3.1 Индуктивные аналоговые преобразователи

Измерительные приборы с индуктивными аналоговыми преобразователями (ИП)  заняли доминирующее положение  среди электронных приборов для линейных измерений в диапазоне до 5-10 мм благодаря целому ряду несомненных  преимуществ по сравнению с другими типами механических приборов и электрических преобразователей. ИП оснащают многочисленные цеховые контрольные приборы и приспособления, приборы активного контроля в автоматическом и электрических безлюдном производстве, а также лабораторные поверочные приборы, в том числе для аттестации и  поверки индикаторов и концевых мер длины.

ИП выгодно отличают относительная простота конструкции, достаточно высокая   мощность выходного сигнала,  малые  размеры, высокая точность и надежность, пониженная чувствительность к изменению условий окружающей среды и помехам, сочетание хороших динамических свойств с возможностью передачи сигнала на сравнительно большое расстояние (до 10 –15 м) с минимальными искажениями и потерями и низкая цена.

ИП давно пытались применить для линейных измерений. У первых ИП магнитопроводы изготавливали из шихтованного железа, а их катушки питали током промышленной частоты (50 Гц).   ИП были громоздкими по размерам, имели большое  измерительное усилие и нелинейную характеристику.

Серьезное изменение в конструкции и характеристиках ИП произошло с применение в них мягких ферритов. Магнитопровод и якорь начали изготавливать из ферритов с высоким  коэффициентом магнитной проницаемости 2000-6000 гс/э. Катушки ИП начали запитывать переменным током частотой 7-15 кГц. Эти новшества  резко изменили конструкцию и метрологические характеристики ИП. Размеры ИП существенно уменьшились и их стало удобно встраивать в приборы и контрольные приспособления. Уменьшилось измерительное усилие ИП. И главное  улучшились метрологические характеристики ИП,  линейность и помехоустойчивость. В результате все фирмы, выпускающие измерительную технику для линейных измерений, начали разрабатывать ИП. Было разработано большое количество конструкций ИП ,и в конце концов, пришли к одной практически унифицированной конструкции, которую выпускают все фирмы в настоящее

      Рис. 3.1.1  Принципиальные схемы и характеристики ИП с изменяющейся длиной воздушного зазора:

     а — одинарный преобразователь; в — одинарный преобразователь, включенный в дифференциальную схему;  д –  дифференциальный преобразователь; 1 – якорь преобразователя;  2 — обмотка;  3 — магнитопровод; 4 — компенсационная обмотка.

время.

Долгое время широко применяли не дифференциальные, квазидифференциальные и дифференциальные   преобразователи (рис. 3.1.1), работающие по площади, которые обеспечивали высокую чувствительность и мощность выходного сигнала.

Однако постепенно от всех вариантов конструкций ИП отказались и остановились на одной хорошо отработанной конструкции дифференциального ИП соленоидного типа.

В настоящее время все фирмы выпускают практически одинаковую  конструкцию ИП, описанную ниже.

Современные ИП делятся условно на две группы. Универсальные ИП, имеющие собственные направляющие измерительного стержня, защитный корпус и соединительный кабель. Такие ИП легко встраиваются в измерительную оснастку или применяются как измерительные приборы. Другая группа ИП состоит только из магнитопровода с катушками и якоря, которые встраиваются в измерительную оснастку, например в скобы и головки приборов активного контроля, индуктивные пробки и др.

Основными элементами индуктивного преобразователя являются   катушки (обмотки) и подвижный цилиндрический  якорь.

     Рис. 3.1.2  Дифференциальный ИП

     В зависимости от схемы расположения и подключения обмоток ИП выпускаются двух основных типов – дифференциально-трансформаторные и дифференциальные полумостовые.

Рис. 3.1.3  Дифференциальный ИП с  трансформаторной  схемой включения обмоток

Дифференциально-трансформаторные преобразователи (рис. 3.1.2 и 3.1.3) имеют первичную обмотку и две включенные навстречу друг другу вторичные обмотки. Переменное питающее напряжение  Ve с частотой 7-12 кГц подается на первичную обмотку. На вторичных обмотках наводится напряжения Va и Vb. При расположении якоря симметрично вторичным обмоткам, Va =Vb и суммарное напряжение на выводах вторичных обмоток равно нулю.

