Индуктивный датчик

Устройство, использующее электромагнитную индукцию для обнаружения объектов

Индуктивный датчик — это устройство, которое использует принцип электромагнитной индукции для обнаружения или измерения объектов. Индуктор создает магнитное поле , когда через него протекает электрический ток ; в качестве альтернативы, ток будет протекать через цепь, содержащую индуктор, когда магнитное поле через него изменяется. Этот эффект можно использовать для обнаружения металлических объектов, которые взаимодействуют с магнитным полем. Неметаллические вещества, такие как жидкости или некоторые виды грязи, не взаимодействуют с магнитным полем, поэтому индуктивный датчик может работать во влажных или грязных условиях. ^[1]

Принцип

Индуктивный датчик основан на законе индукции Фарадея . Временные изменения магнитного потока $Φ$ через катушку с $N$ витками будут индуцировать напряжение $e,$ которое выглядит следующим образом:

e=-N{\frac {d\Phi {dt}}

что можно выразить проще:

e=-N\times S{\frac {дБ}{dt}}

предполагая, что индуцированное магнитное поле $B$ однородно по сечению $S$ (магнитный поток будет выражаться ). $\Phi =B\times S$

Одна из форм индуктивного датчика приводит в действие катушку с помощью осциллятора . Металлический объект, приближающийся к катушке, изменяет индуктивность катушки, вызывая изменение частоты или изменение тока в катушке. Эти изменения можно обнаружить, усилить, сравнить с пороговым значением и использовать для переключения внешней цепи. Катушка может иметь ферромагнитный сердечник , чтобы сделать магнитное поле более интенсивным и повысить чувствительность устройства. ^[1] Также можно использовать катушку без ферромагнитного сердечника («воздушный сердечник»), особенно если катушка осциллятора должна охватывать большую площадь.

Другая форма индуктивного датчика использует одну катушку для создания изменяющегося магнитного поля и вторую катушку (или другое устройство) для обнаружения изменений в магнитном поле, создаваемом объектом, например, из-за вихревых токов, индуцированных в металлическом объекте. ^[1]

Приложения

Поисковая катушка магнитометра

Индуктивные датчики являются основным элементом для построения поисковой катушки магнитометра, также известной как поисковая катушка . Они используются во многих областях исследований: магнитотеллурика , измерение электромагнитных волн, космические магнитометры для исследования электромагнитных волн в космической плазме, а также наблюдения за естественными электромагнитными волнами на Земле.

Индуктивный датчик приближения (бесконтактный переключатель)

Индуктивный датчик приближения — это бесконтактный электронный датчик приближения . Он используется для позиционирования и обнаружения металлических объектов. Диапазон обнаружения индуктивного переключателя зависит от типа обнаруживаемого металла. Черные металлы, такие как железо и сталь, обеспечивают более длинный диапазон обнаружения, в то время как цветные металлы, такие как алюминий и медь, могут уменьшить диапазон обнаружения до 60 процентов. ^[2]

Поскольку выходной сигнал индуктивного датчика имеет два возможных состояния, индуктивный датчик иногда называют индуктивным бесконтактным переключателем . ^[2]^[3]

