Магнитные сенсоры. Сенсоры на сквидах. Индуктивные сенсоры

12.4. Индуктивные сенсоры

В индуктивных сенсорах используют свойства катушек индуктивности. Принцип действия так называемого "поперечного" индуктивного сенсора [ [ 325 ] ] показан рис. 12.10.

Рис. 12.10. Принцип действия поперечного индуктивного сенсора: 1 – катушка индуктивности с ферритовым сердечником; 2 – объект из ферромагнитного материала; 3 – измеритель индуктивности

Чувствительная катушка индуктивности 1 намотана на половине тороида или кольца из феррита. Когда через катушку пропускают электрический ток, то статическое магнитное поле, выходящее из открытых торцов полукольца, пронизывает часть близлежащего пространства. Если в это чувствительное пространство попадает объект 2 из ферромагнитного материала, то он влияет на конфигурацию магнитного поля. Вследствие этого изменяется индуктивность катушки 1, что фиксируется измерителем 3. Чем ближе объект к сердечнику, тем лучше замыкает он магнитный поток, тем больше индуктивность катушки. Такого рода сенсоры с успехом применяют, например, для восприятия закрывания/открывания дверей, ворот, крышек, приближения объектов из ферромагнитных материалов и т.д. К этому виду сенсоров относятся и некоторые традиционные индуктивные головки для считывания информации с магнитных носителей.

На рис. 12.11 показан принцип действия индуктивных сенсоров с " дифференциальным трансформатором ". Такой трансформатор состоит из первичной обмотки и двух вторичных и из одинакового числа витков, намотанных навстречу друг другу. На первичную обмотку подают переменное синусоидальное напряжение . Оно наводит во вторичных катушках тоже переменное напряжение. Когда между катушками нет никаких объектов, первичную катушку регулируют так, чтобы переменные напряжения во вторичных катушках были одинаковыми. Тогда напряжение на выходе дифференциального трансформатора получается равным нулю.

Рис. 12.11. Принцип действия индуктивных сенсоров с дифференциальным трансформатором

Если в пространство между катушками попадает ферромагнитная деталь (это может быть и не сам объект наблюдения, а кинематически связанная с ним деталь, например, соединённая с помощью тросика), то индуктивная связь первичной катушки с вторичными изменяется. Напряжения во вторичных катушках становятся разными, и на выходе дифференциального трансформатора появляется напряжение, отличающееся от нуля. Его величина и фаза являются функциями от координаты ферромагнитной детали. В других вариантах сама первичная катушка индуктивности является подвижной, кинематически связанной с объектом наблюдения.

Если есть два объекта и надо контролировать симметрию их взаимного положения, то вторичные обмотки кинематически связывают с каждым из них, а первичная катушка остается неподвижной.

Принцип действия индуктивных сенсоров третьего типа ("вихревых") иллюстрирует рис. 12.12.

Рис. 12.12. Слева – конструкция "вихревого" индуктивного сенсора: 1 – ферромагнитный сердечник, 2 – катушка индуктивности, 3 – металлический объект. Справа – блок-схема сенсора

Слева в поперечном сечении показан круглый ферритовый сердечник 1, в который вставлена катушка индуктивности 2. Справа показана функциональная схема сенсора. Катушка индуктивности 2 является составной частью колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. В катушке возникают колебания магнитного поля, которые из открытой стороны ферритового сердечника выходят наружу. Они остаются довольно сильными до расстояний порядка радиуса сердечника.

Если в эту "зону чувствительности" попадает какой-либо металлический или другой предмет, проводящий ток, то в нем индуктируются вихревые электрические токи, которые отбирают часть энергии колебательного контура. Из-за этого амплитуда колебаний в нем уменьшается. Это уменьшение можно измерять и формировать выходные сигналы, зависящие от расстояния до предмета, от его размеров и от его электропроводности. На этом принципе можно строить сенсоры приближения предметов, не обязательно ферромагнитных, а из любых электропроводящих материалов. Можно также измерять толщину этих материалов, их электрическое сопротивление, обнаруживать дефекты в металлических изделиях и т.д.

Ныне серийно выпускаются уже сотни видов индуктивных сенсоров. Фотоснимок на рис. 12.13 иллюстрирует серии индуктивных сенсоров приближения фирмы Wachendorff Elektronik.