При подаче на первичную обмотку переменного напряжения Ve во вторичных обмотках наводятся напряжения той же частоты Va и Vb, направленные в каждый момент времени навстречу друг другу.      При смещении якоря в каком-либо направлении напряжение на одной из вторичных обмоток возрастает, а на другой – уменьшается. Это приводит к возникновению на выводах вторичных обмоток напряжения (сигнала), равного Va – Vb  пропорционального смещению якоря от положения симметрии.  Данный сигнал воспринимается вторичным прибором и преобразуется в форму, наиболее удобную для восприятия человеком, схемой металлорежущего станка   или средствами вычислительной техники.

Полумостовые преобразователи (рис. 3.1.4) имеют две включенные навстречу друг другу обмотки, образующие половину индуктивного моста. Вторая его по-

Рис. 3.1.4  Полумостовой индуктивный преобразователь

 ловина образуется входным делителем вторичного прибора. При расположении якоря симметрично обмоткам мост сбалансирован и напряжение в его диагонали равно нулю. Смещение якоря вызывает пропорциональную разбалансировку моста. Сигнал дисбаланса преобразуется так же, как в предыдущем случае.

Достоинством дифференциальных индуктивных преобразователей является возможность получения линейной характеристики в сравнительно большом диапазоне перемещений якоря, поскольку нелинейности характеристик двух симметричных половин  компенсируются. Эти преобразователи обладают примерно в 2 раза большей чувствительностью по сравнению с одинарными, они менее чувствительны к изменению температуры окружающей среды, вызывающей одинаковые изменения активных сопротивлений парных обмоток.

Подавляющее большинство выпускаемых  универсальных ИП имеют наружный посадочный  диаметр 8 мм  и примерно одинаковую конструкцию.

ИП выпускают  ведущие зарубежные фирмы США,  Европы и Японии –  Tesa  (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония), Marposs (Италия) и др. В России ИП выпускает завод  «Измерон» (г.Санкт-Петербург) и ООО «Микромех» (г.Санкт-Петербург), ОАО «РОБОКОН» (Москва). Каждая фирма предлагает большую гамму ИП для решения различных измерительных задач.

ИП выпускают согласно  международному стандарту DIN 32876 часть  1.

В     дифференциальных соленойдных ИП используется зависимость индуктивного сопротивления обмоток от изменения длины  воздушного зазора между ферромагнитным якорем (сердечником) и магнитопроводом. Таким образом, параметры электрического выходного сигнала  преобразователя  зависят от линейного перемещения якоря, связанного с отклонением размера объекта контроля.

Достоинство дифференциальных ИП – линейная характеристика (рис. 3.5) в сравнительно большом диапазоне (до 10 мм) перемещений якоря.

 

 

Рис. 3.1.5   Выходная характеристика U=f(S) индуктивного преобразователя.

    U – выходное напряжение,   S – перемещение (ход) якоря,    L – линейный диапазон характеристики,    Lf –  нелинейность

Конструкция большинства выпускаемых  универсальных   ИП примерно одинакова (рис. 3.1.6).

Рис.  3.1.6   Индуктивный преобразователь завода “ИЗМЕРОН”

(г.Санкт-Петербург

Конструкция большинства выпускаемых  универсальных   ИП примерно одинакова (рис. 10.6).

В цилиндрическом  корпусе   6   расположен неподвижный магнитопровод  с двумя или тремя катушками 8 и подвижный шток 3 с якорем 7.  Корпус изготовлен из нержавеющей стали с наружным диаметром 8h6 или 8h7 и  имеет   твердое никелевое  или  хромовое  покрытие,  хорошо защищающее его от коррозии в цеховых условиях. Корпус служит одновременно посадочным диаметром для установки ИП в измерительную стойку или измерительную оснастку. Шток 3 перемещается в шариковой направляющей  на насыпных шарах 9 диаметром 0,68-0,8 мм,  собранных с небольшим натягом 1-2 мкм. Такая конструкция обеспечивает легкость и точность перемещения штока, устойчивость к боковым усилиям на измерительный наконечник.

В некоторых случаях, особенно в ИП малого размера, применяют направляющие скольжения.

