Capteurs inductifs

Un capteur inductif est un transducteur de type paramétrique dont le principe de fonctionnement est basé sur le changement inductance L ou l'inductance mutuelle de l'enroulement avec le noyau, due à une variation de la résistance magnétique RM du circuit magnétique du capteur dans lequel pénètre le noyau.

Les capteurs inductifs sont largement utilisés dans l'industrie pour mesurer les déplacements et couvrent la gamme de 1 μm à 20 mm. Il est également possible d'utiliser un capteur inductif pour mesurer des pressions, des forces, des débits de gaz et de liquide, etc. Dans ce cas, la valeur mesurée est convertie à l'aide de divers éléments sensibles en une variation de déplacement, puis cette valeur est transmise à un transducteur de mesure inductif.

Dans le cas de la mesure de pression, les éléments sensibles peuvent être réalisés sous forme de membranes élastiques, manchon, etc. Ils sont également utilisés comme capteurs de proximité, qui sont utilisés pour détecter divers objets métalliques et non métalliques sans contact selon le principe oui ou non.

Avantages des capteurs inductifs :

• simplicité et solidité de la construction, sans contacts glissants ;

• possibilité de se connecter à des sources de fréquence d'alimentation ;

• puissance de sortie relativement élevée (jusqu'à des dizaines de watts);

• sensibilité importante.

Inconvénients des capteurs inductifs :

• la précision de fonctionnement dépend de la stabilité de la tension d'alimentation en fréquence ;

• le fonctionnement n'est possible qu'avec du courant alternatif.

Types de convertisseurs inductifs et leurs caractéristiques de conception

Selon le schéma de construction, les capteurs inductifs peuvent être divisés en simple et différentiel. Un capteur inductif contient une branche de mesure, une différentielle une - deux.

Dans un capteur inductif différentiel, lorsque le paramètre mesuré change, l'inductance de deux bobines identiques change simultanément et le changement se produit de la même valeur mais avec le signe opposé.

Comme on le sait, inductance de la bobine:

où W est le nombre de spires ; F - flux magnétique le pénétrant; I — le courant traversant la bobine.

Le courant est lié au MDS par le rapport :

Où nous obtenons:

où Rm = HL / Ф est la résistance magnétique du capteur inductif.

Considérons, par exemple, un seul capteur inductif. Son fonctionnement est basé sur la propriété d'une self à entrefer de changer son inductance lorsque la valeur de l'entrefer change.

Le capteur inductif est constitué d'une culasse 1, d'une bobine 2, d'une armature 3 — maintenue par des ressorts. Une tension d'alimentation en courant alternatif est fournie à la bobine 2 à travers la résistance de charge Rn. Le courant dans le circuit de charge est défini comme :

où rd est la résistance active de la self ; L est l'inductance du capteur.

Comme la résistance active du circuit est constante, une modification du courant I ne peut se produire qu'en raison d'une modification de la composante inductive XL = IRn, qui dépend de la taille de l'entrefer δ.

A chaque valeur δ correspond une certaine valeur I, qui crée une chute de tension sur la résistance Rn : Uout = IRn — est le signal de sortie du capteur. Vous pouvez dériver la dépendance analytique Uout = f (δ) à condition que l'entrefer soit suffisamment petit et que les flux parasites puissent être négligés, et que la magnétorésistance du fer Rmw puisse être négligée par rapport à la magnétorésistance de l'entrefer Rmw.

Voici l'expression finale :

Dans les appareils réels, la résistance active du circuit est bien inférieure à celle inductive, alors l'expression se réduit à la forme :

La dépendance Uout = f (δ) est linéaire (en première approximation). La fonctionnalité réelle est la suivante :

L'écart par rapport à la linéarité au début s'explique par l'hypothèse acceptée Rmzh << Rmv.

A petit d, la magnétorésistance du fer est proportionnelle à la magnétorésistance de l'air.

L'écart au grand d s'explique par le fait qu'au grand d RL devient proportionnel à la valeur de la résistance active - Rn + rd.

En général, le capteur inductif considéré présente un certain nombre d'inconvénients importants :

• la phase du courant ne change pas lorsque le sens du mouvement est modifié ;

• s'il faut mesurer le déplacement dans les deux sens, il faut régler l'entrefer initial et donc le courant I0, ce qui est gênant ;

• le courant de charge dépend de l'amplitude et de la fréquence de la tension d'alimentation ;

• pendant le fonctionnement du capteur, la force d'attraction du circuit magnétique agit sur l'induit, qui n'est équilibré par rien et introduit donc une erreur dans le fonctionnement du capteur.

