Индуктивные преобразователи перемещения

Значительное число задач автоматизации в промышленности в настоящее время решается при помощи бесконтактных индуктивных выключателей. Выбор в пользу индуктивных датчиков обусловлен прежде всего сочетанием таких качеств как простота использования, высокая надёжность, широкая номенклатура электрических и конструктивных характеристик и невысокая стоимость. Подавляющее большинство из них использует амплитудный принцип, т.е. преобразование амплитуды синусоидальных колебаний LC – генератора в выходной дискретный сигнал "включено / выключено". Амплитуда колебаний зависит от величины затухания, вносимой в колебательный контур генератора металлическим предметом, находящимся на расстоянии S от сенсора . Структурная схема таких датчиков показана на Рис.1.

На Рис.1 обозначены:

• 1 – чувствительный элемент – сенсор (катушка на магнитопроводе);
• 2 – LC – генератор синусоидальных колебаний;
• 3 – демодулятор (детектор);
• 4 – пороговое устройство (компаратор);
• 5 – выходной ключевой усилитель.

Существующее многообразие выпускаемых многими фирмами индуктивных датчиков, использующих этот принцип работы, позволяет строить на их основе разнообразные автоматизированные системы управления. Часто, наряду с элементарной информацией о наличии или отсутствии объекта в контролируемой (рабочей) зоне, требуется знать расстояние до него, направление и скорость его перемещения. Такие задачи возникают, например, при построении систем регулировки натяжения тросов, проводов, лент, измерении толщины листовых материалов, распознавании неровностей на них и т.д. Выходным в этом случае является уже не бинарный сигнал "да / нет" ("включено / выключено"), а непрерывно – монотонный, т.е. аналоговый.

Наиболее простым, логичным и надежным представляется способ получения такой информации при помощи тех же физических принципов, которые лежат в основе построения упомянутых выше индуктивных выключателей, т.е. зависимости амплитуды синусоидальных колебаний LC – генератора от расстояния S между объектом и чувствительной поверхностью датчика. Структурно такой датчик даже проще обычного: в нем отсутствуют пороговое устройство (компаратор) и выходные ключи (со схемами защиты). Это означает в том числе и большую надежность. Такие датчики получили достаточное распространение, называются датчиками с аналоговым выходом, аналоговыми датчиками или датчиками с пропорциональным выходом и выпускаются большинством ведущих фирм – производителей датчиков.

Такие датчики имеют структуру (см. Рис.2), состоящую из:

• 1 – чувствительного элемента – сенсора;
• 2 – LC – генератора;
• 3 – демодулятора (детектора);
• 4 – буферного усилителя;
• 5 – преобразователя "напряжение – ток".

LC – генератор может быть выполнен по любой из известных, традиционно применяемых в индуктивных датчиках, схеме : индуктивная или емкостная трехточка с активным элементом на транзисторах (биполярных или полевых) или операционном усилителе(ОУ).

Основным требованием к схемотехнике LC – генератора является необходимость обеспечения монотонности и высокой линейности модуляционной характеристики.

Демодулятор должен работать на линейном участке амплитудной характеристики.

В этом случае будет соблюдаться пропорциональность и линейность детектирования, что также необходимо для сквозной линейности всего датчика.

Буферный усилитель обеспечивает необходимое согласование демодулятора с выходной нагрузкой (для выхода по напряжению). Буфер представляет собой линейный усилитель с высоким входным и низким выходным сопротивлениями и чаще (и проще) всего реализуется на операционных усилителях (ОУ).

Преобразователь "напряжение – ток" обеспечивает стандартный токовый выход " (0 ÷ 20) мА" или "(4 ÷ 20) мА" и представляет собой схему вида "источник тока, управляемый напряжением" и обычно также выполняется на ОУ.

Типовые характеристики Uвых. = f (S) и Iвых. = f (S) аналоговых датчиков представлены на Рис.3. Отрезки АВ на графиках обозначают линейную зону передаточных характеристик.

Как не трудно заметить, общим для всех функциональных узлов в аналоговых датчиках является требование линейности. Аналоговые датчики обеспечивают непрерывность и монотонность сквозной характеристики Uвых. = f (S) или Iвых. = f (S) во всем диапазоне изменения S. Однако, ряд ведущих фирм – производителей (TURCK, BALLUFF, OMRON и др.) предлагают индуктивные датчики с аналоговым выходом , у которых на ограниченном (обычно около 60% от S) участке сквозной характеристики гарантируется высокая линейность (отклонение от линейной зависимости менее 3%). Это позволяет на основе таких датчиков проектировать устройства, измеряющие расстояние до объекта с установленной точностью или, например, используя калиброванный упругий элемент можно построить недорогие измерители натяжения, давления, аналоговые весы. Традиционно для таких целей использовались индуктивные измерительные преобразователи. Они обладают высокой точностью и линейностью преобразования в сотые доли процента. Однако, наличие в их конструкции механических подвижных частей, сложных индуктивных элементов заметно снижает надёжность, простоту установки и эксплуатации на объекте, а также значительно повышает их инерционность и стоимость. К тому же, в комплект измерительного  преобразователя входит отдельный блок, формирующий стандартные выходные сигналы. Это так-же увеличивает громоздкость и стоимость системы.

Быстродействующие аналоговые системы управления электроприводом, системы позиционирования средней точности и упоминавшиеся выше разнообразные устройства автоматического поддержания натяжения проводов, тросов, лент – это примеры, где применение индуктивных датчиков с аналоговым выходом наиболее эффективно с технической точки зрения и выгодно экономически.

Аналоговый датчик может быть использован в несложной системе автоматического управления как один из элементов замкнутой петли обратной связи, где его выходной аналоговый сигнал является непосредственно управляющим для исполнительного устройства или драйвера. Большие возможности открываются при использовании таких датчиков в системах автоматического управления с цифровыми каналами. Аналого-цифровое преобразование сейчас традиционно производится при помощи контроллеров, которые позволяют помимо прямых задач управления и регулирования, программно скорректировать остающуюся "аналоговую" нелинейность датчика, уменьшив её примерно на порядок. В этом случае доминирующими становятся температурные дрейфы Uвых. = f (t) и Iвых. = f (t), которые в свою очередь, могут быть снижены до приемлемых величин как программно, так и аппаратно (схемотехнически). Первый способ очевиден  и легко реализуем в "контроллерных" датчиках. Преимущество второго способа состоит в большей компактности и надежности, особенно при тяжелых условиях эксплуатации. К тому же такие датчики на сегодняшний день ощутимо дешевле. Эти факторы часто являются определяющими при выборе датчиков с аналоговым выходом.

Следует обратить внимание на ещё одну особенность датчиков с аналоговым выходом  – это отсутствие резких изломов на характеристиках Uвых. = f (S) и Iвых. = f (S) за пределами рабочей зоны, т.е. левее точки А и правее точки В (см. Рис.3а). Это даёт возможность пользователю не терять контроля над объектом при нахождении его (объекта) на границах рабочей зоны, т.е., несмотря на уже значительную нелинейность, здесь сохраняется монотонность характеристик, что увеличивает запас устойчивости и улучшает динамику систем регулирования с обратной связью. Для сравнения на Рис.3б и Рис.3в приведены типовые зависимости Uвых. = f (S) и Iвых. = f (S), характерные для аналоговых датчиков производства TURCK, BALLUFF, Ifm Electronic, СЕНСОР и др.