На внутреннем конце штока  установлен ферритовый стерженек 7, который перемещается внутри катушек  и служит якорем ИП. На наружном  конце штока  расположен измерительный наконечник 1,  оснащенный твердосплавным шариком диаметром  3 мм.   Измерительное усилие создается регулируемой  пружиной 5, отцентрированной так, что исключается ее трение о корпус при движении шпинделя. Катушки  расположены в ферритовом магнитопроводе.  Якорь установлен в немагнитной втулке  с коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения магнитопровода. От поворота шток  удерживается роликом (шпонкой). Ход штока ограничен упорами .

Обмотки  преобразователя намотаны аккуратно уложенным виток  к  витку тонким проводом диаметром 0,04-0,08 мм с числом витков 600-800. Число витков симметричных обмоток и их  сопротивление строго одинаковы. Для якоря и магнитопровода используют мягкие ферриты с коэффициентом магнитной проницаемости 2000-6000 Гн/м.

Якорь преобразователя закреплен на конце тонкого относительно  длинного цилиндрического штока.      Масса подвижного штока составляет от 2 до 10 г. Это позволяет использовать преобразователи в динамическом режиме при изменении  размеров  с частотой до 60 Гц. Причем рабочее положение преобразователя может быть – вертикальным вниз или вверх наконечником  или горизонтальным.

Обмотки  преобразователя  питают переменным  синусоидальным или импульсным (например, в форме меандра) напряжением от 3 до 6 В частотой 5–13 кГц.    Чувствительность преобразователей составляет от 50 до 73 мВ/В/мм при нагрузке от 2 до 10 кОм.

Большинство преобразователей  имеют  длину  около 100 мм с аксиальным или радиальным выводом кабеля.  Вывод кабеля надежно защищен резиновым уплотнением. Длина кабеля  2 м. Увеличение длины кабеля может привести к ухудшению метрологических характеристик преобразователя.

Корпус и направляющие преобразователя надежно герметизированы резиновыми уплотнениями.  Подвижный шток  защищен эластичным уплотнением («гармошкой») 2 из маслобензостойкой резины. Степень защиты преобразователя IP 65 по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96.

Выпускаются преобразователи с диапазоном измерения  ±0,2;  ±1,0;   ±2,0 и ±5,0 мм.  Имеются модели с диапазоном измерения  ±10 мм.

Преобразователи выпускают в нескольких исполнениях с разным  измерительным  усилием.  Наименьшее измерительное усилие составляет 0,16 Н, наибольшее  – 1,0 Н.

Нелинейность характеристики собственно  преобразователей Lс аналоговым выходом составляет от  (0,07 + 0,4L) до (0,2 + 3L3) мкм у разных моделей ИП, где L диапазон измерения в мм (рис. 10.5). При использовании преобразователя с микропроцессорным блоком, имеющим программу линеаризации, можно «выпрямить» характеристику и повысить ее линейность. Следует, однако, иметь в виду, что линеаризацию проводят по нескольким точкам, например 9. Нелинейность, присущая характеристике ИП, между точками сохраняется, хотя она значительно меньше, чем на всем диапазоне измерения.

В комплекте с аналоговыми или микропрцессорными электронными блоками ИП устойчиво работают при цене деления шкалы или дискретности цифрового отсчета 0,01; 0,05;  0,1 и 1,0 мкм.

Воспроизводимость (повторяемость) показаний  преобразователей  составляет  от  0,01  до 0,2 мкм у разных моделей ИП.

Погрешность прямого и обратного хода составляет от 0,01 до 0,25 мкм.

Смещение нуля при изменении окружающей температуры составляет  0,25 мкм/ 0С.

Преобразователи могут  применяться  при  температуре от -10 до 65 0С. Однако метрологические характеристики  гарантируются при  нормальной  температуре 20 0C.

Для подъема (арретирования) штока в процессе измерения преобразователи могут быть  снабжены механическим или пневматическим арретиром,  использующим давление или разрежение воздуха.