Датчик состоит из индукционной петли или детекторной катушки. Чаще всего это физически несколько витков изолированного магнитного провода, намотанного вокруг сердечника с высокой магнитной проницаемостью, такого как стержень из ферритовой керамики или катушечная форма, и обмотка может иметь или не иметь отвод обратной связи на некоторое количество витков с одного конца общей обмотки. Он подключен к емкости для формирования настроенного контура генератора частоты. В сочетании с устройством усиления напряжения или тока, таким как транзистор или операционный усилитель, это образует настроенный генератор частоты. При подаче питания результирующее колебание представляет собой высокочастотный переменный электрический ток в катушке, который имеет постоянно меняющееся магнитное поле , способное индуцировать вихревые токи в проксимальных (целевых) проводниках. Чем ближе цель и чем больше ее проводимость (например, металлы являются хорошими проводниками), тем больше индуцированные вихревые токи и тем большее влияние оказывают их результирующие противоположные магнитные поля на величину и частоту колебания. Его величина уменьшается по мере увеличения нагрузки в немагнитном проводнике, таком как алюминий, поскольку индуцированное поле в мишени противодействует индукционному полю источника, снижая чистое индуктивное сопротивление и, следовательно, одновременно настраивая частоту колебаний выше. Но эта величина меньше подвержена влиянию, если мишень представляет собой материал с высокой магнитной проницаемостью, например, железо, поскольку эта высокая проницаемость увеличивает индуктивность катушки, снижая частоту колебаний.

Изменение величины колебаний может быть обнаружено с помощью простого детектора амплитудной модуляции, например, диода, который передает пиковое значение напряжения на небольшой фильтр для получения отражающего значения постоянного напряжения, в то время как изменение частоты может быть обнаружено одним из нескольких видов схем дискриминатора частоты, например, детектором фазовой автоподстройки частоты, чтобы увидеть, в каком направлении и насколько смещается частота. Либо изменение величины, либо величина изменения частоты могут служить для определения расстояния близости, на котором датчики переходят из состояния «включено» в состояние «выключено» или наоборот.

Распространенные области применения индуктивных датчиков включают металлоискатели , светофоры , автомойки и множество автоматизированных промышленных процессов. Поскольку датчик не требует физического контакта, он особенно полезен для приложений, где доступ затруднен или где преобладает грязь.

Датчик дорожного движения

Для управления светофорами на перекрестке дорог индукционная петля может быть зарыта в тротуар. Цепь, подключенная к петле, может обнаружить изменение ее индуктивности, когда транспортное средство проезжает или останавливается на петле. Это может быть использовано для обнаружения транспортных средств и регулировки времени срабатывания светофоров или подачи сигнала поворота на оживленном перекрестке. ^[4]

Ядерный магнитный резонанс

Индуктивные датчики, также называемые (в этой области) «ЯМР-катушками» или «радиочастотными катушками» , используются для обнаружения магнитной составляющей электромагнитного поля, связанной с прецессией ядерного спина в ядерном магнитном резонансе .

Смотрите также

Ссылки

^ abc Winncy Y. Du, Технологии резистивных, емкостных, индуктивных и магнитных датчиков , CRC Press, 2014 ISBN 1439812446 , Глава 4 Индуктивные датчики
^ ab Frank Lamb (2013). Промышленная автоматизация: практическое применение. McGraw-Hill Education. стр. 74–75. ISBN 9780071816458.
^ "Индуктивные датчики". 1 сентября 2001 г. Получено 29 декабря 2015 г.
^ Питер Дж. Яух, Оборудование управления светофорами: современное состояние , Исследовательский совет по транспорту, 1990, ISBN 0309049172 , стр. 17

Павел Рипка, Магнитные датчики и магнитометры , Artech House Publishers
С. Тумански, Датчики индукционной катушки - обзор
C. Coillot et al., Моделирование сигнала ленточной соленоидной катушки МРТ, предназначенной для исследований повреждений спинного мозга ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[DU14-1] Winncy Y. Du, Технологии резистивных, емкостных, индуктивных и магнитных датчиков , CRC Press, 2014 ISBN 1439812446 , Глава 4 Индуктивные датчики

[Lamb-2] Frank Lamb (2013). Промышленная автоматизация: практическое применение. McGraw-Hill Education. стр. 74–75. ISBN 9780071816458.

[machine_design-3] "Индуктивные датчики". 1 сентября 2001 г. Получено 29 декабря 2015 г.

[4] Питер Дж. Яух, Оборудование управления светофорами: современное состояние , Исследовательский совет по транспорту, 1990, ISBN 0309049172 , стр. 17