background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        130 
 

4.     POMIAR PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH I BADANIE CZUJNIKÓW 

PRZEMIESZCZENIA 

 
4.1. 

Wprowadzenie 

Zagadnienie  pomiaru  przemieszczeń  liniowych  zasadniczo  sprowadza  się  do 

wyznaczenia  drogi liniowej s przebytej przez wyróżniony punkt badanego obiektu albo do 
pomiaru  odległości  dwóch  wyróżnionych  punktów  na  tym  obiekcie.  Można  przyjąć 
(rys.4.1) że, wyróżniony punkt P

0

 badanego obiektu nie przemieszcza się w czasie pomiaru 

(położenia X

0

 punktu P

jest niezmienne; X

0  

= const.). W praktyce często przyjmuje się dla 

położenia  tego  punktu  wartość  zerową  (X

0

  =  0).  W  praktyce  oznacza  to  możliwość 

zerowania  wskazania  miernika  przemieszczenia  przy  dowolnym  położeniu  jego  sondy 
pomiarowej.  Wówczas  wskazanie  tego  miernika  będzie  odpowiadało  wartości 
bezwzględnej przemieszczenia 

0

X

X

s

. Przemieszczenie s może być stałe w czasie jak 

w przypadku pomiaru wymiarów geometrycznych albo zmienne w czasie jak w przypadku 
pomiaru drgań mechanicznych.  

 

+ s

X

0

X'

P

0

P

X

- s

X' > X

0

X" < X

0

0

X"

przemieszczenie

s

 

 

 Rys.4.1. Interpretacja przemieszczenia liniowego. 

 
Z  rys.4.1  wynika  że,  przemieszczenie  s  może  być  wyznaczone  z  różnicy  wskazań 

miernika przemieszczeń; s = X – X

0

  albo może ono być wprost wskazywane przez miernik 

jeśli był on wyzerowany w położeniu X

0

; jeśli X

0 

= 0 to s = X, (X = X’ lub X = X”).   

Jeśli  X

=  0  to  w  zależności  od  kierunku  przemieszczenia  punktu  P  (  „+”  lub  „-” na 

rys.4.1)  może  być:  s  >  0  albo  s  <  0.  W  przypadku  pomiaru  wymiarów  geometrycznych 
przedmiotów albo odległości dwóch punktów mamy do czynienia z wartością bezwzględną 
przemieszczenia  s.  Przemieszczenie  liniowe  można  mierzyć  w  sposób  bezdotykowy  np. 
metodą  optyczną,  ultradźwiękową  (duże  przemieszczenia),  elektryczną  za  pomocą 
czujników  wiroprądowych  lub  pojemnościowych  zbliżeniowych  (małe  przemieszczenia) 
albo  w  sposób  dotykowy  za  pomocą czujników elektromechanicznych (pojemnościowych, 
indukcyjnościowych).  W  dalszym  ciągu  rozpatruje  się  pomiary  względnie  małych 
przemieszczeń  (s  <  100mm)  za  pomocą  elektromechanicznych  czujników  – 
indukcyjnościowych, 

indukcyjnych-wiroprądowych 

pojemnościowych. 

Spośród 

wymienionych  rodzajów  czujników  przemieszczenia  liniowego  najlepsze  właściwości 
metrologiczne  mają  czujniki  pojemnościowe.  Są  one  jednak  wrażliwe  na  czynniki 
atmosferyczne  zwłaszcza  wilgotność.  Czujniki  wiroprądowe    działają  w  sposób 
bezdotykowy,  nie  posiadają  części  ruchomych  i  są  mało  wrażliwe  na  czynniki 
atmosferyczne.  Są  one  jednak  wrażliwe  na  zewnętrzne  pola  elektromagnetyczne,    mają 
nieliniową 

charakterystykę, 

wymagają 

stosowania 

specjalnej 

metalowej 

płytki 

pomiarowej,  którą  mocuje  się  na  powierzchni  badanego  obiektu.  Sygnał  wyjściowy  tego 
rodzaju  czujników  zależy  od  przewodności  elektrycznej  oraz  przenikalności  magnetycznej 
przedmiotu znajdującego się w pobliżu cewki czujnika. Brak części ruchomych sprawia że, 
mają  one  małą  inercję  co  pozwala  wykorzystywać  je  w  warunkach  dynamicznych  np.  w 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        131 
 

pomiarach  drgań  mechanicznych.  Czujniki  indukcyjnościowe  i  pojemnościowe  mają 
ruchomy  trzpień  pomiarowy  stykający  się  z  powierzchnią  badanego  obiektu.  Trzpień  ten 
połączony  jest  odpowiednio  z  ruchomym  rdzeniem  ferromagnetycznym  (rdzeniem 
nurnikowym lub kotwicą magnetyczną) lub ruchomą elektrodą kondensatora pomiarowego 
czujnika.  W  czujnikach  indukcyjnościowych  zmienia  się  indukcyjność  uzwojenia  czujnika, 
sprzężenie  magnetyczne  uzwojeń  albo  wypadkowa  przenikalność  magnetyczna  obwodu 
magnetycznego  czujnika.  W  zależności  od  konstrukcji  i  budowy  obwodu  magnetycznego 
tych  czujników  rozróżnia  się  czujniki  z  rdzeniem  nurnikowym  oraz  z  ruchomą  kotwicą. 
Zależnie  od  liczby  uzwojeń  i  ich  połączenia  czujniki  indukcyjnościowe  mogą  pracować  w 
układzie  transformatorowym  lub  dławikowym.  Sygnałem  wyjściowym  czujników 
indukcyjnościowych  zwykle  jest  napięcie  elektryczne  (rzadziej  indukcyjność  uzwojenia 
czujnika).  

4.1.1.  Czujniki indukcyjnościowe 

Czujniki  indukcyjnościowe  charakteryzują  się  stosunkowo  dużą  wartością  sygnału 

wyjściowego  i  dobrymi  właściwościami  metrologicznymi  (duża  czułość,  dobra  liniowość 
charakterystyki  przetwarzania,  mała  wrażliwość  na  czynniki  atmosferyczne  i  zakłócenia 
elektromagnetyczne)  [7],  [9].  Czujniki  indukcyjnościowe  z  rdzeniem  nurnikowym  są 
najczęściej  wykorzystywane  w  układach  automatyki  przemysłowej  oraz  urządzeniach 
kontrolno-pomiarowych.  Są  one  także  wykorzystywane  w  manometrach  (np.  w 
manometrach  z  rurką  Bourdona  jak  na  rys.3.29).  Stanowią  one  wówczas  przetwornik 
zależnego  od  mierzonego  ciśnienia  przemieszczenia  elementu  sprężystego  (rurki)  na 
sygnał  elektryczny  (zwykle  napięcie).  Na  rys.4.2  pokazano  schemat  zastępczy 
indukcyjnościowego czujnika różnicowego z rdzeniem nurnikowym. 

u

wy

X

R

obc

L

1

R

1

L

2

L

3

M

12

M

13

M

23

Fe

z

1

z

2

z

3

u

Z

  = U

 sin 

t

u

1

u

2

 

Rys.4.2. Schemat zastępczy  indukcyjnościowego czujnika różnicowego z rdzeniem 

nurnikowym. 

 

Napięcie wyjściowe czujnika przedstawionego na rys.4.1 opisuje zależność: 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        132 
 

2

2

1

2

12

13

2

23

3

2

1

23

3

2

2

1

1

12

13

1

R

R

R

M

M

M

L

L

L

M

L

L

R

R

L

U

M

M

U

Z

wy





j

. (4.1) 

W  zależności  (4.1)  symbolem  R

2

  oznaczano  rezystancję  obciążenia  czujnika  R

obc

 

(rys.4.1).  Jeśli  czujnik  pracuje  w  stanie  jałowym  (R

2

  =  R

obc 

  )  to  dla  jego  napięcia 

wyjściowego można napisać na podstawie zależności (4.1): 

 

.



