состоящий из ферромагнитного сердечника 2 и компенсационного якоря 3, соединенных друг с другом с помощью диамагнитного винта 4. Между сердечником и компенсационным якорем установлена диамагнитная шайба 5, компенсирующая толщину донышка корпуса 1.

На сердечнике 2 расположены обмотки возбуждения 6, соединенные между собой последовательно-согласно, измерительная обмотка 8 и компенсационная обмотка 7, соединенные между собой последовательно-встречно (см. рис. 1), составляющие чувствительный элемент датчика.

46

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Рис. 2. Датчик с металлопленочными обмотками индуктивности

Металлопленочный чувствительный элемент представляет собой многослойную катушку индуктивности, сформированную следующим образом.

На заготовке из фольгированного полиимида марки ПФ2 формируются элементы обмотки индуктивности в виде спиралей. Внутренние концы спиралей соединяются между собой через сквозное металлизированное отверстие, а наружные концы соседних спиралей на одной и той же стороне заготовки соединены с помощью проводников (рис. 3). Соединение спиралей и их направление выполнены таким образом, чтобы было обеспечено их последовательное соединение при формировании обмотки ЧЭ. От первой и последней спиралей на периферии формируются контактные площадки.

Рис. 3. Элементы металлопленочной катушки индуктивности

Заготовку печатной платы получают методом фотолитографии по техпроцессу изготовления печатных плат. Затем рисунки обмоток индуктивности покрывают изоляционным материалом и термообрабатывают. Далее из плоской заготовки, последовательно сгибая ее по границам между соседними обмотками индуктивности, сформированными на одной плоскости диэлектрической подложки (полиимида), накладывая эти рисунки друг на друга, получают многослойную конструкцию, после чего производят уплотнение полученной многослойной конструкции (прессование) и термообработку для придания монолитности. К контактным площадкам катушки припаиваются выводы.

Принцип работы датчика основан на изменении взаимоиндуктивной связи между возбуждающей и измерительной обмотками трансформатора с переменным воздушным зазором Х между датчиком и ферромагнитным якорем 9, связанным механически с объектом контроля (см. рис. 2).

Значение индуктивности катушки равно сумме индуктивностей витков. Индуктивность витка прямоугольного сечения при низкой частоте определяется по формуле [5]

Lb = ^ rF,

2п

где r - радиус осевой линии провода прямоугольного сечения; F - коэффициент для квадратной плоской катушки.

Так как в нашем случае виток выполнен в виде спирали (рис. 4), значение радиуса определяется выражением

47

2015,№l(llJ

r • + r

Г _ min max

где rmin и rmax - минимальное и максимальное значения радиуса осевой линии.

2

Ъ

1

1 I 77Z Ш сз

г f*max

Рис. 4. Спиральное кольцо прямоугольного сечения Тогда выражение (1) примет вид

lb _

Мц( r

+ r )

min ma^ f

4n

В соответствии с [5] значение F может быть определено из экспериментальных кривых в зависимости от соотношения геометрических размеров витка а, b, rmax, rmin по значениям у и а b

р, где у —--------, а р—----------.

rmin + rmax rmin + rmax

Здесь а и b - размеры поперечного сечения провода в осевом и радиальном направлениях. Кроме того, значение индуктивности витка можно определить аналитическим путем из выражения

-0,5 I.

т _..

LB _Mt) I 1n , ,

2 ^ a + b

Индуктивность всей катушки будет определяться выражением

Тк _ ТвХспв,

где Хс - число слоев катушки; пв - число витков в слое.

Связь между индуктивностью и выходной ЭДС описывается выражением [6]

2

ю ILL I 2

------— • (га2

R + Jq>L '

- п

где R + J&L - полное магнитное сопротивление магнитной цепи; I - синусоидальный переменный ток; L - индуктивность компенсационного и рабочего якорей; L1 - индуктивность рабочей и компенсационной обмоток; тип- коэффициенты связи, которые являются сложными функциями средних диаметров обмоток их длин, а также зазоров Х и М (см. рис. 2).

Полученные технические и эксплуатационные характеристики в сочетании с простотой и технологичностью конструкции позволяют рекомендовать разработанный датчик для применения в измерительных и управляющих системах ракетно-космической и авиационной техники.

Список литературы

1. Трофимов, А. А. Методическая погрешность расчета магнитных потоков трансформаторных датчиков / А. А. Трофимов // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. -2013. - № 4 (6). - С. 9-15.

2. Трофимов, А. А. Взаимоиндуктивные датчики перемещений : моногр. / А. А. Трофимов, А. Н. Трофимов. - Пенза, 2009. - 174 с.

3. Трофимов, А. А. Трансформаторные датчики перемещений с расширенным диапазоном измерений / А. А. Трофимов, Н. Д. Конаков // Датчики и системы. - 2005. - № 9. - С. 8-10.

4. Гаврилов, В. А. Система измерения линейных перемещений С 085 / В. А. Гаврилов, А. А. Трофимов // Датчики и системы. - 2005. - № 9. - С. 44-46.

48

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

5. Калантаров, П. Л. Расчет индуктивностей : справочная книга / П. Л. Калантаров, Л. А. Цейтлин. - Л. : Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.

6. Середенин, В. М. Измерительные устройства с высокотемпературными трансформаторными датчиками перемещения / В. М. Середенин. - Л. : Энергия, 1968. - 82 с.

Трофимов Алексей Анатольевич

доктор технических наук, доцент, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: alex.t1978@mail.ru

Trofimov Aleksey Anatol'evich

doctor of technical sciences, associate professor, sub-department of information and measuring equipment,

Penza State University

УДК 531.714.2 Трофимов, А. А.

Взаимоиндуктивный бесконтактный датчик перемещений на основе металлопленочного чувствительного элемента / А. А. Трофимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2015. - № 1 (11). - С. 44-48.