Датчики на основе индуктивных балансных сенсоров и аналогов негатронов

Индуктивные балансные сенсоры (ИБС) состоят из двух плоских катушек индуктивности, сдвинутых одна относительно другой на некоторое расстояние, при котором подача сигнала на одну из катушек не дает сигнала на выходе другой. Экспериментально выявлено, что по сравнению с дифференциальными трансформаторами, индуктивными сенсорами, включенными в мостовую схему, ИБС обладают повышенной чувствительностью и более широкими функциональными возможностями.

Условие баланса можно получить, используя методику, описанную в [27]. Если для одновитковых катушек круглой формы (рис. 105, а) баланс наступает при Ь=0,7а, то для катушек квадратной формы (рис. 105,6) — при h/a=0,37, для катушек треугольной формы (рис. 105, в, г) — при h/a=0,125 и h/a=0,7, соответственно [28, 29]. Для многовитковых катушек выведенные условия баланса являются грубо приближенными, точное положение катушек устанавливается экспериментально.

Рис. 96. Комнатная телевизионная антенна.

Рис. 97. Схема датчика температуры (а) и график зависимости частоты от.

Рис. 98. Схема датчика температуры (а) и график зависимости частоты от температуры (б).

Рис. 99. Схема датчика магнитного поля на двух комплементарных биполярных транзисторах (а) и график зависимости изменения частоты от индукции магнитного поля (б). VT1 — КНТ591 В, VT2 — КТС3103. IС 1=6800 иФ, f₀=862 кГц; 2 — С 1=910 пФ, f₀=4619 кГц.

Рис. 100. Схема датчика магнитного поля на четырех комплементарных транзисторах (а) и график зависимости изменения частоты от изменения индукции магнитного поля (б). VT1, VT2 — КНТ591 В, VT3, VT4 — КТС3103. 1- С 1=6800 пФ, f₀=572 кГц; 2 — С1=910 пФ, f₀= 1283 кГц.

Рис. 101. Схема латника магнитного поля на однотипных биполярных транзисторах (а) и график зависимости изменения частоты от изменения индукции магнитного поля (б). VT1 — VT6 КНТ591 В, С1= 1 нФ, f_o=290 кГц.

Рис. 102. Конструкция ГМР-элемента.

Рис. 103. Схема датчика магнитного поля с ГМР-элементом.

Рис. 104. График зависимости изменения частоты от магнитного поля.

Для определения чувствительности ИБС к приближению вплотную медной пластины были изготовлены ИБС с гибкими катушками круглой формы при, а = 30 мм, числе витков N = 40, диаметре провода d= 0.08 мм. Затем катушкам придавались формы, показанные на рис. 105. Одна из катушек включалась в контур автогенератора на аналоге негатрона, к выходу второй подключался вольтметр ВЗ — 41. Экспериментально в момент баланса напряжений на выходе удается установить лишь минимальное (V₀), а не нулевое. При поднесении вплотную к ИБС медной пластины замерялось напряжение разбаланса Vp. Для ИБС рис. 105, a Vp/V₀<= 18; рис. 105, б Vp/V₀ = 10.7; рис. 105, в Vp/V₀.= 30.9; рис. 105, г Vp/V₀= 8.8 (V₀=1mB).

Как видно, наивысшсй чувствительностью обладает вариант ИБС, показанный на рис. 105, в. Такой вариант ИБС использовался в приставке к вольтметру ВЗ — 41 для определения проводимости воды. Катушки были выполнены плоскими на пластине из оргстекла толщиной 0.5 мм с прорезями (размер, а = 20 мм, число витков N = 20, диаметр привода d = 0.08 мм). При помещении ИБС в водопроводную воду (сильно минерализованную) Vp/ V₀ = 41.7. Эго отношение при квадратной и круглой формах катушек оказалось в 2 — 3 раза меньшим [30].