1

1

2

1

2

1

12

13

exp

R

L

L

R

U

M

M

u

Z

wy

jarctg

.                                 (4.2) 

 

Wyrażenie  w  liczniku  zależności  (4.1)  i  (4.2)  opisuje  różnicę  modułów  napięć  u

1

  i    u

2

  

indukowanych  w  uzwojeniach  z

i  z

3

.  Przy  małej  częstotliwości  napięcia  zasilania  czujnika 

(np.  f  =  50Hz)  i  znacznej  wartości  rezystancji  szeregowej  R

1

  natężenie  pola 

magnetycznego  w  obwodzie  magnetycznym  czujnika  jest  praktycznie  w  fazie  z  napięciem 
zasilającym  U

Z

    gdyż 

L

<<  R

1

.  Składowe  U

1

  i  U

2

  napięcia  wyjściowego  U

wy 

  są  więc 

obrócone  względem  napięcia  zasilającego  o  kąty  odpowiednio  +/2  oraz  -/2.  Należy 
pamiętać  że,  indukowane  w  uzwojeniach  czujnika  napięcia  są  odkształcone  w  wyniku 
nieliniowej  charakterystyki  magnesowania  rdzenia.  Przy  wyższych  częstotliwościach 
napięcia  zasilającego  rośnie  przesunięcie  fazowe  pomiędzy  napięciem  zasilającym  a 
natężeniem  pola  magnetycznego.  Powoduje  to  że,  składowe  napięcia  wyjściowego  są 
przesunięte  względem  napięcia  zasilającego  o  kąt  różny  od  /2.  Skutkiem  tego  jest 
istnienie  na  zaciskach  wyjściowych  resztkowego  napięcia  U

0

  przy  rdzeniu  symetrycznie 

usytuowanym  względem  uzwojeń  wtórnych.  Na  rys.4.3  pokazano  charakterystyki 
przetwarzania  czujnika  różnicowego.  Charakterystyka  1  dotyczy  czujnika  idealnego  przy 
założeniu,  że  nie  występują  wyższe  harmoniczne  w  napięciach  indukowanych  w 
uzwojeniach  czujnika.  Charakterystykę  tę  opisują  zależności  (4.1)  oraz  (4.2). 
Charakterystyka  2  pokazana  na  rys.4.3  dotyczy  czujnika  rzeczywistego.  Jest  to 
charakterystyka  nieliniowa,  symetryczna  względem  środkowego  położenia  rdzenia 
podobnie  jak  charakterystyka  idealna  1.  Z  przebiegu  charakterystyki  2  wynika 
ograniczenie zakresu pomiarowego do X

max

{

 

(-X

max

 

 

X

0

) albo (X

 +X

max

)}. Przebieg tej 

charakterystyki  wynika  z  nieliniowości  charakterystyki  magnesowania  rdzenia  od,  której 
zależą  sprzężenia  magnetyczne  uzwojeń  czujnika  (indukcyjności  wzajemne  M

12

,  M

13

). 

Stąd  wynika  istnienie

 

  U

max

  zaś  w  wyniku  obecności  wyższych  harmonicznych, 

niejednorodności 

magnetycznych 

elektrycznych 

(różne 

rozkłady 

pojemności 

międzyzwojowych,  międzycewkowych  i  doziemnych  –  do  obudowy  czujnika)  powstaje 
napięcie  resztkowe  U

0

  (rys.4.3).  W  zakresie  przemieszczeń rdzenia (nurnika) szerszym od 

X

max

 napięcie wyjściowe czujnika U

wy

 zmienia się w zakresie (U

0

U

max

).  

 
 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        133 
 

X

max

+X

max

U

0

0

U

wy

X

1

2

U

max

X

N

X

N

U

N

U

Z

U

1

U

wy

U

2

Fe

 

 

Rys.4.3. Charakterystyki wyjściowa U

wy

 = f (X) różnicowego czujnika 

indukcyjnościowego; 1 – charakterystyka idealna, 2 – charakterystyka rzeczywista. 

 

 
W  praktyce  wykorzystuje  się  węższy  zakres  przemieszczeń  (-X

N

,  0)  albo  (0,  +U

N

jeśli  czujnik  ma  konstrukcję  jak  na  rys.4.2  albo  częściej  wykorzystuje  się  konstrukcje  w, 
których  uzwojenia  różnicowe  mają  wyprowadzenia  zewnętrzne,  do  których  z  kolei 
przyłącza się prostownik fazowy. Szczególnie dogodnym układem detektora fazowego jest 
modulator pierścieniowy (kołowy) lub przeciwsobny zasilany ze źródła, z którego zasilany 
jest  czujnik.  Uzyskuje  się  wtedy  jednoznaczną  charakterystykę  w  zakresie  przemieszczeń 
X

max

 przy tym jej nieliniowość jest mniejsza niż dla czujnika bez detektora fazowego. 
Napięcie  wyjściowe  czujnika  z  prostownikiem  fazowym  w  zakresie  przemieszczeń 

od  –X

max

  do  +X

max

  zmienia  się  od  –U

max

  do  +U

max

.  W  praktycznych  konstrukcjach  takich 

czujników  ogranicza  się  zakres  pomiarowy  do  X

(nominalny  zakres  pomiarowy), 

pozwala  to  uzyskać  charakterystykę  czujnika 

 

X

f

U

wy

 

o  błędzie  nieliniowości 

mniejszym  od  0,1%.  Popularne  w  praktyce  przemysłowej  czujniki  z  prostownikiem 
fazowym  mają  nieliniowości  charakterystyki  mniejsze  od  0,5%.

 

  Na  rys.4.4  pokazano 

przykład konstrukcji czujnika indukcyjnościowego z rdzeniem nurnikowym. 

 
 
 
 
 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        134 
 

Rys.4.4. 

Szkic 

konstrukcji 

czujnika 

indukcyjnościowego  z  rdzeniem  nurnikowym. 
Oznaczono;  1  –  obudowa  metalowa,  2  – 
uzwojenie  wzbudzające  (zasilające),  3’i  3”  – 
uzwojenia  wtórne  (różnicowe),  4  –  rdzeń 
(nurnik),  5  –  trzpień  pomiarowy,  6  –  sprężyna 
powrotna, 7 – łożysko. 

 

Przetworniki 

rdzeniem 

nurnikowym 

budowane  są  na  zakresy  pomiarowe  od  kilku 
mm 

do 

ok.1,5m. 

Najczęściej 

zakresy 

pomiarowe  tego  rodzaju  czujników  zawierają 
się w przedziale od 1,5mm do 50mm. 

Inną 

zasadniczo 

różną 

od 

opisanej 

konstrukcji  czujnika  indukcyjnościowego  [7] 
jest  czujnik  transformatorowy  z  ruchomą 
kotwicą.  Jego  maksymalny  zakres  pomiarowy 
ograniczony  jest  do  szczeliny  magnetycznej  d 
magnetowodu  w,  której  przemieszcza  się 
kotwica  magnetyczna  (zwora  magnetyczna). 
Zasadę  działania  indukcyjnościowego  czujnika 
transformatorowego 

ruchomą 

kotwicą 

ilustruje  rys.4.5.  W  przykładowym  układzie 
elektrycznym  tego  czujnika  uzwojenia  z

1

’,  z

1

” 

oraz z

2

’, z

2

” są parami jednakowe. 