Рис. 12.13. Экранированные индуктивные сенсоры фирмы Wachendorff Elektronik

Выполненные в корпусах из нержавеющей стали или из никелированной латуни, они являются стойкими даже к воздействию наводок от электросварки, производимой на расстоянии нескольких метров. Диаметр наименьших индуктивных сенсоров – 3 мм, наибольших – 30 мм. Расстояния, на которых сенсоры дистанционно срабатывают, охватывают диапазон от 0,4 мм до 40 мм. Частота переключений может быть до 5 кГц [http://www.megasensor.com].

На рис. 12.14 показаны некоторые из индуктивных сенсоров фирмы Klaschka Gmb & Co. KG, рассчитанные на работу в жестких промышленных условиях, в том числе и особых условиях. Они сконструированы для концевых реле, реле переключения и защиты, для работы на микроконтроллеры и информационные шины [ [ 226 ] ]. Среди них – металлоискатели, сенсоры распознавания цветных металлов и т.п.

Рис. 12.14. Разные виды "вихревых" индуктивных сенсоров

На рис. 12.15 показана функциональная схема индуктивного сенсора скорости вращения и углового положения вала.

Рис. 12.15. Сенсор углового положения и скорости вращения вала: 1 – индуктивный сенсор приближения; 2 – измерительный диск; 3 – контролируемый вал; 4 – кронштейн, на котором укреплен сенсор 1

На вал 3, который надо контролировать, насаживают пластмассовый измерительный диск 2. На его выступах размещены металлические пластины. Когда во время вращения вала они проходят мимо сенсора приближения 1, на его выходе появляется сигнал. Если пластины имеют разную толщину, размеры или сделаны из разных металлов, то сенсор приближения выдает разные сигналы. Электронная схема, на которую поступают эти сигналы, распознает их и выдает в заданном формате информацию об угловом положении, направлении и скорости вращения вала.

Миллионы индуктивных сенсоров для всех областей автоматизации выпускают фирмы Pepperl+Fuchs Gmb, Balluff, Turck [227], российское предприятие "Сенсор", украинское "Гейзер" [http://www.geyser.dp.ua/auto/sensor/] и многие другие.

Краткие итоги

Механические и магнитные свойства железных, стальных, чугунных и других изделий из ферромагнитных материалов прямо определяются их составом и микрокристаллической структурой. Поэтому, измеряя их магнитные свойства – магнитную проницаемость, коэрцитивную силу, магнитную индукцию насыщения, кривую гистерезиса и т.д., можно контролировать соблюдение технологических режимов их изготовления и механические свойства. На этом основана магнитодиагностика указанных материалов. В режиме магнитной дефектоскопии обнаруживают невидимые дефекты изделий (внутренние пустоты, трещины, посторонние включения). В режиме магнитоструктурного анализа по кривым гистерезиса определяют состав и мелкокристаллическую структуру, делают диагностические выводы.

Известными магнитными сенсорами являются магнитные считывающие головки для считывания данных с магнитных носителей информации (с магнитных лент, дисков, барабанов, карточек и т.п.). Ныне для считывания все шире применяют магниторезистивные головки, которые стали меньше, чувствительнее, надёжней. Особенно большие возможности открыл т.н. "экстраординарный магниторезистивный эффект", который используют в головках для сверхбыстрой, сверхбольшой и сверхплотной магнитной памяти.

Наиболее чувствительные магнитные сенсоры используют явление сверхпроводимости и эффекты Джозефсона. Чувствительность наилучших сверхпроводящих магнитометров по магнитному потоку достигает , а по магнитной индукции – 10^-13 Тл. И эта чувствительность не зависит от уровня постоянной составляющей магнитного поля, т.е. совсем небольшие изменения можно измерять на фоне сильного постоянного магнитного поля. Такие магнитометры строят на сквидах ( сверхпроводящих квантовых интерферометрах ) постоянного и переменного тока. На их основе построены и уже успешно функционируют такие интеллектуальные магнитные сенсоры, как магнитокардиографы, магнитоэнцефалографы и сканирующие сквид-микроскопы.

Индуктивные сенсоры, использующие свойства катушек индуктивности, строят с использованием "поперечного" или "вихревого" принципа действия либо по схеме " дифференциального трансформатора ". Промышленность серийно выпускает миллионы индуктивных сенсоров (концевые реле, реле переключения и защиты, металлоискатели, сенсоры приближения и распознавания цветных металлов и т.п.) для всех областей автоматизации.