В описанных выше экспериментах использовался маломощный аналог негатрона с N-образной вольт-амперной характеристикой при токах через транзисторы порядка 0,15 мА, в котором при поднесении металла вплотную к ИБС не происходил срыв колебаний. При использовании же мощного аналога негатрона с S-образной ВАХ на четырех транзисторах с токами через транзисторы порядка 40 мА при поднесении металлов к ИБС на малое расстояние за счет вносимых потерь происходил срыв колебаний. Использовался ИБС с круглыми катушками диаметром, а = 71 мм, числом витков N = 140, диаметр провода d = 0.08 мм. Графики зависимости напряжения разбаланса от расстояния Н между металлической пластиной и ИБС приведены на рис. 106. Как видно, при Н < 3 см происходит срыв колебаний. Это явление можно устранить, создав больший запас, но возбуждению, увеличив отрицательное сопротивление. ИБС начинает чувствовать приближение металлов на расстоянии 35 — 42 см. Изменение толщины металлических листов (более 0,2 мм) практически не влияет на показания вольтметра из — за того, что вихревые токи на частотах в единицы МГц проникают в металл на малые расстояния (0,025 — 0,125 мм). В то же время ИБС хорошо реагирует на изменение толщины и удельного сопротивления металлических пленок толщиной менее 1 мкм.

Такой ИБС реагирует и на приближение диэлектриков (рис. 107). Увлажнение поверхности диэлектриков увеличивает напряжение разбаланса в 5−10 раз. Несмотря на явную чувствительность ИБС к влажности диэлектриков, использование их для определения влажности рыхлых, сыпучих и твердых диэлектриков затруднено из — за неконтролируемости загрязнений диэлекгриков веществами, диссоциирующими в воде.

Рис. 105. Формы ИБС.

Рис. 106. График зависимости напряжения разбаланса от расстояния между металлической пластиной и ИБС.

Рис. 107. Реакция ИБС на приближение диэлектриков.

Если устранить срыв колебаний при приближении ИБС к металлу, последние можно использовать для определения толщины диэлектрических покрытий на металлах, для построения плоских весов. При использовании же катушек, реализованных методами полупроводниковых интегральных микросхем, можно построить микросхемы датчиков приближения металлов и пальцев человека. В весах использовались плоские прямоугольные катушки с, а = 20 мм, числом витков N = 20, диаметром провода d = 0.08 мм.

Тонкий фолыированный текстолит площадью 3×5 см² и толщиной 0,3 мм приклеивался к бумажному гофру на расстоянии 3 мм от катушек, и в этом состоянии устанавливался баланс перемещением одной из катушек. Первая катушка подключалась к аналогу негатрона, вторая — к вольтметру ВЗ-41. Измеряемая масса, помещаемая на фолыированный текстолит, приближала металл к ИБС, при этом увеличивалось напряжение разбаланса. Такие весы позволяли измерять массу до 45 г с разрешающей способностью 0,5 г/мВ (точность 1,1%). Зависимость Vp от измеряемой массы линейна. Так как измеряемая масса определяется не только чувствительностью ИБС, но и свойствами гофра, то она может варьироваться в широких пределах. Эти же весы можно использовать для измерения воздушного давления, как основу для радиомикрофона.

Исследовалось также поведение напряжения разбаланса при движении над ИБС, но осям X, Y проводящих пластин различной формы (прямоугольник, треугольник, крест, эллипс) или такой же формы проволочного контура. График зависимости Vp от положения центра алюминиевого прямоугольника с размерами 5,8×1,0 см показан на рис. 108 (больший размер — по оси Y). Как видно, форма зависимости или колоколообразная, или трехлепестковая. В ряде случаев при I х I, I у |> 7 см наблюдается второй небольшой пик.

Колоколообразная форма зависимости является более предпочтительной при использовании ИБС в тахометре, т.к. она лучше считывается частотомером, чем трехлспсстковая. Важно отмстить, что максимум выходного сигнала соответствует положению проводника над областью, являющейся общей для двух катушек. ИБС можно использовать в датчиках перемещения положения проводящих предметов в плоскости.

С помощью ИБС можно обнаружить трещины в металлическом листе, даже если он покрыт краской, поскольку трещина препятствует протеканию вихревых токов, можно измерять расстояние между прорезями или отверстиями в металле. Принципиальная схема вихреюкового дефектоскопа с ИБС приведена на рис. 110. На транзисторах VT1, VT2 собран аналог негатрона с N-образной вольт-амперной характеристикой между клеммами подключения контура L1CI. Первая катушка ИБС L1 связана со второй катушкой L2, они размещены на разных текстолитовых пластинах, так что перемещением одной пластины относительно другой можно устанавливать баланс (минимальные показания микроамперметра ВА1). Если баланс устанавливается при наличии металла под катушками, то в момент перемещения катушек над.

Рис. 108. Реакция ИБС при перемещении над ИБС проводящих пластин: 1- псремещение по оси X; 2- перемещение по оси Y.