Capteurs inductifs différentiels (réversibles) (DID)

Les capteurs inductifs différentiels sont une combinaison de deux capteurs irréversibles et sont réalisés sous la forme d'un système composé de deux circuits magnétiques avec une armature commune et deux bobines. Les capteurs inductifs différentiels nécessitent deux alimentations séparées, pour lesquelles un transformateur d'isolement 5 est généralement utilisé.

La forme du circuit magnétique peut être des capteurs différentiels inductifs avec un circuit magnétique en forme de W, recrutés par des ponts en acier électrique (pour les fréquences supérieures à 1000 Hz, des alliages fer-nickel-permola sont utilisés) et cylindriques avec un circuit magnétique circulaire dense . Le choix de la forme du capteur dépend de sa combinaison constructive avec l'appareil commandé. L'utilisation d'un circuit magnétique en forme de W est due à la commodité d'assembler la bobine et à réduire la taille du capteur.

Pour alimenter le capteur différentiel-inductif, un transformateur 5 avec une sortie pour le point médian de l'enroulement secondaire est utilisé. Le dispositif 4 est compris entre elle et l'extrémité commune des deux bobines, l'entrefer est de 0,2-0,5 mm.

En position médiane de l'induit, lorsque les entrefers sont égaux, les résistances inductives des bobines 3 et 3' sont les mêmes, donc les valeurs des courants dans les bobines sont égales à I1 = I2 et la résultante le courant dans l'appareil est de 0.

Avec une légère déviation de l'armature dans un sens ou dans l'autre, sous l'influence de la valeur contrôlée X, les valeurs des écarts et des inductances changent, l'appareil enregistre le courant différentiel I1-I2, c'est une fonction de l'armature déplacement depuis la position médiane. La différence de courants est généralement enregistrée à l'aide d'un dispositif magnétoélectrique 4 (microampèremètre) avec un circuit redresseur B en entrée.

Les caractéristiques du capteur inductif sont :

La polarité du courant de sortie reste inchangée quel que soit le signe de la variation de l'impédance des bobines. Lorsque le sens de déviation de l'armature par rapport à la position médiane change, la phase du courant à la sortie du capteur change en sens inverse (de 180 °). Lors de l'utilisation de redresseurs sensibles à la phase, une indication du sens de déplacement de l'induit peut être obtenue à partir de la position médiane. Les caractéristiques d'un capteur inductif différentiel avec filtre phase-fréquence sont les suivantes :

Erreur de conversion du capteur inductif

La capacité d'information d'un capteur inductif est largement déterminée par son erreur lors de la conversion du paramètre mesuré. L'erreur totale d'un capteur inductif se compose d'un grand nombre de composants d'erreur.

Les erreurs de capteur inductif suivantes peuvent être distinguées :

1) Erreur due à la non-linéarité de la caractéristique. La composante multiplicative de l'erreur totale En raison du principe de conversion inductive de la valeur mesurée, qui est à la base du fonctionnement des capteurs inductifs, elle est essentielle et détermine dans la plupart des cas la plage de mesure du capteur. Obligatoire sous réserve d'évaluation lors du développement du capteur.

2) Erreur de température. Ingrédient aléatoire.En raison du grand nombre de paramètres dépendant de la température des composants du capteur, l'erreur du composant peut atteindre des valeurs importantes et est significative. À évaluer dans la conception du capteur.

3) Erreur due à l'influence de champs électromagnétiques externes. La composante aléatoire de l'erreur totale. Cela se produit en raison de l'induction d'EMF dans l'enroulement du capteur par des champs externes et en raison d'une modification des caractéristiques magnétiques du circuit magnétique sous l'influence de champs externes. Dans les locaux industriels avec des installations électriques de puissance, des champs magnétiques avec une induction T et une fréquence principalement de 50 Hz sont détectés.

Étant donné que les noyaux magnétiques des capteurs inductifs fonctionnent à des inductions de 0,1 à 1 T, la part des champs externes sera de 0,05 à 0,005% même en l'absence de blindage. La saisie à l'écran et l'utilisation d'un capteur différentiel réduisent cette proportion d'environ deux ordres de grandeur. Ainsi, l'erreur due à l'influence des champs externes ne doit être considérée que lors de la conception de capteurs à faible sensibilité et avec l'impossibilité d'un blindage suffisant. Dans la plupart des cas, cette composante d'erreur n'est pas significative.

