Un capteur au sens général est un appareil qui convertit une grandeur physique en une autre, pratique pour le traitement, la transmission ou la conversion ultérieure. En règle générale, la première grandeur est physique, non mesurable directement (température, vitesse, déplacement, etc.), et la seconde est un signal électrique ou optique. Une niche dans le domaine des instruments de mesure est occupée par les capteurs dont l'élément principal est une inductance.
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Comment fonctionne le capteur d'inductance et comment il fonctionne
Selon le principe de fonctionnement, les capteurs inductifs sont actifs, c'est-à-dire qu'ils nécessitent un générateur externe pour fonctionner. Il fournit un signal avec une fréquence et une amplitude données à l'inductance.
Le courant traversant les spires de la bobine crée un champ magnétique. Si un objet conducteur entre dans le champ magnétique, les paramètres de la bobine changent.Il ne reste plus qu'à corriger ce changement.
De simples capteurs sans contact réagissent à l'apparition d'objets métalliques dans la zone proche de l'enroulement. Cela modifie l'impédance de la bobine, cette modification doit être convertie en un signal électrique, amplifier et (ou) fixer le passage du seuil à l'aide d'un circuit de comparaison.
Des capteurs d'un autre type réagissent aux changements de position longitudinale de l'objet qui sert de noyau à la bobine. Lorsque la position de l'objet change, il entre ou sort de la bobine, modifiant ainsi son inductance. Ce changement peut être converti en un signal électrique et mesuré. Une autre version d'un tel capteur est lorsqu'un objet s'approche de la bobine de l'extérieur. Cela provoque une diminution de l'inductance due à l'effet de sol.
Une autre version du capteur de déplacement inductif est un transformateur différentiel à réglage linéaire (LVDT). Il s'agit d'une bobine composite, fabriquée dans l'ordre suivant :
- enroulement secondaire 1 ;
- enroulement primaire;
- enroulement secondaire 2.
Le signal du générateur est transmis à l'enroulement primaire. Le champ magnétique créé par la bobine centrale induit une FEM dans chacun des secondaires (principe du transformateur). Le noyau, lorsqu'il se déplace, modifie la connexion mutuelle entre les bobines, modifiant la force électromotrice dans chacun des enroulements. Ce changement peut être fixé par le circuit de mesure. Étant donné que la longueur du noyau est inférieure à la longueur totale de la bobine composite, la position de l'objet peut être déterminée sans ambiguïté par le rapport EMF dans les enroulements secondaires.
Sur le même principe - une modification du couplage inductif entre les enroulements - un capteur de virage est construit.Il se compose de deux bobines coaxiales. Le signal est appliqué à l'un des enroulements, la FEM dans le second dépend de l'angle de rotation mutuel.
D'après le principe de fonctionnement, il est évident que les capteurs inductifs, quelle que soit leur conception, sont sans contact. Ils fonctionnent à distance et ne nécessitent pas de contact direct avec l'objet contrôlé.
Avantages et inconvénients des capteurs inductifs
Les avantages des capteurs de type inductif sont principalement :
- fiabilité de conception ;
- manque de connexions de contact;
- puissance de sortie élevée, ce qui réduit l'influence du bruit et simplifie le circuit de commande;
- haute sensibilité;
- la capacité de travailler à partir de sources de tension alternative de fréquence industrielle.
Le principal inconvénient des capteurs de type inductif est leur taille, leur poids et leur complexité de fabrication. Pour les bobines d'enroulement avec les paramètres donnés, un équipement spécial est requis. De plus, la nécessité de maintenir avec précision l'amplitude du signal de l'oscillateur maître est considérée comme un inconvénient. Quand il change, la zone de sensibilité change également. Comme les capteurs ne fonctionnent qu'en courant alternatif, le maintien de l'amplitude devient un certain problème technique. Directement (ou via un transformateur abaisseur), il ne sera pas possible de connecter le capteur à un réseau domestique ou industriel - dans celui-ci, les fluctuations de tension en amplitude ou en fréquence peuvent même atteindre 10% en mode normal, ce qui rend la précision de mesure inacceptable .
De plus, la précision de la mesure peut être affectée par :
- champs magnétiques tiers (le blindage du capteur est impossible sur la base du principe de son fonctionnement) ;
- capteurs EMF tiers dans les câbles d'alimentation et de mesure ;
- erreurs de fabrication;
- erreur caractéristique du capteur ;
- jeux ou déformations sur le site d'installation du capteur qui n'affectent pas les performances globales ;
- dépendance de la précision à la température (les paramètres du fil de bobinage changent, y compris sa résistance).
L'incapacité des capteurs à inductance à répondre à l'apparition d'objets diélectriques dans leur champ magnétique peut être attribuée à la fois à des avantages et à des inconvénients. D'une part, cela limite le champ de leur application. En revanche, il le rend insensible à la présence de saleté, graisse, sable, etc. sur les objets surveillés.