С помощью индуктивных приборов  производят, главным образом, относительные измерения, настраивая ноль прибора по плоскопараллельным  концевым мерам длины или образцовой детали, например, по установочному кольцу. Это существенно уменьшает систематические и случайные погрешности измерения, так как настройку и измерение производят в одинаковых условиях, а диапазон измерения не велик. Однако в погрешность измерения, кроме указанных выше составляющих погрешностей ИП,  входит погрешность аттестации образцовой детали (меры) и погрешность настройки.

Выходные сигналы ИП обрабатывают в зависимости от решаемой задачи. Высокая линейность выходной характеристики ИП и возможность обеспечить одинаковую чувствительность позволяет производить сложении или вычитание выходных  сигналов двух или нескольких ИП по схеме ±А±В. Это существенно расширяет возможности их применения для решения различных измерительных задач особенно при автоматическом контроле размеров деталей.

ИП применяют в нутромерах, приборах активного контроля, контрольных приспособлениях, контрольно-сортировочных автоматах, многомерных устройствах   для  ручного   и  автоматического послеоперационного контроля, а также для контроля размеров деталей на стойке. На базе  ИП выпускают многочисленные индуктивные приборы с аналоговым и цифровым отсчетом.

 Универсальный ИП с беспроводной связью.

Фирма TESA (Швейцария) разработала и выпустила  индуктивный преобразователь без кабеля. Преобразователь (рис. 3.1.7) представляет собой

БЕСКАБЕЛЬНый преоб.

Рис. 3.1.7   Индуктивный преобразователь с бескабельной связью

обычную и давно выпускаемую конструкцию диаметром 8 мм, к верхнему концу которой приделан «набалдашнк» (головка). В головке расположены микросхемы или микропроцессор, генератор, питающий катушки преобразователя, радиопередатчик, антенна и  элементы питания. В комплект входит небольшой приемо-передающий блок, установленный отдельно. Связь между ИП и приемо-передающим блоком (аналог Wi-Fi) осуществляется на частоте 2,4 ГГц.

Диапазон измерения преобразователей,  мм                              ±1,5,  ±2,0,  ±5,0

Предел допускаемой погрешности, мкм                                     0,4 + 0,6L (L в мм)

Повторяемость, мкм                                                                             0,1 – 0,2

Дискретность цифровой индикации, мкм                                               0,1

Расстояние между преобразователями и приемо-передающим блоком не более 20 м. Элементов питания хватает только на один месяц, что, конечно, мало.

ИП без кабеля это очень удобно, особенно в контрольных приспособлениях, многомерных устройствах с несколькими ИП и приборах активного контроля. Однако выпускаемый преобразователь получился , на наш взгляд, не очень удачным. Увеличились его габаритные размеры и питающих баттареек хватает на небольшое время (один месяц)  Э ти недостатки будут ограничивать его применение.

Универсальный ИП с USB интерфейсом (рис. 3.1.8).  Такой ИП  удобен для соединения с компьютерами или микропроцессорными электронными блоками.

ИП имеет кабель, на котором установлена небольшая коробочка и USB разъем. В коробочке расположена микропроцессорная схема, которая обеспечивает питание обмоток ИП переменным синусоидальным или импульсным током,  усиливает выходной сигнал и преобразует его в протокол USB или RS 232. Таким образом, через два контакта USB разъема подается питание на ИП, а через два других- выходной сигнал в  USB интерфейсе.

Рис. 3.1.8  ИП с USB интерфейсом

Из специальных ИП следует отметить  модель   БВ-6067 и БВ-6240, применяемую только в приборах активного контроля.

В преобразователях мод. БВ-6067 и БВ-6240 (рис. 3.1.9) применена дифференциальная система чувствительных элементов, образованная двумя обмотками переменной индуктивности 4 и 5 и подвижным якорем 6. В качестве упругих направляющих для осевого перемещения якоря служат дисковые пружины 2 и 3, снабженные концентрическими дуговыми прорезями. Измерительное усилие на контактном наконечнике 1 создается пружиной 9. Для якоря 6 и магнитопровода 7 и 8 используют мягкие ферриты с коэффициентом магнитной проницаемости 1500—2000 гс/э. Измерительные обмотки образуют смежные плечи измерительного моста переменного тока. При работе с аналоговыми блоками питание обмоток осуществляется стабилизированным по амплитуде и частоте переменным напряжением 1,5 В, 10 кГц.

