Индукционные преобразователи
Индукционные преобразователи основаны на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС в катушке (контуре) определяется формулой
Е = – dψ/dt,
где ψ – потокосцепление.
Таким образом, выходной величиной индукционного преобразователя является ЭДС, а входной – скорость изменения потокосцепления. Если катушка имеет W витков, то
Е = – dψ/dt = – WdФ/dt,
где Ф – магнитный поток.
Индукционные преобразователи можно разделить на две группы.
В
преобразователях первой группы магнитное
сопротивление на пути постоянного
магнитного потока постоянно, а
индуцированная ЭДС наводится в катушке
благодаря линейным (рис. 3.30а)
или угловым (рис. 3.30б)
перемещениям. При этом в некоторых
конструкциях катушка выполняется
неподвижной, а перемещается магнит.
Рис. 3.30а,б,в,г. Конструкции преобразователей скорости перемещения
В преобразователях второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а индуктированная ЭДС наводится путем изменения магнитного потока вследствие колебаний полного магнитного сопротивления цепи. Конструкция таких преобразователей показаны на рис. 3.30в,г.
На рис. 3.30в вращается индуктор 1 с зубцом относительно магнитной головки 2. Зазор минимальный между зубом индуктора и головкой не превышает 0,1 мм. При этом магнитное сопротивление минимально.
Индукционные преобразователи, представляющие собой небольшие генераторы постоянного либо переменного тока, используются в приборах для измерения скорости вращения валов (тахометры), а также в приборах для измерения скорости линейных и угловых перемещений.
Магнитомодуляционные преобразователи
Магнитомодуляционные преобразователи представляют собой устройства, содержащие магнитную систему и элемент, чувствительный к изменению магнитного поля (магнитометр). При взаимном перемещении этих элементов меняется напряженность магнитного поля, пронизывающего магнитометр, и, соответственно, величина выходного сигнала. К магнитомодуляционным преобразователям относятся элементы Холла, магниторезисторы и магнитоуправляемые герметизированные контакты.
Элементы Холла
Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, выполняемый в виде тонкой пластины или пленки из полупроводникового материала (рис. 3.31а).
Р
ис.
3.31а, б, в, г. Преобразователь Холла
Токовые электроды 1 и 2 выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные (Холловские) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.
Эффект заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, обусловленных изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле. Воздействие магнитного поля на движение заряженной частицы определяется уравнением
где m – масса частицы, e – заряд частицы, ν – скорость частицы в электрическом поле, R – радиус искривления траектории.
Вследствие искривления траектории на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, а на противоположной грани уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением:
где I – ток, протекающий через пластину, В – индукция внешнего поля, h – толщина пластины, Kx – коэффициент, зависящий от материала пластины (подвижность носителей, удельное сопротивление).
В качестве материалов в датчиках Холла применяются кремний, германий (ДХК, ДХГ), сурьмянистый индий, мышьяковистый индий и др. Пластины толщиной h = 0,01 ÷ 0,2 мм вырезаются из монокристаллов или в виде поликристаллических пленок наклеиваются на подложку из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла. Выходная величина преобразователя Холла пропорциональна произведению двух входных величин – тока и магнитной индукции, следовательно, он является множительным преобразователем. При постоянных во времени I и В ЭДС Холла – постоянная величина. Если одна из входных величин (I или В) постоянная, а другая переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной переменной величины. В случае, если обе входные величины имеют одну и ту же частоту и сдвинуты по фазе на угол φ, ЭДС Холла будет состоять из постоянной составляющей и переменной составляющей двойной частоты:
Если ток изменяется с частотой ω1, а поток с частотой ω2, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту ω1–ω2 , а другая ω1+ω2. Чувствительность к магнитной индукции SВ определяется при номинальном значении входного тока Iном = const и для серийных преобразователей составляет 0,03 ÷ 1 В/Тл. Значение тока Iном ограничено температурой нагрева и составляет 5 ÷ 50 или 100 ÷ 200 мА в зависимости от входного сопротивления. Некоторые разновидности преобразователей Холла характеризуются очень малым температурным коэффициентом чувствительности, малым остаточным напряжением, малой погрешностью линейности при магнитных индукциях до 15 Тл и широким диапазоном рабочих температур (от – 270° до + 100°). Остаточным напряжением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между электродами при прохождении через преобразователь номинального тока при отсутствии магнитного поля.
Схемы коррекции остаточного напряжения приведены (рис. 3.31б,в). Сопротивление резисторов R1 и R2 должны быть на два порядка больше входного сопротивления преобразователя (сопротивление между токовыми электродами 1, 2).
Правильное расположение электродов при монтаже приведено на рис. 3.31г. Наиболее широкое применение преобразователи Холла получили для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей и для определения характеристик ферромагнитных материалов. Кроме того, они используются для измерения ряда других физических величин, которые легко преобразуются в изменение магнитной индукции: электрические токи, мощность в цепях переменного и постоянного тока, мощность электрических машин, линейных и угловых перемещений.