La connaissance des lacunes et des éventuelles limitations du fonctionnement des capteurs inductifs permet une utilisation rationnelle de leurs avantages.
Portée des capteurs inductifs
Les capteurs de proximité inductifs sont souvent utilisés comme interrupteurs de fin de course. De tels dispositifs se sont généralisés :
- dans les systèmes de sécurité, en tant que capteurs d'ouverture non autorisée de fenêtres et de portes ;
- dans les systèmes télémécaniques, en tant que capteurs de la position finale des unités et des mécanismes ;
- dans la vie quotidienne dans les schémas d'indication de la position fermée des portes, volets;
- pour compter des objets (par exemple, se déplacer le long du tapis roulant);
- déterminer la vitesse de rotation des engrenages (chaque dent, passant devant le capteur, crée une impulsion) ;
- dans d'autres situations.
Les codeurs angulaires peuvent être utilisés pour déterminer les angles de rotation des arbres, engrenages et autres composants rotatifs, ainsi que les codeurs absolus. En outre, de tels dispositifs peuvent être utilisés dans des machines-outils et des dispositifs robotiques avec des capteurs de position linéaires. Où vous devez connaître exactement la position des nœuds des mécanismes.
Exemples pratiques de mise en œuvre de capteurs inductifs
En pratique, les conceptions de capteurs inductifs peuvent être mises en œuvre de différentes manières. L'exécution et l'inclusion les plus simples concernent un capteur unique à deux fils, qui surveille la présence d'objets métalliques dans sa zone de sensibilité. De tels dispositifs sont souvent réalisés sur la base d'un noyau en forme de E, mais ce n'est pas un point fondamental. Une telle réalisation est plus facile à fabriquer.
Lorsque la résistance de la bobine change, le courant dans le circuit et la chute de tension aux bornes de la charge changent. Ces modifications peuvent être validées. Le problème est que la résistance de charge devient critique. S'il est trop grand, les changements de courant lorsqu'un objet métallique apparaît seront relativement faibles. Cela réduit la sensibilité et l'immunité au bruit du système. S'il est petit, le courant dans le circuit sera important, un capteur plus résistant sera nécessaire.
Par conséquent, il existe des conceptions dans lesquelles le circuit de mesure est intégré dans le boîtier du capteur. Le générateur génère des impulsions qui alimentent l'inductance. Lorsqu'un certain niveau est atteint, la gâchette se déclenche, passant de l'état 0 à 1 ou vice versa. L'amplificateur tampon amplifie le signal en termes de puissance et (ou) de tension, allume (éteint) la LED et émet un signal discret vers le circuit externe.
Le signal de sortie peut être formé :
- électromagnétique ou relais statique – zéro ou un niveau de tension;
- "contact sec" relais électromagnétique;
- collecteur ouvert transistor (structures n-p-n ou p-n-p).
Dans ce cas, trois fils sont nécessaires pour connecter le capteur :
- aliments;
- fil commun (0 volt);
- fil de signalisation.
De tels capteurs peuvent également être alimentés en tension continue. Les impulsions à l'inductance sont formées au moyen d'un générateur interne.
Des codeurs différentiels sont utilisés pour la surveillance de position. Si l'objet contrôlé est symétrique par rapport aux deux bobines, le courant qui les traverse est le même. Lorsqu'un enroulement est décalé vers le champ, un déséquilibre se produit, le courant total cesse d'être égal à zéro, ce qui peut être enregistré par un indicateur avec une flèche au milieu de l'échelle. L'indicateur peut être utilisé pour déterminer à la fois l'ampleur du changement et sa direction. Au lieu d'un dispositif de pointage, vous pouvez utiliser un schéma de contrôle qui, lors de la réception d'informations sur un changement de position, émettra un signal, prendra des mesures pour aligner l'objet, apportera des ajustements au processus technologique, etc.
Les capteurs fabriqués selon le principe des transformateurs différentiels à réglage linéaire sont produits sous la forme de structures complètes, qui sont un cadre avec des enroulements primaire et secondaire et une tige se déplaçant à l'intérieur (elle peut être à ressort). Des fils sont sortis pour envoyer un signal du générateur et supprimer l'EMF des enroulements secondaires. Un objet contrôlé peut être fixé mécaniquement à la tige. Il peut également être constitué d'un diélectrique - seule la position de la tige importe pour la mesure.
Malgré certaines lacunes inhérentes, le capteur inductif ferme de nombreuses zones associées à la détection sans contact d'objets dans l'espace.Malgré le développement constant de la technologie, ce type d'appareil ne quittera pas le marché des appareils de mesure dans un avenir prévisible, car son fonctionnement repose sur les lois fondamentales de la physique.
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