W  środkowym  położeniu  kotwicy  (X  =  0)  strumienie  magnetyczne 

  oraz 

”  są 

sobie  równe.  Napięcia  wtórne  u

1 

i  u

2

  są  wtedy  także  jednakowe.  Wówczas  napięcie 

wyjściowe czujnika jest równe: 

0

"

'

X

X

wy

U

U

U

Przy założeniu symetrii obwodu magnetycznego czujnika impedancje uzwojeń 

pomiarowych są jednakowe. Można je opisać zależnością:  

 

S

S

l

z

R

L

R

Z

R

r

R

0

0

2

2

j

j

.                               (4.3) 

 

gdzie: R ,L  odpowiednio rezystancja i indukcyjność uzwojenia,  

l

R

  średnia droga strumienia magnetycznego w jarzmie i kotwicy, 

S

R

  średni przekrój rdzenia (jarzma), 

  długość szczeliny powietrznej, 
S

 

 przekrój szczeliny powietrznej, 

z  liczba zwojów uzwojenia pomiarowego, 
  pulsacja napięcia zasilającego, 

0

 przenikalność magnetyczna próżni, 

r

  względna przenikalność magnetyczna rdzenia. 

  

 

3''

5

6

2

4

7

1

X

U

1

3'

U

2

U

z

0

+X

-X

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        135 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

Rys.4.5. Zasada działania czujnika indukcyjnościowego transformatorowego 

z ruchomą kotwicą. 

 

Jeśli  spełnione  są  warunki: 

R

j L



  oraz 

l

S

S

R

r

R

 

0

0

2



  to  impedancja 

uzwojenia  pomiarowego  będzie  w  przybliżeniu  odwrotną  funkcją  szczeliny  powietrznej 

obwodu magnetycznego, w którym znajduje się uzwojenie: 

Z

k

.  

gdzie: k

Z  

 współczynnik proporcjonalności w [m]. 

Dla  niewielkich  przemieszczeń  kotwicy  X  impedancje  Z

1

  i Z

2

 uzwojeń pomiarowych 

z

2

’ i z

2

” są odpowiednio równe: 

 

X

k

Z

Z

1

 oraz 

X

k

Z

Z

2

.                                (4.4) 

 

Wyjściowe  napięcie  różnicowe  (różnica  napięć  na  uzwojeniach  pomiarowych)  jest 

proporcjonalne do różnicy impedancji uzwojeń pomiarowych:  

1

2

Z

Z

U

k

U

Z

Y

wy

.                                     (4.5)  

gdzie k

– współczynnik proporcjonalności w [S/m].  

 

W  praktyce  dla  przemieszczeń  spełniających  warunek: 

3

,

0

X

  przyjmuje  się 

zależność:  

X

S

U

X

wy

.                                              (4.6) 

 

gdzie: S

X

 – czułość przemieszczeniowa [V/m]. 

 

+X

+X

-X

z

2

'

z

2

''



'



''

b

a

-X

U

Z

z

1

'

z

1

''

U

1

U

2

I

Z

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        136 
 

Czujniki  indukcyjnościowe  z  ruchomą  kotwicą  mogą  pracować  w  układzie 

różnicowym  transformatorowym  jak  na  rys.4.5  albo  w  układzie  dławikowym.  W  drugim 
przypadku czujnik wykorzystuje się tylko jedno jego uzwojenie. W tym przypadku czujnik 
może  mieć  prosty  obwód  magnetyczny  z  jednym  uzwojeniem.  Wówczas  sygnałem 
wyjściowym  czujnika  może  być  indukcyjność  jego  uzwojenia,  prąd  lub  moc  pobierana  ze 
źródła  zasilania  albo  spadek  napięcia  na  uzwojeniu  czujnika  zasilanego  ze  źródła 
prądowego.  Czujniki  indukcyjnościowe  z  ruchomą  kotwicą  charakteryzują  się  wąskim 
zakresem  pomiarowym  oraz  dużą  sił  elektromagnetyczną  działającą  na  kotwicę  (mała 
szczelina  powietrzna  i  duża  indukcja  magnetyczna).  Tego  rodzaje  konstrukcje 
wykorzystuje  się  często  w  praktyce  do  pomiaru  grubości  powłok  lakierniczych  na 
podłożach  stalowych.  Wówczas  rolę  kotwicy  spełnia  badane  podłoże  stalowe.  Opisane 
wyżej  konstrukcje  czujników  stanowią  grupę  czujników  dotykowych  gdyż  ich  elementy 
ruchome  przemieszczające  rdzeń  stykają  się  z  badanym  obiektem.  Istnienie  części 
ruchomych  ogranicza  zastosowanie  tych  czujników  do  pomiarów  statycznych  lub 
wolnozmiennych  ze  względu  na  bezwładność  elementu  ruchomego  oraz  zużywanie  się 
łożysk czujnika. Wady tej nie mają czujniki bezdotykowe. Mogą one być wykorzystywane 
zarówno  do  pomiarów  statycznych  jak  i  dynamicznych.  Są  one  jednak  nieliniowe.  Często 
w praktyce wymagają one linearyzacji. Przykładem tego rodzaju czujników jest opisywany 
dalej czujnik wiroprądowy (indukcyjny).  
 

4.1.2.  Czujniki indukcyjne-wiroprądowe 

Czujniki  wiroprądowe  różnią  się  od  czujników  indukcyjnościowych  przede 

wszystkim  tym  że,  nie  mają  elementów  ruchomych.  Podobnie  jak  w  czujnikach  wcześniej 
opisanych  wykorzystuje  się  w  nich  zmiany  właściwości  magnetycznych  obwodu 
magnetycznego.  Działanie  tycz  czujników  polega  na  oddziaływaniu  pola  magnetycznego 
badanej  powierzchni,  której  mierzone  przemieszczenie  określone  jest  odległością  od 
czujnika  na  obwód  magnetyczny  czujnika.  Pole  magnetyczne  badanej  powierzchni 
(przewodzącej  np.  metalowej)  wywoływane  jest  poprzez  prądy  wirowe  indukowane  w 
przewodzącej  płytce  umieszczonej  na  badanym  obiekcie.  Zasadę  działania  czujników 
wiroprądowych przedstawiono na rys.4.6. 

 
Rys.4.6. 

Zasada 

działania 

czujnika 

indukcyjnego-wiroprądowego. 

Oznaczono; 

– 

cewka  pomiarowa  czujnika,  2  –  metalowa  płytka 
pomiarowa, – mierzone przemieszczenie, X

0

 – stała 

szczelina dobrana do konstrukcji czujnika.  

 
Cewka  pomiarowa  1  czujnika  wiroprądowego 

zasilana  jest  prądem  sinusoidalnym I

1

.  Wytwarza ona 

strumień  magnetyczny 

1

,  który  przenikając  płytkę 

metalową  2  indukuje  w  niej  prądy  wirowe  I

2

 

Przepływ  prądów  wirowych  powoduje  powstanie 
strumienia 

2

 przeciwnego do strumienia 

1

 
 

W  wyniku    tego  wypadkowy  strumień  magnetyczny  w  obwodzie  magnetycznym 

(także strumień    w rdzeniu cewki) jest równy: 



1

 - 

2

Fe

I

2

X

1

2

I

1

L

1

z

1

z

2

=1

X

0

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        137 
 

Obecność  płytki  przewodzącej  2  w  pobliżu  cewki  pomiarowej  1  zmienia  jej 

indukcyjność L

1

L

I

1

1

2

1

                                                   (4.7) 

przy czym: 

1

1

1

'

r

 

              

1

’ – strumień magnetyczny przenikający płytkę 2, 

              

1r 

 - strumień  rozproszenia

               I

– prąd płynący przez cewkę 1. 

Strumień magnetyczny 

 wytwarzany przez cewkę 1  jest równy:  

 

1

1

1

I

z

R

m

                                                    (4.8) 

 

gdzie: z

1

 - 

 

liczba zwojów cewki1, z

2

 = 1zw – zwój zwarty (płytka), 

     R

m

- reluktancja obwodu magnetycznego czujnika.  

