Czujnik indukcyjny

Elementy prostego indukcyjnego czujnika zbliżeniowego. 1. Czujnik pola 2. Oscylator 3. Demodulator 4. Wyzwalacz Shmitta 5. Wyjście

Czujnik indukcyjny to urządzenie, które wykorzystuje zasadę indukcji elektromagnetycznej do wykrywania lub pomiaru obiektów. Cewka indukcyjna wytwarza pole magnetyczne, gdy przepływa przez nią prąd; alternatywnie prąd przepłynie przez obwód zawierający cewkę indukcyjną, gdy zmieni się przez nią pole magnetyczne. Efekt ten można wykorzystać do wykrywania metalowych obiektów, które oddziałują z polem magnetycznym. Substancje niemetaliczne, takie jak ciecze czy różnego rodzaju zanieczyszczenia nie oddziałują z polem magnetycznym, dzięki czemu czujnik indukcyjny może pracować w warunkach wilgotnych lub brudnych.

Zasada

Czujnik indukcyjny oparty jest na prawie indukcji Faradaya . Czasowe zmiany $zwojów będą indukować$ magnetycznego w obwodzie N następujące napięcie : ${\ displaystyle e}$

{\ Displaystyle e = - N {\ Frac {\ operatorname {d} \ Phi} {\ operatorname {d} t}}}

co można wyrazić w prostszy sposób:

{\ Displaystyle e = - N \ razy S {\ Frac {\ operatorname {d} B} {\ operatorname {d} t}}}

zakładając, że indukowane pole magnetyczne B jest jednorodne na przekroju S ( strumień magnetyczny będzie wyrażony ${\ Displaystyle \ Phi = B \ razy S}$ ).

Jedna forma czujnika indukcyjnego napędza cewkę za pomocą oscylatora. Metalowy przedmiot zbliżający się do cewki zmieni indukcyjność cewki, powodując zmianę częstotliwości lub zmianę prądu w cewce. Zmiany te można wykryć, wzmocnić, porównać z wartością progową i użyć do przełączania obwodu zewnętrznego. Cewka może mieć rdzeń ferromagnetyczny, aby zwiększyć natężenie pola magnetycznego i zwiększyć czułość urządzenia. Można również zastosować cewkę bez rdzenia ferromagnetycznego („rdzeń powietrzny”), zwłaszcza jeśli cewka oscylatora musi pokrywać duży obszar.

Inna forma czujnika indukcyjnego wykorzystuje jedną cewkę do wytwarzania zmiennego pola magnetycznego, a drugą cewkę (lub inne urządzenie) do wykrywania zmian w polu magnetycznym wytwarzanym przez obiekt, na przykład w wyniku prądów wirowych indukowanych w metalowym obiekcie .

Aplikacje

Magnetometr z cewką wyszukiwania

Czujniki indukcyjne stanowią główny element do budowy magnetometru z cewką do wyszukiwania, zwanego również cewką do wyszukiwania . Znajdują one zastosowanie w wielu dziedzinach badań: magnetotelluryce , pomiarach fal elektromagnetycznych, magnetometrach kosmicznych do badania fal elektromagnetycznych w plazmie kosmicznej oraz obserwacjach naturalnych fal elektromagnetycznych na Ziemi.

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy (przełącznik zbliżeniowy)

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy to bezkontaktowy elektroniczny czujnik zbliżeniowy . Służy do pozycjonowania i wykrywania obiektów metalowych. Zasięg wykrywania przełącznika indukcyjnego zależy od rodzaju wykrywanego metalu. Metale żelazne, takie jak żelazo i stal, pozwalają na większy zasięg wykrywania, podczas gdy metale nieżelazne, takie jak aluminium i miedź, mogą zmniejszyć zasięg wykrywania nawet o 60 procent.

Ponieważ wyjście czujnika indukcyjnego ma dwa możliwe stany, czujnik indukcyjny jest czasami określany jako indukcyjny przełącznik zbliżeniowy .