Рис. 109. Схема вихретокового дефектоскопа VT1-VT5 — КТ315; VD1,.

VD2 — Д2Ж; ВА1 — М4761 (200 мкА).

Рис. 110. ИБС с тремя катушками (а) и график зависимости выходного напряжения ИБС от сопротивления нагрузки (б) трещиной микроамперметр даст максимальные показания (разбаланс), если баланс устанавливается при отсутствии металла, то — наоборот. На транзисторах VT3 — VT5 собран усилитель напряжения разбаланса, снимаемого с катушки L2. Далее сигнал детектируется диодами VD1 и VD2, сглаживается конденсатором С7 и подается на индикатормикроамперметр BAI. В эксперименте катушки имели диаметр 15 мм, намотаны проводом с диаметром 0,08 мм, число витков N = 25. Конденсатором С1 подобрана частота генератора, соответствующая максимальной чувствительности дефектоскопа (1 МГц). При перемещении ИБС над алюминиевой пластиной с прорезями длиной 55 мм и шириной 4 мм в момент нахождения области, являющейся общей для обеих катушек, над прорезыо напряжение на выходе дефектоскопа возрастало в 8 раз. Видимо, можно измерять расстояние между центрами прорезей, их длину, диаметры отверстий, расстояния между выступами на поверхности металлов, размеры выступов.

Этот же прибор можно использовать для определения толщины диэлектрического покрытия на металле, в качестве тахометра. В последнем случае вместо микроамперметра ВА1 следует включить частотомер, а на вращающемся валу сделать углубление или выступ. Максимальная измеряемая частота вращения вала должна быть хотя бы на порядок меньше частоты автогенератора. Такой тахометр легко приспосабливается для измерения скорости потока газов или жидкостей в диэлектрической трубе, если внутри нее поместить крыльчатку, а над ней — ИБС (металл можно нанести на одну из лопастей крыльчатки). Достоинством такого устройства является то, что ось крыльчатки не надо выводить из трубы, а если вместо детектора и микроампсрмстра к выходу усилителя подключить антенну, то информацию о скорости потока можно передавать на расстояние.

Широкие функциональные возможности имеет ИБС с дополнительной третьей катушкой, нагруженной на сопротивление R" (рис. 110, а.). При разомкнутой третьей катушке условие баланса нс нарушается. С уменьшением сопротивления нагрузки R, до нуля возрастает напряжение разбаланса (рис. 110, б). ИБС с тремя катушками удобен для измерения температуры вращающихся диэлектрических валов. При этом гретья катушка располагается на торце вала, а терморезистор (R") может быть расположен в любом месте вращающегося вала. Первые две катушки ИБС устанавливаются на стационарном основании в непосредственной близости к третьей вращающейся катушке. В этом случае трехкатушечный ИБС используется в качестве преобразователя сопротивления в амплитуду переменного напряжения, отличающегося отсутствием механического контакта между измерительными приборами и вращающимся валом. Диэлектрический вал может сочленяться с металлическим, на котором располагается терморезистор. Таким образом можно следить за разогревом подшипников. Для измерения других физических величин на вращающемся теле тсрморсзистор может быть заменен тензорезистором, фоторсзистором или другими элементами, сопротивление которых по переменному току меняется от воздействующего фактора. Экспериментальная кривая, приведенная на рис. 110,6, снята при ИБС с первыми двумя катушками диаметром 71 мм, числом витков N = 140, диаметром провода d = 0,08 мм. Третья катушка имела такой же диаметр, намотана тем же проводом, но число витков N = 10. Даже при варьировании числа витков третьей катушки заметное изменение напряжения разбаланса наблюдается при R" < 1 кОм. При R" = 0 и N = 1 напряжение разбаланса зависит от диаметра третьего контура. Поэтому ИБС можно использовать для измерения диаметра колец подшипников.

Использование трехкатушечного ИБС для контроля скорости газов или жидкостей показано на рис. 111. Здесь отсутствуют трущиеся части. На рис. 112 приведен вариант использования такого ИБС для бесконтактного измерения сопротивления потребителей электроэнергии или тока в цепи, потребляемой мощности. Здесь конденсатор С выбирается малой емкости. Его сопротивление на частотах в единицы МГц должно быть мало, а на частотах 50 Гц — велико. Фильтр верхних частот (ФВЧ) не должен пропускать частоту 50 Гц.