 
Przyjmując  dla  uproszczenia,  że  strumienie; 

1

  i  strumień 

2

  od  prądów  wirowych               

w płytce  

 

przenikają przez taką samą powierzchnię  równą S można napisać dla reluktancji 

obwodu magnetycznego czujnika: 

 

R

l

S

X

X

S

l

S

S

l

X

X

l

m

1

1

0

0

0

2

2

0

0

1

1

0

2

2

2

1

2

2

 

  (4.9) 

 

gdzie: l

1

 l

2

 – średnia droga strumienia odpowiednio w rdzeniu cewki 1 oraz w płytce 2, 

      

1

2

 – przenikalności magnetyczne odpowiednio rdzenia i płytki  

      X

0

 – początkowa szczelina powietrzna.  

 

Jeśli  rdzeń  cewki  i  płytka  są  ferromagnetykami  to  ich  reluktancje  można  pominąć,  a 

wyrażenie (4.9) można wtedy uprościć do postaci: 

 

R

R

X

X

S

m

mp

2

0

0

.                                       (4.10) 

      

Strumień  magnetyczny  przenikający  płytkę  2  indukuje  w  niej  prądy  wirowe,  których 

sumaryczna wartość równa:  

I

E

Z

I M

Z

Z

2

2

2

1

12

2

                                         (4.11) 

przy czym: 

2

1

12

L

L

k

M

,  

               

Z

R

L

Z

2

2

2

2

2

 

                k – współczynnik sprzężenia magnetycznego, 
                L

– indukcyjność własna płytki 2,  

                M

12 

– współczynnik indukcyjności wzajemnej, 

                R

- rezystancja wypadkowa płytki 2, 

                

Z

 -  pulsacja napięcia generatora. 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        138 
 

 
Strumień  magnetyczny  w  czujniku  wiroprądowym  zależy  nie  tylko  od  odległości  płytki 

pomiarowej  od  cewki  (mierzonego  przemieszczenia  X),  ale  także  od  przewodności 
elektrycznej płytki oraz jej przenikalności magnetycznej.  

Jeśli cewka 1 jest zasilana prądem sinusoidalnym 

t

I

I

z

sin

1

1

m

  

to strumień magnetyczny przenikający płytkę 2 indukuje w niej SEM równą: 

 

t

X

I

K

dt

d

z

E

z

z

cos

1

1

2

2

m

.                             (4.12)  

 

gdzie K – współczynnik zależny od konstrukcji czujnika.  

 

Wraz  ze  wzrostem  mierzonego  przemieszczenia  X  rośnie  reluktancja  R

m

  (porównaj 

(4.9))  i  maleje  składowa 

2 

strumienia  pochodząca  od  prądów  wirowych,  wskutek  tego 

rośnie wypadkowy strumień magnetyczny w cewce i jej indukcyjność L

1

 oraz maleją straty 

w  płytce.  Odpowiada  temu  zmniejszenie  rezystancji  strat  R

  płytki.  Płytka  pomiarowa 

stanowi dla strumienia magnetycznego zwój zwarty z

2

 = 1 o indukcyjności L

2

 i rezystancji 

R

2

  zależnej  od  przewodności  elektrycznej  materiału,  z  którego  wykonana  jest  płytka  oraz 

pulsacji 

z

  strumienia  magnetycznego  (zjawisko  naskórkowości).  Z  zależności  (4.11)  i 

(4.12)  wynika  że,  prąd  wirowy  I

2

  w  płytce  ma  charakter  indukcyjny  i  jest  opóźniony 

względem  indukowanej  w  płytce  SEM  E

2

  o  kąt  fazowy 

2

2

R

L

z

tg

arc

.  Dla  płytki 

pomiarowej  dobrze  przewodzącej  prąd  elektryczny  można  przyjąć  dla  kąta  fazowego: 

2

.  Strumień  magnetyczny 

2

 jest przesunięty w fazie względem strumienia 

1

 o kąt 

bliski  .  Wypadkowy  strumień  magnetyczny  w  cewce  jest  w  przybliżeniu  równy  różnicy 
algebraicznej 

1 

 i 

2

. Dla indukcyjności L

1

cewki można napisać:  

 

 

1

1

2

1

1

I

I

X

L

                                                   (4.13),  

 

a  dla  mocy    strat  równej  dodatkowej  mocy  czynnej  pobieranej  przez  czujnik  ze  źródła 
zasilania można napisać:  
 

 

 

 

X

R

X

I

X

R

X

I

X

P

2

2

2

0

2

2

0

2

2

 

oraz 

 

 

 

 

0

1

1

1

2

X

P

X

P

X

P

X

P

.                          (4.14) 

 
Straty  mocy  wywołane  prądami  wirowymi  w  płytce  pomiarowej  można  wyznaczyć 

poprzez  pomiar  przyrostu  prądu  zasilania  cewki  I

1

  jeśli  cewka  zasilana  jest  ze  źródła 

napięciowego  albo  poprzez  pomiar  napięcia  na  cewce  przy  zasilaniu  jej  ze  źródła 
prądowego.  Na  rys.4.7  przedstawiono  zależności  pomiędzy  opisywanymi  wielkościami  w 
czujniku wiroprądowym. 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        139 
 

Rys.4.7. Zależności zachodzące w płytce pomiarowej czujnika wiroprądowego. a) – 

wykres wektorowy, b) – zależność rezystancji strat  płytki R

2

 i indukcyjności L

1

 cewki oraz 

L

2

  płytki od przemieszczenia od przemieszczenia – oznaczono; R

20  

R

2

(X

0

),  

L

20

 = L

2

(X

0

). 

 

Z  przytoczonej  analizy  wynika  że,  zarówno  indukcyjność  własna  L

1

  czujnika,  prąd 

zasilania  I

1

  jak  i  moc  czynna  pobierana  przez  czujnik  może  być  miarą  przemieszczenia X

Należy  zauważyć  że,  miary  te  są  nieliniowo  zależne  od  mierzonego  przemieszczenia 
(rys.4.7b). Rzeczywiste konstrukcje czujników wiroprądowych mają obwody magnetyczne 
tak  zbudowane,  że  strumień  magnetyczny  w  szczelinie  powietrznej  przebiega  praktycznie 
wzdłuż  linii  prostej.  Można  więc  przyjąć  jak  na  rys.4.6  że,  długość  szczeliny  powietrznej 
czujnika jest równa l

p.

  2X

0

 +2, a jej reluktancję opisać zależnością:  

 

                     

S

X

S

X

R

R

R

X

0

0

0

0

2

2

m

m

mp

                                  (4.15) 

 

gdzie: R

m0  

- reluktancja szczeliny powietrznej dla X = X

0  

         

R

mX

 - reluktancja szczeliny powietrznej dla przemieszczenia X > X

0

.  

 

Na podstawie ogólnej zależności dla  reluktancji obwodu magnetycznego czujnika; 
 

mp

mm

m

R

R

R

                                             (4.16) 

gdzie; 

S

l

R

r

r

0

mm

 - reluktancja rdzenia ferromagnetycznego czujnika o długości l

r 

,  

można napisać dla indukcyjności własnej cewki czujnika:  

m

R

z

L

2

1

1

.                                                 (4.17) 

 

Uwzględniając w  (4.17) zależności (4.15) i (4.16) otrzymuje się po przekształceniach: 

mm

m

R

R

z

X

L

L

0

2

1

0

0

                                      (4.18)  

R

2

L

2

X

0

X

L

2

 ,

R

2

R

20

L

20

b)

a)

I

1

E

2

I

2

I

2

R

2

I

2

L

2

'

L

1

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        140 
 

 

oraz 
 

                            

 

0

0

1

1

X

X

m

L

X

L

L

X

                                      (4.19)  

gdzie: L

0

 - indukcyjność cewki dla przemieszczenia początkowego X

0

 

      L

 - indukcyjność cewki dla przemieszczenia X

      

0

1

1

m

mm

R

R

m

 - współczynnik zależny od konstrukcji czujnika. 