При симметричном расположении якоря 6 по отношению к элементам магнитопровода 7, 8 и обмоточным секциям катушек геометрическая середина якоря совпадает с электромагнитной нейтралью. Устанавливается балансное состояние системы, характеризуемое минимальным значением выходного сигнала преобразователя, принимаемое за нуль.

Связанное с отклонением контролируемого размера смещение якоря от нейтрали перераспределяет активные площади магнитной системы, что приводит к изменению величины магнитного сопротивления магнитной цепи преобразователя, к увеличению индуктивности одной обмотки, уменьшению индуктивности другой и, как следствие, к изменению их индуктивного сопротивления.

    Рис. 3.1.9  Индуктивный преобразователь БВ-6067 и БВ-6240

  Благодаря этому возникает дисбаланс моста, два плеча которою составляют обмотки преобразователя, и на выходе появляется переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна отклонению контролируемого размера, а фаза соответствует направлению смещения якоря. При переходе якоря через нейтральное положение (ноль) фаза  выходного напряжения меняется на 180о.

Элементы конструкции преобразователя заключены в цилиндрический корпус с присоединительным диаметром 16h7, внутренняя полость которого герметизирована уплотнениями из маслобензостойкой мягкой резины. Благодаря этому преобразователь применяется для установки в негерметичную измерительную оснастку и пригоден для эксплуатации в условиях повышенной влажности, непосредственно в рабочей зоне металлорежущего станка.

Эксплуатационные и точностные параметры преобразователей сохраняются при их установке в любое рабочее положение — вертикальное, горизонтальное или наклонное. Во избежание преждевременного выхода преобразователя из строя контролируемый объект не рекомендуется вводить в непосредственное соприкосновение с контактным наконечником 1. Перемещения должны передаваться через промежуточное кинематическое звено измерительной оснастки, снабженное ограничителями хода. Степень защиты преобразователя IP68.

В современной герметичной  измерительной оснастке приборов активного контроля (скобы, головки) такие преобразователи не применяются, а используют преобразователи, состоящие только из магнитопровода с катушками и якоря  без собственных направляющих (рис. 3.1.10).

индукт-4

Рис. 3.1.10  Конструкция встроенного индуктивного преобразователя

В скобах якорь крепится на одной каретке, магнитопровод с катушками на другой. В одноконтактных головках якорь крепится к измерительному рычагу, магнитопровод установлен неподвижно на корпусе. В преобразователе увеличивают зазор между якорем и катушками для облегчения монтажа.

Преимущество такой компановки в малых подвижных массах, малом контактном усилии, отсутствии дополнительных деталей (направляющих, уплотнениях и др.). Недостаток в более сложном монтаже для соблюдения соосности между якорем и катушками.

Малогабаритный индуктивный преобразователь БВ-6174 (рис.3.1.11) предназначен для встраивания в герметичную измерительную оснастку  приборов. Элементы конструкций преобразователей на рис. 3.1.10 и 3.1.11 с  совпадающими функциями имеют одинаковые номера позиций. Принцип действия этих преобразователей аналогичен.

Индукт-5Рис.3.1.11  Индуктивный преобразователь БВ-6174

Технические характеристики преобразователей БВ-6067, БB-6174,  БB-6240 иБВ-6182  приведены в табл.2.1.

 

Таблица 2.1

Характеристики БВ-6067 БВ-6240 БВ-6182 БВ-6174
Рабочий участок характе-

ристики, мм

 

±0,3

 

±0,5

 

±0,5

 

±0,5

Нелинейность характерис-

тики на рабочем участке, %

 

1

 

1

 

 

1

Чувствительность, мВ/мкм       0,2       0,2       0,1     0,25
Контактное усилие, Н   2±0,25 1,5±0,25        –   0,5±0,1
Напряжение питания

переменного тока, В

      1,5      1,5   1–1,5    1—1,5
Частота питающего

напряжения, кГц

 

10–12

 

10–12

 

10–12

 

10–12

Полный ход S, мм      ±0,5    ±0,75         –     ±0,75

 

