Индуктивные датчики: что это такое и как они работают?

Индуктивный датчик — это неэлектрическое измерительное устройство, которое использует изменение коэффициента собственной индуктивности или взаимной индуктивности катушки для достижения неэлектрической величины. Индуктивные датчики могут использоваться для измерения таких параметров, как перемещение, давление, вибрация, деформация и расход. Он имеет ряд преимуществ, таких как простая структура, высокая чувствительность, большая выходная мощность, малый выходной импеданс, сильная помехозащищенность и высокая точность измерений, поэтому он широко используется.

Индуктивный датчик использует принцип электромагнитной индукции для преобразования измеренной неэлектрической мощности, такой как смещение, давление, расход, вибрация и т. д., в изменение собственной индуктивности катушки L или взаимной индуктивности M, а затем преобразует ее в выходное напряжение или изменение тока по измерительной цепи.

Давайте начнем с рассмотрения того, что такое самоиндуктивность и взаимная индуктивность.

Явление самоиндуктивности: Когда ток в катушке изменяется, измененное магнитное поле, которое она генерирует, возбуждает не только индуцированную электродвижущую силу в соседней цепи, но и возбуждает саму индуцированную электродвижущую силу, что называется явлением самоиндуктивности.

Взаимная индуктивность: Когда ток изменяется в одной катушке, явление индуцирования электродвижущей силы в другой катушке называется взаимной индуктивностью. Электродвижущая сила, возникающая при явлении взаимной индуктивности, называется электродвижущей силой взаимной индуктивности.

Существует множество типов индуктивных датчиков, и следующие три являются распространенными.

датчики с автоматическим распознаванием;
датчики взаимной индуктивности;
вихретоковые датчики;

Обычно используемый индуктивный сенсорный переключатель в автомобилях представляет собой своего рода датчик вихревых токов, и прежде чем представить индуктивный сенсорный переключатель, мы сначала расскажем, что такое явление вихревых токов.

Феномен вихретоковых токов:

Когда проводящая мишень приближается к катушке датчика с током I1, на поверхность проводящей мишени воздействует магнитное поле H1, создаваемое катушкой датчика, и проводящая мишень образует вихревой ток I2. Магнитное поле H2 этих вихревых токов препятствует протеканию тока катушки индуктивности, тем самым уменьшая индуктивность L системы и тем самым увеличивая резонансную частоту f.

Формула для вычисления резонансной частоты: f=1/(2π√LC); f: собственная частота; L: Индуктивность; C: Емкостный;

2. Принцип работы индуктивного сенсорного переключателя:

Индуктивные тактильные переключатели могут быть легко реализованы с помощью трех основных компонентов: индуктивного датчика, целевой поверхности и преобразователя индуктивности в цифровой (LDC). Датчики часто могут быть реализованы с катушками на основе печатных плат или гибких схем. Целевая поверхность должна быть гибким проводящим материалом, таким как тонкий металл, достаточно толстый, чтобы поддерживать вихревые токи для скин-эффекта. Когда к поверхности мишени прикладывается сила, материал слегка отклоняется, что приводит к сокращению расстояния между индуктивным датчиком и целевой поверхностью (DTARGET). Прогиб проводника приводит к уменьшению индуктивности датчика L(d), что, в свою очередь, приводит к увеличению резонансной частоты датчика, которая обнаруживается LDC. В приведенном ниже примере прогиба мишени, если материалом мишени является нержавеющая сталь 430 толщиной 1 мм, прогиб кнопки диаметром 20 мм составит около 0,1 мкм. Когда усилие снимается, поверхность кнопки возвращается к исходной форме.

3. Факторы, влияющие на чувствительность:

3.1 Материалы мишени:

Материалы с более высокой проводимостью (σ) больше подходят для индуктивных зондирующих приложений. Величина вихревых токов, генерируемых на поверхности мишени, напрямую связана с электропроводностью (σ) материала мишени. Материалы с более высокой проводимостью, такие как медь, алюминий или серебро, являются предпочтительными целями для индуктивных сенсорных кнопок. Тонкий слой проводящего материала может быть добавлен к непроводящему материалу, такому как пластик, для создания эффективной целевой поверхности для кнопок.

3.2 DTARGET и размер сенсора:

Как упоминалось ранее, индуктивные индуктивные переключатели основаны на взаимодействии с электромагнитным полем, генерируемым индуктивным датчиком. Линии электромагнитного поля пропорциональны диаметру датчика, и вихревые токи, которые они генерируют на поверхности мишени, уменьшаются по мере увеличения DTARGET. Зависимость чувствительности переключения от целевого расстояния показана ниже, так как она связана с диаметром датчика. КАК ПОКАЗАНО НА РИСУНКЕ, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НАИЛУЧШАЯ, КОГДА DTARGET НАХОДИТСЯ В ПРЕДЕЛАХ 20% ОТ ДИАМЕТРА КАТУШКИ ДАТЧИКА.