 
Zależności  (4.18)  i  (4.19)  można  praktycznie  wyznaczyć  z  pomiarów.  Zarówno 

indukcyjność własna cewki czujnika L

X

 jak i moc strat w płytce pomiarowej jest nieliniową 

funkcją  mierzonego  przemieszczenia  X  płytki  (4.18).  W  praktyce  często  wymagana  to 
stosowania  układów  linearyzacji  albo  odpowiedniego  sposobu  przetwarzania  sygnału 
wyjściowego  czujnika.  Jednak  mała  inercja  czujnika  wynikająca  z  braku  ruchomych 
elementów  jest  istotną  zaletą  czujników  wiroprądowych.  Są  one  często  stosowane  w 
pomiarach drgań mechanicznych. 

 

4.1.3. Czujniki pojemnościowe  

Pojemnościowe 

czujniki 

przemieszczenia 

liniowego 

podobnie 

jak 

czujniki 

indukcyjnościowe  są  przyrządami  elektromechanicznymi.  Działanie  tych  czujników  polega 
na  wykorzystaniu  zmian  pojemności  wywoływanych  przemieszczeniem  elementu 
ruchomego  (elektrody  lub  dielektryka)  przetwornika  pojemnościowego.  Czujnik 
pojemnościowy  jest  specyficzną  konstrukcją  kondensatora  o  zmiennej  pojemność. 
Przemieszczanie  elementu  ruchomego  dokonuje  się  podobnie  jak  w  czujnikach 
indukcyjnościowych  za  pomocą  trzpienia  pomiarowego.  Charakterystyka  przetwarzania 
przemieszczenia  liniowego  na  pojemność  zależy  od  konstrukcji  czujnika  (kształtu, 
wymiarów  geometrycznych  i  rodzaju  dielektryka)  przetwornika  pojemnościowego. 
Spośród  wszystkich  rodzajów  czujników  przemieszczeni  czujniki  pojemnościowe  mają 
najlepsze  właściwości  metrologiczne.  Mają  one  stabilną  w  czasie  charakterystykę 
przetwarzania  i  względnie  dużą  czułość.  Wadą  czujników  pojemnościowych  jest 
wrażliwość  na  czynniki  atmosferyczne  zwłaszcza  na  temperaturę,  wilgotność.  Ze  względu 
na  małe  zmiany  pojemności  oraz  małą  pojemność  początkową  muszą  one  pracować  w 
układach  czułych  na  małe  zmiany  pojemności  (układy  o  częstotliwości  pracy  od  ok.1kHz 
do  ok.  20MHz).  Mogą  to  być  układy  mostków  np.  mostków transformatorowych, układy 
generatorów  samowzbudnych,  układy  relaksacyjne,  integracyjne  itp.  Na  rys.4.8 
przedstawiono  szkic  typowej  konstrukcji  czujnika  pojemnościowego  o  cylindrycznych 
elektrodach. 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        141 
 

C

x1

2'

5

6

7

1

3

4

2''

C

x2

3

5

6

2

4

7

1

X

C

x

8

X

0

X

N

a)

b)

 

 

Rys.4.8. Przykłady konstrukcji czujników pojemnościowych; a) – zwykłego, b) – 

różnicowego.  Oznaczono; 1 – obudowa metalowa, 2 ,2’, 2’’– elektrody cylindryczne, 3 – 

elektroda walcowa ruchoma, 4 – izolator stały, 5 – pierścień metalowy, 6 – sprężyna 

zwrotna, 7 – trzpień pomiarowy, 8 – łożysko. 

 

Konstrukcje  czujników  pokazane  na  rys.4.8  są  mało  niewrażliwe  na  obce  pola 

elektryczne 

magnetyczne 

(metalowa 

obudowa 

czujnika 

stanowi 

ekran 

elektromagnetyczny).  Dla  konstrukcji  czujnika  jak  na  rys.4.8a  można  przyjąć  zależności 
dla pojemności czujnika:  

 

                                   

d

D

X

X

X

C

N

X

ln

2

0

,                                   (4.20) 

  

d

D

X

C

ln

2

0

0

,                                           (4.21)  

a  dla  przyrostu  pojemności  wskutek  przemieszczenia  wynikającą  z  (4.20)  i  (4.21) 

zależność:  

 



1

0

0

0

X

X

C

X

X

d

D

d

D

C

X

.                        (4.22) 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        142 
 

gdzie: C

0

 = C

X

 (X

0

) – pojemność początkowa czujnika; 

      C

X

 = C

X

 (X) – C

0

X  X

0

      Dd – średnica elektrody odpowiednio zewnętrznej 2 i wewnętrznej 3, 

 

 – przenikalność elektryczna izolatora 4. 

 
Początkowe  wzajemne  usytuowanie  elektrod  2  i  3  w  czujniku  jak  na  rys.4.8  może 

być  także  takie  że,  wraz  z  przemieszczeniem  X  maleje  pojemność  C

X

  czujniki  (wtedy  C

0

 

ma wartość maksymalną a C

N

  minimalną – przyrosty pojemności czujnika są ujemne przy 

dodatnich  przyrostach  przemieszczenia).  Wynika  stąd  że,  nachylenie  charakterystyki 
przetwarzania  czujnika  pojemnościowego  może  być  dodatnie  lub  ujemne  zależnie  od 
konstrukcji. 

 

4.2. 

BADANIE INDUKCYJNOŚCIOWYCH CZUJNIKÓW  

                    PRZEMIESZCZENIA LINIOWEGO 
 
4.2.1.  Wprowadzenie 

ćwiczeniu 

laboratoryjnym 

bada  się  właściwości  statyczne  czujników 

indukcyjnościowych,  których  zasadę  działania  i  konstrukcje  opisano  w  p.4.1  oraz 
przedstawiono  na  rysunkach  (rys.4.2,  rys.4.3,  rys.4.4  i  rys.4.5).  Celem  badań  jest 
wyznaczenie  charakterystyk  przetwarzania  tych  czujników  w  typowych  układach  pracy. 
Należy  przeprowadzić  badania  porównawcze  charakterystyk  przetwarzania  oraz 
podstawowych  właściwości  metrologicznych  czujników  w  zależności  od  sposobu 
przetwarzania  ich  sygnałów  wyjściowych.  Nie  bada  się  jednak  właściwości  samych 
układów przetwarzających sygnały wyjściowe czujników. 

 

4.2.1.1.Czujnik różnicowy z rdzeniem nurnikowym  

 Na  rys.4.9  przedstawiono  układ  pomiarowy  do  badania  czujnika  różnicowego 

transformatorowego w, którym uzwojenia wtórne (pomiarowe) są połączone różnicowo ale 
nie  ma  zewnętrznego  wyprowadzenia  punktu  połączenia  tych  uzwojeń.  Wskutek  tego 
napięcie  wyjściowe  czujnika  jest  równe  różnicy napięć na tych uzwojeniach. Aby możliwe 
było wyznaczenie fazy napięcia wyjściowego tego czujnika konieczne stosowanie układów 
pomiarowych,  w  których  porównywane  są  wartości  chwilowe  napięcia  u

Z

  zasilającego 

uzwojenie  pierwotne  i  napięcia  wyjściowego  u

X

    Tego  rodzaju  układy  w  ćwiczeniu 

laboratoryjnym ogólnie nazywa się detektorami fazowymi. 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        143 
 

U''

X

R

N

C

D

1

D

2

Tr

I

1

I

2

R

R

U

wy

VC

U

X

Generator

sinus

m.cz

X

Czujnik

U

Z

U

Y

U'

X

Detektor

K

 

Rys.4.9. Układ pomiarowy do badania indukcyjnościowego różnicowego czujnika 

transformatorowego z rdzeniem nurnikowym.  

