Индуктивные датчики положения измеряют индуктивность.

Индуктивные датчики не измеряют индуктивность. Работа этих устройств основана на взаимодействии магнитного поля катушки датчика и металла, который входит в состав объекта. Для точного определения возмущений в магнитном поле, вызванных этим объектом, используются хорошо известные свойства трансформатора с воздушным сердечником и закон Фарадея. Проще говоря, индуктивные датчики измеряют возмущение магнитного поля, обусловленное проводящим объектом (см. рис. 1).

 

Точность определения положения с помощью индуктивных датчиков невысока.

Это в корне неверное утверждение, т.к. индуктивные датчики положения работают с очень высокой точностью и при высоких рабочих температурах превосходят другие магнитные датчики, применение которых в таких случаях затруднено. Показания индуктивных датчиков положения не зависят от нелинейных свойств постоянного магнита – они фиксируют только возмущение в генерируемом ими магнитном поле. Погрешность их измерения не превышает ±0,1% во всем диапазоне измерения при комнатной температуре. Погрешность не превышает ±0,3% при более высоких температурах и изменениях воздушного зазора между объектом и датчиком.

Кроме того, для устранения вариаций температуры или минимизации этого эффекта применяется полноценный алгоритм. Например, индуктивный датчик положения возбуждает магнитное поле на частоте 1–6 МГц, используя для этого LC-генератор. Оба параметра могут меняться в зависимости от температуры, но это не влияет на точность определения положения. Дело в том, что приемные каналы вторичной обмотки используют синхронную демодуляцию (см. рис. 2),

причем демодулятор управляется осциллятором первичной стороны. Этот дрейф не влияет на амплитуду принимаемых сигналов. В то же время металлические объекты, находящиеся рядом с датчиком, могут влиять на магнитное поле. В таких случаях требуется калибровка, которая, однако, не учитывает изменений температуры. Для устранения погрешностей вычислений и дискретизации применяются 13-бит АЦП и 32-бит процессоры, обеспечивающие 12-бит разрешение на выходе в измеряемом диапазоне.

У индуктивных датчиков положения – высокая цена.

Высокая эффективность индуктивных датчиков сочетается с разумной стоимостью. Если датчикам Холла и магниторезистивным датчикам требуется постоянный магнит для обеспечения достаточно хорошей точности, то индуктивным датчикам необходимо только, чтобы объект был металлическим, благодаря чему пользователь может сэкономить на цене магнита. И хотя площадь платы индуктивного датчика больше за счет его проводников, ее стоимость существенно ниже стоимости постоянного магнита. Таким образом, индуктивный датчик положения – более экономичное решение, чем приложения с датчиком Холла или магниторезистивным датчиком благодаря тому, что магнитное поле измеряется без помощи магнита.

Индуктивные датчики положения чувствительны к внешнему магнитному полю.

Современные автоматические устройства генерируют еще больше паразитных магнитных полей, чем прежде, которые вызывают проблемы с использованием датчиков Холла и магнитных датчиков. В индуктивных датчиках положения применяется активная демодуляция для борьбы с этими паразитными полями.

Величина потребляемого тока электромобилями следующего поколения достигает нескольких сотен ампер (см. рис. 3).

 

Кроме того, большинство электромобилей оснащено более чем тремя бесщеточными электродвигателями постоянного тока (BLDC), электронными гидроусилителями руля и системами помощи при торможении. Все эти системы генерируют паразитное магнитное поле. Поскольку у него высокая скорость нарастания, ужесточаются требования к проведению испытаний на помехоустойчивость. В соответствии с действующими стандартами автомобильная электроника при прохождении испытаний на электромагнитную совместимость подвергается воздействию поля постоянного тока величиной 4 мТл, и потому ложные показания датчиков недопустимы.

Преимущество индуктивных датчиков положения в том, что они устойчивы к этим помехам благодаря активной фильтрации только той частоты, которая требуется для измерений. Поскольку в этих датчиках не используются магнитные материалы, данные устройства не подвержены влиянию магнитного поля постоянного тока. Кроме того, описанный выше синхронный демодулятор отфильтровывает сигналы на других частотах, отличных от частоты возбуждения первичной обмотки. Такой принцип подавления не применим в датчиках Холла и магниторезистивных датчиках.

Измерение положения с помощью индуктивных датчиков – новая технология.

В индуктивных датчиках положения проводники печатной платы используются для определения положения объекта, а объектом измерения является металлический предмет. На самом деле, эта технология давно является общепринятой – лишь изменился способ измерения. Принцип работы линейного дифференциального трансформатора напряжения (LVDT) очень схож с принципом измерений индуктивного датчика положения. В этом трансформаторе первичная обмотка и две вторичные обмотки определяют положение металлической рукоятки в робототехнических приложениях. В индуктивных датчиках положения применяются во многом схожие методы, которые к тому же позволяют разместить проводники катушки на печатной плате.