     Индуктивный преобразователь БВ-6182. Индуктивный преобразователь (рис. 3.1.12) состоит из двух идентичных по характеристике частей — измерительной и компенсационной, снабженных соответственно обмотками 5 и 6. Магнитопроводом измерительной части служат  ферритовый сердечник  2, механически связанный с объектом контроля.  Подвижный ферритовый якорь 1, взаимодействующий с открытым торцом сердечника 2 через переменный

Индукт-6

Рис.3.1.12  Индуктивный преобразователь БВ-6182

воздушный зазор δ.   Сердечник 4 и дно сердечника 2, используемое в качестве неподвижного якоря, является магнитопроводом компенсационной части. Между закрытым торцом сердечника 2 и открытым торцом сердечника 4 имеется постоянный зазор δ0, обеспечиваемый диэлектрической прокладкой 3, толщина которой определяется из условий обеспечения необходимой чувствительности и линейности преобразования. Обмотки 5 и 6 преобразователя подключаются к источнику переменного тока дифференциальной измерительной схемы. Возбуждаемые в обмотках магнитные потоки проходят через магнитопроводы измерительной и компенсационной частей и через воздушные зазоры  δ и δо.. Для якоря и магнитопровода используют мягкие ферриты с магнитной проницаемостью 1500—2000 гс/э.

Под воздействием контролируемого перемещения подвижный якорь 1 смещается в направлениях, указанных на чертеже стрелками. Соответственно изменяется  зазор δ. Зазор δ0 остается постоянным. Благодаря этому меняются магнитное сопротивление цепи магнитопровода измерительной части, индуктивность и комплексное электрическое сопротивление обмотки 6, а соответственно разность токов в обмотках 5 и 6, которая близка к нулевому значению при равенстве зазоров δ=δ0   (положение баланса). Смещение якоря 1 из балансного положения приводит к возникновению на выходе преобразователя переменного напряжения, амплитуда которого пропорциональна смещению якоря, а фаза соответствует направлению этого смещения. Переход якоря через положение баланса изменяет фазу выходного напряжения на  180о.

Область применения преобразователя БВ-6182 ограничена из-за малой протяженности линейного участка характеристики  и ее нелинейности.  При использовании двух таких преобразователей 1 и 4 для электрического суммировании перемещений измерительных рычагов 2 и 3 (рис. 3.1.13, а) два нелинейных сигнала складываются. При смещении центра детали вдоль линии измерения возникает дополнительная погрешность суммирования, которая устраняется при встройке одного преобразователя 1 в измерительную оснастку, выполненную по схеме механического суммирования перемещений измерительных рычагов 2 и 3  (рис. 3.1.13, б).  Следует отметить, что электрическое суммироване достаточно трудоемко при наладке прибора и имеет большую погрешность, чем механическое. Хотя электрическое суммирование часто применяется из конструктивных соображений.

Наиболее эффективным способом снижения погрешности от нелинейности характеристики преобразователя является использование цифровых схем линеаризации. Такие  схемы  применяются в микропроцессорных  электронных блоках и обеспечивает удовлетворительную линейность характеристики преобразователя.

Преобразователь БВ-6182 устанавливают в герметичную измерительную оснастку  ПАК.

Технические характеристики преобразователя БВ-6182 приведены в табл. 2.1.

В настоящее время эти преобразователи не выпускаются, но еще используются на производстве.

Индукт-7Рис. 3.1.13    Измерительная оснастка ПАК с  электрическим (а) и  механическим (б) суммированием перемещений измерительных рычагов

Кроме описанных выше специальных ИП для ПАК выпускаются и широко применяются при линейных измерениях универсальные и встроенные ИП для других приборов (например, индуктивных пробок).

 

 

1. Щепетов А.Г. Теория, расчет и проектирование измерительных устройств. Часть 2,  ФГУП  «СТАНДАРТИНФОРМ»,  2008, 344 с.

2. Сорочкин Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей, Л. Машиностроение, 1990, 365 с.,

3. Федотов А.В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, М, Машиностроение, 1979, 176 с.

4. Соболев М.П. и Этингоф М.И. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках, Смоленск, «Ойкумена», 2005, 300 с.

5.  Федотов А.В.  Теория и расчет  индуктивных датчиков  перемещений для систем автоматического контроля, Издательство ОмГТУ,  2011, 185 с.