Czujnik składa się z pętli indukcyjnej lub cewki detektora . Najczęściej jest to fizycznie pewna liczba zwojów izolowanego drutu magnetycznego nawiniętego wokół rdzenia o wysokiej przenikalności magnetycznej, takiego jak ceramiczny pręt ferrytowy lub cewka, a uzwojenie może, ale nie musi, mieć zaczep sprzężenia zwrotnego o pewną liczbę zwojów z jednego końca całkowite uzwojenie. Jest podłączony do pojemności, tworząc obwód zbiornika oscylatora o dostrojonej częstotliwości. W połączeniu z urządzeniem wzmacniającym napięcie lub prąd, takim jak tranzystor lub wzmacniacz operacyjny, tworzy to dostrojony oscylator częstotliwości. Po przyłożeniu zasilania powstające oscylacje mają wysoką częstotliwość zmienny prąd elektryczny w cewce, która ma stale zmieniające się pole magnetyczne zdolne do indukowania prądów wirowych w przewodach proksymalnych (docelowych). Im bliżej znajduje się cel i im większa jest jego przewodność (na przykład metale są dobrymi przewodnikami), tym większe są indukowane prądy wirowe i tym większy wpływ ich przeciwstawnych pól magnetycznych na wielkość i częstotliwość oscylacji. Jego wielkość zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia w przewodniku niemagnetycznym, takim jak aluminium, ponieważ pole indukowane w celu przeciwstawia się polu indukcji źródła, obniżając impedancję indukcyjną netto, a tym samym jednocześnie podnosząc częstotliwość oscylacji. Ale ta wielkość jest mniej dotknięta, jeśli celem jest materiał wysoce przepuszczalny magnetycznie, taki jak żelazo, ponieważ ta wysoka przepuszczalność zwiększa indukcyjność cewki, obniżając częstotliwość oscylacji.

Zmianę wielkości oscylacji można wykryć za pomocą prostego detektora modulacji amplitudy, takiego jak dioda, która przekazuje wartość szczytową napięcia do małego filtra w celu wytworzenia odbiciowej wartości napięcia stałego, podczas gdy zmiana częstotliwości może zostać wykryta przez jeden z kilku rodzajów obwodów dyskryminatora częstotliwości , jak detektor pętli synchronizacji fazowej, aby zobaczyć, w jakim kierunku i jak bardzo przesunie się częstotliwość. Zarówno zmiana wielkości, jak i wielkość zmiany częstotliwości mogą posłużyć do określenia odległości zbliżeniowej, przy której czujniki przechodzą od włączenia do wyłączenia lub odwrotnie.

Typowe zastosowania czujników indukcyjnych obejmują wykrywacze metali , sygnalizację świetlną , myjnie samochodowe i wiele zautomatyzowanych procesów przemysłowych. Ponieważ czujnik nie wymaga kontaktu fizycznego, jest szczególnie przydatny w zastosowaniach, w których dostęp jest utrudniony lub gdzie występuje brud.

Czujnik ruchu

Aby sterować sygnalizacją świetlną na skrzyżowaniu dróg, w chodniku można zakopać pętlę indukcyjną . Obwód podłączony do pętli może wykryć zmianę swojej indukcyjności, gdy pojazd przejeżdża lub zatrzymuje się na pętli. Można to wykorzystać do wykrywania pojazdów i dostosowywania synchronizacji sygnalizacji świetlnej lub włączania sygnału skrętu na ruchliwym skrzyżowaniu.

Magnetyczny rezonans jądrowy

Czujniki indukcyjne, określane również (w tej dziedzinie) jako „cewki NMR” lub „cewki o częstotliwości radiowej” , są używane do wykrywania składowej magnetycznej pola elektromagnetycznego związanego z precesją spinu jądrowego w jądrowym rezonansie magnetycznym .

Zobacz też

Pavel Ripka, Czujniki magnetyczne i magnetometry , Wydawnictwo Artech House
S. Tumański, Czujniki cewki indukcyjnej - recenzja
C. Coillot i in., Modelowanie sygnału cewki elektromagnesu wstęgowego MRI przeznaczonej do badań urazów rdzenia kręgowego