W  układzie  pomiarowym  przedstawionym  na  rys.4.9  badany  czujnik  zasilany  jest  

napięciem 

sinusoidalnym 

U

generatora 

małej 

częstotliwości. 

Najczęściej 

wykorzystywane  w  praktyce  przemysłowej  konstrukcje  czujników  indukcyjnościowych 
wymagają  zasilania  napięciem (5 20)V o częstotliwości (1 10)kHz. Różnicowe napięcie 
wyjściowe  czujnika  U

  podawane  jest  na  transformator symetryzujący Tr zaś napięcie U

Z

 

strony  pierwotnej  czujnika  podawane  jest  poprzez  sprzęgający  człon  proporcjonalny  o 
współczynniku  przenoszenia  k  (transformator  lub  wzmacniacz)  na  przekątną  detektora. 
Jeśli  napięcie  zasilające  U

Z

  jest  znacznie  większe  od  napięcia  przewodzenia  diod  D

1

  i  D

 

np.  jeśli  U

Z

    5V  można  zrezygnować  z  układu  sprzęgającego  (zwykle  w  praktyce  układ 

ten  jest  pomijany).  Wówczas  k  =1  oraz  U

Z

  =  U

Y

.  Napięcia  symetryczne  U

X

’i  U

X

  na 

uzwojeniach  wtórnych  transformatora  Tr  mogą  dowolnie  różnić  się  amplitudą od napięcia 
U

Z

  musi  być  przy  tym  spełniony  warunek: 

Y

X

X

U

U

U

"

'

  albo  ogólnie 

Z

X

X

U

k

U

U

"

'

.  W  praktyce  maksymalne  wartości  napięć  U

X

’  i  U

X

”  są  znacznie 

mniejsze  od  napięcia  U

Y

  ;

Y

X

X

U

U

U

"

'

,  a  nawet  mniejsze  od  napięcia  przewodzenia 

diod  D

1

  i  D

2

,  które  wynosi  (0,15    0,5)V  dla  impulsowych  diod  germanowych  i  (0,4   

0,7)V  dla  diod  krzemowych.  Wynika  to  stąd  (porównaj  zależności  4.1  i  4.2)  że,  aby 
zmniejszyć  wpływ  rezystancji  obciążenia  czujnika  na  jego  charakterystykę  czujnika 

 

X

f

U

X

  należy  dążyć  do  uzyskania  możliwie  największego  stosunku  rezystancji 

obciążenia  do  impedancji  wyjściowej  czujnika.  W  praktycznych  konstrukcjach  tak  się 
dobiera  uzwojenia  czujnika  i  transformatora,  aby  ich  przekładnie  napięciowe  N

S

  i  N

T  

spełniały odpowiednio relacje 

1



Z

X

S

U

U

p

 dla czujnika oraz  

.

1

'

X

X

Tr

U

U

p

 

W  układzie  przedstawionym  na  rys.4.9  przy środkowym położeniu rdzenia (nurnika) 

w  czujniku  napięcie  stałe  U

wy

  na  wyjściu  detektora  fazowego  jest  równe  zeru,  gdyż 

wówczas napięcie różnicowe U

X

  na wyjściu czujnika jest równe zeru. Napięcie na wyjściu 

detektora  fazowego  nie  zależy  od  amplitudy  napięcia  U

Y

  na  przekątnej  detektora,  gdyż 

kondensator  C  jest  ładowany  w  przeciwnych  kierunkach;  napięciem  U

Y

  +  U

X

’  poprzez 

diodę D

1

 i sumę rezystancji 2R+R

N

  oraz napięciem U

Y

 + U

X

” poprzez diodę D

 i te same 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        144 
 

rezystancje. Napięcie U

Y

 polaryzując diody D

1

 i D

2

 przełącza je w stan przewodzenia i stan 

zaporowy.  Pomijając  impedancję  wyjściową  czujnika  i  transformatora  symetryzującego 
można  napisać  dla  napięcia  na  wyjściu  detektora  fazowego  przy  dowolnym  położeniu 
rdzenia w czujniku: 

 

N

D

X

D

N

N

X

X

wy

R

R

r

U

r

R

R

R

R

U

U

U

2

1

1

'

2

2

2

2

"

'

          (4.23) 

  

gdzie:  r

D

  -  rezystancja  diody  przy  założeniu  identycznych  charakterystyk  prądowo-

napięciowych diod D

1

 i D

2

 Dobierając  w  układzie  detektora  wartości  elementów  R,  R

N

  i  C  tak,  aby  spełnione 

były warunki 

D

N

r

R

R



2

 oraz 

T

C

R

R

N

5

2

 (T- okres napięcia zasilania czujnika) 

i  uwzględniając  przekładnię  napięciową  N

T

  transformatora  Tr  można  uprościć  zależność 

(4.23) do postaci: 

 

X

T

wy

U

N

U

2

2

.                                                     (4.24) 

 

W  zależnościach  (4.23)  i  (4.24)  nie  uwzględniono  przesunięcia  fazowego  pomiędzy 

napięciami  czujnik  i  transformatora.  Ponieważ  indukcyjność  L

S

  czujnika  od  strony 

zacisków  wyjściowych  zmienia  się  wraz  z  przemieszczeniem  rdzenia  zaś  rezystancje 
uzwojeń  są  stałe  (R

S

  =  const.)  przesunięcie  fazowe 

S

  napięć  czujnika  zależy  od 

przemieszczenia X jego rdzenia:  

 

 

S

S

S

R

X

L

arctg

.                                          (4.25) 

 

Z  zależności  (4.25)  wynika,  że  przesunięcie  fazowe 

  napięć  na  uzwojeniach 

czujnika  jest  nieliniową  funkcją  przemieszczenia  rdzenia,  gdyż  charakterystyka 
magnesowania  rdzenia  ferromagnetycznego  jest  nieliniowa.  W  przypadku  transformatora 
mamy do czynienia praktycznie ze stałym przesunięciem fazowym 

T

;  

 

const

"

lub

'

,

X

X

X

T

U

U

U

                               (4.26) 

 

jeśli pracuje on na liniowym odcinku charakterystyki magnesowania. 

Wskutek  występowania  przesunięć  fazowych 

T

  napięcia  w  detektorze  fazowym 

U

Y

 oraz U

X

’ i U

X

” są przesunięte w fazie o kąt 

T

S

 .Ponieważ przesunięcie fazowe 

T

  wnoszone  przez  transformator  jest  zwykle  niewielkie  i  praktycznie  stale  można 

pominąć  jego  wpływ  na  wartość  napięcia  wyjściowego  U

wy

  detektora.  W  dalszym  ciągu 

opisu przyjęto uproszczoną zależność:  

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        145 
 

 

S

S

S

R

X

L

arctg

.                                     (4.27) 

 

Wpływ przesunięcia fazowego 

  na napięcie U

wy

 detektora fazowego ilustruje wykres 

wektorowy  przedstawiony  na  rys.4.10a  oraz  przebiegi  napięć  na  pokazane  rys4.10b,c. 
Biorąc  pod  uwagę  zależności  (4.23),  (4.24)  oraz  rys.4.10a  można  napisać  dla  napięć 
ładujących kondensator C detektora: 

 

t

U

N

t

U

U

U

X

T

Y

X

Y

sin

sin

'

t

U

N

t

U

U

U

X

T

Y

X

Y

sin

sin

"

 

Stąd dla napięcia U

wy 

 na wyjściu detektora: 

 

2

cos

2

2

sin

sin

2

X

T

X

T

wy

U

N

t

t

U

N

U

.  (4.28) 

 