В магнитных вращающихся трансформаторах, представляющих собой разновидность LVDT-трансформатора, применяются те же методы. И в этом случае не трансформатор определяет положение металлического объекта, а индуктивный датчик с помощью проводников печатной платы. Для определения координат все три названных устройства измеряют соотношение между двумя напряжениями, индуцированными возмущенным магнитным полем проводящего элемента.

Из-за дублирующего датчика объем занимаемого пространства удваивается.

Критически важным автомобильным и промышленным приложениям часто необходима избыточность для обеспечения самого высокого уровня безопасности. Благодаря оптимизации слоев печатной платы и некоторым инновационным методам создания первичной обмотки сдвоенному датчику не требуется в два раза больше места на печатной плате по сравнению с одинарным устройством (см. рис. 4).

 

Два гальванически изолированных датчика, свободно связанных с полем, совместно измеряют величину одного и того же магнитного поля. Вторичные обмотки соединены с двумя микросхемами, с которых поступают два независимых сигнала о положении объекта, что повышает безопасность приложения.

Индуктивные датчики положения измеряют только небольшие линейные перемещения.

Индуктивные датчики положения могут измерять линейные перемещения в достаточно широком диапазоне. Наилучшая точность достигается в тех случаях, когда длина датчика сопоставима с диапазоном измерений; при этом выходное разрешение может масштабироваться даже при измерении минимального расстояния. Длина датчика варьируется в диапазоне 5–600 мм и выше. Любые ограничения по длине должны соотноситься со способностью осциллятора генерировать корректный сигнал для резонансного LC-контура. Во всех случаях применяется один и тот же принцип работы: определяются изменения генерируемого магнитного поля.

Измерение линейных перемещений – заметное преимущество этой технологии, а требуемая чувствительность достигается с помощью единого принципа измерения во многих используемых на практике диапазонах. В то же время для выполнения аналогичной задачи может потребоваться несколько мультиплексированных датчиков Холла, чтобы магнит перемещался из одного положения в другое. Перекрестное управление таким мультиплексированием достаточно сложное, а на результаты измерения может влиять изменение температуры. Индуктивный датчик не имеет таких недостатков и измеряет линейные перемещения в соответствии с требованиями приложений.

Индуктивные датчики положения измеряют только линейные перемещения.

Датчики этого типа могут измерять не только линейные, но и вращательные и дуговые перемещения с не меньшей точностью при более высокой помехоустойчивости. Индуктивная технология применяется для измерения положения автомобильных педалей, воздушных и водяных клапанов, а также роторов. Например, 360-градусный датчик положения ротора устроен как изогнутый линейный датчик с соединенными концами. Индуктивные датчики для измерения круговых перемещений – самые точные приборы благодаря тому, что генерируемое магнитное поле является очень однородным вдоль всех радиусов. Таким образом, эта технология обеспечивает измерение линейных, круговых и дуговых перемещений.

Измеряемые объекты должны быть изготовлены из магнитного материала.

Датчики рассматриваемого типа определяют изменения магнитного поля под влиянием перемещающегося металлического объекта, но в использовании магнитного материала нет необходимости. Все проводящие ток объекты вызывают появление вихревых токов, возмущающих магнитное поле (см. рис. 5).

Индуктивные датчики положения программируются внешними устройствами.

В автомобилях часто применяются датчиковые модули, которые подключаются к блокам управления двигателем с помощью проводов. Как правило, к датчику подключаются провода питания и заземления, а также выходного контакта. Калибровка модуля с помощью силового вывода исключает необходимость в дополнительных подключениях к печатной плате с датчиком, что позволяет сэкономить расходы и проблемы сборки. Однако в некоторых встраиваемых приложениях датчик может программироваться с помощью внешнего микроконтроллера, например LX3302A от компании Microchip с помощью выводов GPIO.

Разработчики не получают помощи от производителей компонентов.

Не так давно для получения хороших результатов требовалось обладать хорошим опытом проектирования приложений с магнитными датчиками, доступом к самым современным средствам моделирования методом конечных элементов или большим терпением для реализации проекта методом проб и ошибок. В настоящее время производители ИС предоставляют клиентам демонстрационные платы и наборы, которые позволяют не только начать с разработки модели, но и выполнить полноценные симуляции проводников печатной платы. Некоторые вендоры даже предоставляют результаты симуляций с анализом погрешности датчика до этапа испытаний печатной платы.

Шифр статьи: МСА816

Размещение статей, рекламы, новостей и подписка: anton.denisov@ecomp.ru