4) Erreur due à l'effet magnétoélastique. Elle est due à l'instabilité des déformations du circuit magnétique lors du montage du capteur (composant additif) et à l'évolution des déformations lors du fonctionnement du capteur (composante arbitraire). Des calculs prenant en compte la présence d'entrefers dans le circuit magnétique montrent que l'influence de l'instabilité des contraintes mécaniques dans le circuit magnétique provoque une instabilité du signal de sortie du capteur d'ordre, et dans la plupart des cas cette composante peut être spécifiquement négligée.

5) Erreur due à l'effet de jauge de contrainte de la bobine.Ingrédient aléatoire. Lors de l'enroulement de la bobine du capteur, une tension mécanique est créée dans le fil. Une modification de ces contraintes mécaniques lors du fonctionnement du capteur se traduit par une modification de la résistance de la bobine au courant continu et donc une modification du signal de sortie du capteur. Habituellement, pour les capteurs correctement conçus, c'est-à-dire que ce composant ne doit pas être considéré spécifiquement.

6) Déviation du câble de connexion. Cela se produit en raison de l'instabilité de la résistance électrique du câble sous l'influence de la température ou des déformations et en raison de l'induction d'EMF dans le câble sous l'influence de champs externes. Est la composante aléatoire de l'erreur. En cas d'instabilité de la propre résistance du câble, l'erreur du signal de sortie du capteur. La longueur des câbles de connexion est de 1 à 3 m et rarement plus. Lorsque le câble est constitué de fil de cuivre de section transversale, la résistance du câble est inférieure à 0,9 Ohm, instabilité de résistance. Étant donné que l'impédance du capteur est généralement supérieure à 100 ohms, l'erreur dans la sortie du capteur peut être aussi grande que Par conséquent, pour les capteurs à faible résistance de fonctionnement, l'erreur doit être estimée. Dans d'autres cas, il n'est pas significatif.

7) Erreurs de conception.Ils surviennent sous l'influence des raisons suivantes : l'influence de la force de mesure sur les déformations des pièces du capteur (additif), l'influence de la différence de la force de mesure sur l'instabilité des déformations (multiplicatif), l'influence de la guides de la tige de mesure pendant la transmission de l'impulsion de mesure (multiplicatif), l'instabilité du transfert de l'impulsion de mesure due aux écarts et au jeu des pièces mobiles (aléatoire).Les erreurs de conception sont principalement déterminées par des défauts de conception de la éléments mécaniques du capteur et ne sont pas spécifiques aux capteurs inductifs. L'évaluation de ces erreurs est réalisée selon les méthodes connues d'évaluation des erreurs des transmissions cinématiques des dispositifs de mesure.

8) Erreurs technologiques. Ils résultent d'écarts technologiques dans la position relative des pièces du capteur (additif), de la dispersion des paramètres des pièces et des bobines lors de la production (additif), de l'influence des lacunes technologiques et de l'étanchéité dans les connexions des pièces et dans les guides ( arbitraire).

Les erreurs technologiques dans la fabrication des éléments mécaniques de la structure du capteur ne sont également pas spécifiques au capteur inductif ; elles sont évaluées selon les méthodes habituelles des appareils de mesure mécaniques. Des erreurs dans la fabrication du circuit magnétique et des bobinages des capteurs conduisent à une dispersion des paramètres des capteurs et à des difficultés à assurer l'interchangeabilité de ces derniers.

9) Erreur de vieillissement du capteur.Cette composante d'erreur est causée, d'une part, par l'usure des éléments mobiles de la structure du capteur et, d'autre part, par l'évolution dans le temps des caractéristiques électromagnétiques du circuit magnétique du capteur. L'erreur doit être considérée comme accidentelle. Lors de l'évaluation de l'erreur due à l'usure, le calcul cinématique du mécanisme du capteur dans chaque cas spécifique est pris en compte. Au stade de la conception du capteur, dans ce cas, il est recommandé de définir la durée de vie du capteur dans des conditions de fonctionnement normales, pendant lesquelles l'erreur d'usure supplémentaire ne dépassera pas la valeur spécifiée.

Les propriétés électromagnétiques des matériaux changent avec le temps.

Dans la plupart des cas, les processus prononcés de modification des caractéristiques électromagnétiques se terminent dans les 200 premières heures après le traitement thermique et la démagnétisation du circuit magnétique. À l'avenir, ils restent pratiquement constants et ne jouent pas un rôle significatif dans l'erreur globale du capteur inductif.

La considération ci-dessus des composantes de l'erreur d'un capteur inductif permet d'évaluer leur rôle dans la formation de l'erreur totale du capteur. Dans la plupart des cas, le facteur déterminant est l'erreur de non-linéarité de la caractéristique et l'erreur de température du convertisseur inductif.