Znak    w  zależności  (4.28)  wynika  stąd  że,  fazy  początkowe  napięć  wtórnych 

transformatora względem pozostałych napięć mogą być takie jak na rys.4.9 albo przeciwne 
zależnie od połączenia uzwojeń, oznacza to że, napięcie wyjściowe U

wy

 zmienia się wraz z 

przemieszczeniem  rdzenia  od  wartości  ujemnych  do  dodatnich  albo  odwrotnie.  Sygnałem 
wyjściowym  czujnika  indukcyjnościowego  oprócz  napięcia  może  być  indukcyjność  jego 
uzwojenia.  W  tym  przypadku  wykorzystuje  się  jedno  uzwojenie  (pierwotne  lub  wtórne 
jeśli konstrukcja czujnika jest taka jak na rys.4.2 lub rys.4.5). 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        146 
 

U

X

U

Xmax

0

+X

max

X

-X

max

X

+X

max

0

-X

max

U

max

U

wy

U

min

U

 +U

X

"

U

Y

U

Y

  + U

X

'

U

X

"

U

X

'

a)

b)

c)

 

Rys.4.10. Charakterystyki sygnałów w układzie pokazanym na rys.4.9; a) – wykres 

wektorowy, b) – charakterystyka napięcia różnicowego czujnika, c) – charakterystyka  

napięcia na wyjściu detektora fazowego. 

 

Jednak  bezpośredni  pomiar  indukcyjności  np.  za  pomocą  mostka  jest  niepraktyczny, 

dlatego  zwykle  przetwarza  się  indukcyjność  na  inną  wielkość  np.  na  częstotliwość  lub 
okres  albo  korzystniej  na  impulsy  o  czasie  trwania  zależnym  od  indukcyjności  czujnika. 
Sposób  przetwarzania  indukcyjności  czujnika  ostatnio  wymieniony  jako  ostatni  jest 
dogodny  do  dalszego  przetwarzania  na  napięcie  stałe  bądź  też  na  impulsy  prostokątne, 
których  czas  trwania  można  łatwo  z  dużą  dokładnością  mierzyć  za  pomocą  układu 
mikroprocesorowego. Zastosowanie układu mikroprocesorowego ma ponadto tę zaletę że, 
sygnał na jego wyjściu jest dogodny do obróbki za pomocą komputera, stosunkowo łatwo 
można  dokonać  linearyzacji  sygnału  czujnika,  dokonując  wielokrotnego  pomiaru 
indukcyjności  czujnika  przy  tym  samym  przemieszczeniu  jego  rdzenia  można  w  wyniku 
uśrednienia zwiększyć dokładność pomiaru.  

 

4.2.1.2. Czujnik różnicowy z ruchomą kotwicą 

Indukcyjnościowe  transformatorowe  czujniki  różnicowe  z  ruchomą  kotwicą  mogą 

pracować  w  takich  samych  układach  jak  czujniki  z  rdzeniem  nurnikowym  z  tym,  że  jeśli 
mają  uzwojenia  pomiarowe  z  wyprowadzonym  środkiem  jak  na  rys.4.5  to  w  układach  z 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        147 
 

detektorami  fazowymi  np.  takimi  jak na rys.4.10 zbędny jest transformator symetryzujący. 
Czujniki  z  ruchomą  kotwicą  najczęściej  mają  obwody  magnetyczne  lite  albo  z  blach 
transformatorowych. Z tego względu pracują one przy częstotliwości napięcia zasilającego 
f 1000Hz  (zwykle f = 50Hz).  

 

U

X

VC

C

R

R

Detektor

X

z

w

z

p

Czujnik

I

1

I

1

I

2

I

2

R

N

0

"

U

wy

U

1

U

2

U

Y

U

Z

~220V

Tr

Atr

 

 

Rys.4.11. Układ pomiarowy z transformatorowym czujnikiem z ruchomą kotwicą (w 

przypadku czujnika indukcyjnościowego z rdzeniem nurnikowym napięcie U

Z

. wynosi 

kilka woltów a jego częstotliwość zwykle ok.5kHz). 

Układ pokazany na rys.4.11 różni się od przedstawionego na rys.4.10 zasadniczo tym 

że,  nie  ma  transformatora  symetryzującego,  a  detektorem  fazowym  jest  demodulator 
dwupołówkowy  pierścieniowy.  Ponadto  inna  jest  biegunowość  napięć  różnicowych. 
Przebieg zależności napięcia na wyjściu detektora U

wy

 f (X) jest podobny do pokazanego 

na rys.4.10c. 

 

4.2.1.3.Czujnik indukcyjnościowy w układzie impulsowym 

Na  rys.4.12  przedstawiono  schemat  układu  impulsowego,  w  którym  indukcyjność 

uzwojenia  czujnika  (dowolnego  uzwojenia  w  przypadku  czujnika  wielouzwojeniowego) 
przetwarzana  jest  na  szerokość  impulsów  prostokątnych.  W  układzie  tym  czujnik  zasilany 
jest  falą  prostokątną  o  amplitudzie  U

Z

  poprzez  rezystor  zewnętrzny  R.  Cewka  czujnika 

wraz  z  rezystorem  zewnętrznym  stanowi  układ  różniczkujący.  Stała  czasowa  tego  układu 
równa jest: 

 

 

R

X

L

R

L

S

                                               (4.29) 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        148 
 

Komp

+

-

VC

R

Z

X

L(X)

u

L

(t)

U

wy

Generator

fali

prostokątnej

Czujnik

u

Z

(t)

i(t)

Układ

Mikroprocesorowy

- przetwornik L(X) /T

i

U

0

 

Rys.4.12. Czujnik indukcyjnościowy w układzie przetwarzania indukcyjności 

uzwojenia  na czas (na rysunku uwidoczniono jedynie wybrane uzwojenie czujnika). 

 

Zasadę  działania  układu  pokazanego  na  rys.4.12  ilustrują  przebiegi  napięć 

przedstawione na rys.4.13. Jeśli szerokość impulsów i okres fali prostokątnej są duże w 
porównaniu  ze  stałą  czasową  układu  R,  L(X)  (T    5

)  to  każdy  kolejny  impuls  fali 

prostokątnej  napięcia  zasilania  U

Z

    można  traktować  jak  skok  napięcia  wejściowego  o 

amplitudzie  U

Z

.  W  chwili  t

p

  skoku  napięcia  fali  prostokątnej  u

Z

(t)  indukuje  się  w 

indukcyjności  czujnika  L(X)  zanikający  w  czasie  impuls  napięciowy  u

L

(t)  zależny  od 

amplitudy  U

Z

.  napięcia  zasilającego,  indukcyjności  L(X)  czujnika  oraz  wypadkowej 

rezystancji  połączonej  z  tą  indukcyjnością  (rezystancji  rezystora  zewnętrznego  i 
rezystancji  uzwojenia  cewki  czujnika).  Przebieg  czasowy  napięcia  u

L

(t)  indukowanego  w 

cewce czujnika opisuje zależność: 

 

 

 

 

t

t

i

X

L

t

u

L

d

d

.                                       (4.30) 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        149 
 

t

U

U

Z

U

L

U

0

U

K

U

wy

U

śr

t

t

T

i

T

i

T

a)

b)

c)

t

p

t

k

 

Rys.4.13. Idealizowane przebiegi napięć w układzie pokazanym na rys.4.12. 

Przebieg  czasowy  prądu  płynącego  przez  cewkę  czujnika  można  łatwo  określić  

posługując się rachunkiem operatorowym: 

 

 

 

 

X

L

R

s

s

R

U

R

s

X

L

s

R

U

s

I

Z

Z

1

1

1

.                    (4.31) 

 

Stąd wynika zależność: 

 

 

 





t

X

L

R

R

U

t

i

Z

exp

1

.                                  (4.32) 

 

Po  uwzględnieniu  zależności  (4.32)  w  zależności  (4.30)  otrzymuje  się  dla  napięcia na 

cewce czujnika: 

 

 

 





t

X

L

R

U

t

u

Z

L

exp

.                                   (4.33) 

W  układzie  pomiarowym  pokazanym  na  rys.4.12  napięcie  na  wyjściu  komparatora 

Komp  jest  równe  U

K

  jeśli  napięcie  u

L

(t)  jest  większe  od  napięcia  odniesienia  U

0 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        150 
 

doprowadzonego do wejścia odwracającego „-” komparatora; 

 

0

U

t

u

L

 . Jeśli napięcie na 

cewce czujnika obniży się poniżej wartości U

0

 napięcie na wyjściu komparatora zmieni się 

skokowo  (zwykle  na  wartość  zerową;  U

wy

  =  0)  jak  na  rys.4.13c.  Szerokość  impulsu 

p

K

i

t

t

T

  wygenerowanego  w  ten  sposób  na  wyjściu  komparatora  zależy  od  szybkości 

zmian  napięcia    na  cewce  czujnika.  Przyjmując  dla  rozważań 

 

Z

p

L

U

t

u

  dla  chwili 

początkowej  oraz 

 

0

U

t

u

K

L

  dla  chwili  przełączania  komparatora,  można  napisać  dla 

chwili przełączania komparatora napięciowego: 

 

 





K

Z

t

X

L

R

U

U

exp

0

.                                     (4.34) 

 

Stąd  po  logarytmowaniu  (4.34)  i  uwzględnieniu  chwili  początkowej  t

p

  otrzymuje  się 

dla szerokości impulsu na wyjściu komparatora: 

 

 

0

ln

U

U

R

X

L

t

t

T

Z

K

p

i

.                                   (4.35) 

 

 Wartość średnia napięcia na wyjściu komparatora jest równa: 

 

 

0

ln

U

U

R

T

U

X

L

U

T

T

U

Z

K

K

i

śr

.                             (4.36) 

 

Zależności  (4.35)  i  (4.36)  są  liniowymi  funkcjami  indukcyjności  L(X)  czujnika  zaś 

przebieg  zależności  indukcyjności  L

S

  =  L(X)  uzwojenia  czujnika  od  przemieszczenia  X 

jego  rdzenia  (nurnika,  kotwicy)  zależy  od  konstrukcji  czujnika.  Zależności  (4.35)  i  (4.36) 
można zapisać w postaci ogólnej: 

 

 

X

L

K

T

T

i

                                              (4.37) 

 

gdzie: 

0

ln

1

U

U

R

K

Z

T

 ‘ 

 

 

X

L

K

U

U

śr

                                           (4.38)  

gdzie: 

0

ln

U

U

R

T

U

K

Z

K

U

 . 

 

Zależności  (4.35),  (4.37)  są  szczególnie  pomocne  w  przypadku  zastosowania 
mikroprocesorowego miernika czasu trwania impulsów T

i

 (układ zaznaczony na rys.4 linią 

przerywaną),  zaś  w  przypadku  wykorzystywania  napięcia  U

wy

  jako  sygnału  wyjściowego 

należy wykorzystywać zależności (4.36) i (4,38).  

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        151 
 

W  przytoczonej  analizie  pominięto  wpływ  odkształcenia  napięć  indukowanych  w 

czujniku 

wyniku 

nieliniowości 

charakterystyki 

magnesowania 

rdzenia 

ferromagnetycznego na sygnał wyjściowy opisywanych układów pomiarowych. 

 

4.2.2.  Pytania kontrolne. 

1.  Wymienić rodzaje i scharakteryzować indukcyjnościowych czujników 

przemieszczenia liniowego. 

2.  Omówić przyczyny nieliniowości przetworników indukcyjnościowych. 
3.  Porównaj charakterystyki czujników różnicowych i transformatorowych zwykłych 
4.  Który z opisanych czujników charakteryzuje się szerokim zakresem pomiarowym? 

Uzasadnić odpowiedź. 

5.  Jak wpływa przenikalność magnetyczna rdzenia czujnika indukcyjnościowego na 

jego czułość i liniowość? 

6.  Od czego ona zależy wymagana częstotliwość napięcia zasilającego różnych 

rodzajów czujników indukcyjnościowych? Uzasadnić odpowiedź. 

7.  Czy czułość  czujnika wpływa na jego liniowość? 
8.  Od czego zależy czułość przetworników indukcyjnościowych? 
9.  Wymienić i omówić sposoby przetwarzania sygnału wyjściowego czujników 

indukcyjnościowych. 

 

4.2.3.  Program ćwiczenia

.

 

1. Przeprowadzić identyfikację układów i przyrządów pomiarowych na stanowisku 
    laboratoryjnym.  
2. Zmierzyć charakterystyki statyczne czujników indukcyjnościowych Y

i

 = f(X) w 

    układach przedstawionych na rys.4.9, rys.4.11 i rys.4.12.  dla  wszystkich możliwych 
    do pomiaru sygnałów; Y

i

 oznacza mierzony sygnał - napięcie na wybranym uzwojeniu  

    czujnika, napięcia wyjściowe U

wy

 układu pomiarowego, czas trwania impulsu w  

    przypadku układu jak na rys.4.12). 
3. Sporządzić wykresy zmierzonych charakterystyk  
4. Obliczyć na podstawie zmierzonych charakterystyk czułość badanego czujnika dla  
    każdego ze zmierzonych sygnałów przyjmując że, jest on sygnałem wyjściowym oraz  
     wykreślić charakterystyki czułości S

i

 = f (X)

Yi

5. Wyznaczyć na podstawie zmierzonych charakterystyk; Y

i

 = f(X) maksymalny zakres 

    pomiarowy czujnika dla każdego z badanych sygnałów wyjściowych. 
6. Obliczyć błędy nieliniowości charakterystyk statycznych czujnika dla wszystkich 
     sygnałów wyjściowych Y

 i wykreślić ich charakterystyki 

i nl 

 = (X).  

7. Dla przyjętej albo podanej przez prowadzącego ćwiczenie wartości dopuszczalnego 
    błędu nieliniowości 

nl dop

 wyznaczyć zakresy pomiarowe dla wszystkich zmierzonych 

    charakterystyk badanych czujników. 
8. Wnioski z pomiarów. 
 

Opracował: Jan Leks 

 
 
 
 
 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        152 
 

4.3.  POMIAR PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH, BADANIE 
         WIROPRĄDOWEGO CZUJNIKA PRZEMIESZCZENIA

 

 

4.3.1. Wprowadzenie.

 

Przemieszczeniem  liniowym  nazywa  się  drogę  (odległość),  którą  przebył  badany 

punkt  materialny  od  określonego  w  przestrzeni  położenia  początkowego  do  położenia 
aktualnego  w  chwili  pomiaru.  Odległość dwóch wybranych punktów w przestrzeni można 
traktować jak dokonane przemieszczenie punktu od położenia początkowego do położenia 
końcowego.  Wynika  stąd,  że  pomiar  wymiarów  gabarytowych  przedmiotu  można 
rozważać  tak  samo  jak  pomiar  statycznych  przemieszczeń  liniowych.  Jeśli  w  czasie 
pomiaru  badany  punkt  porusza  się  to  wtedy  mamy  do  czynienia  z  pomiarem 
przemieszczeń  dynamicznych.  W  przypadku  pomiarów  przemieszczeń  liniowych 
metodami  elektrycznymi  wykorzystuje  się  różnego  rodzaju  czujniki  przemieszczenia 
zależnie  od  zakresu  mierzonych  przemieszczeń    oraz  wymaganej  dokładności  pomiaru. 
Przedmiotem  ćwiczenia  laboratoryjnego  jest  pomiar  niewielkich  przemieszczeń 
statycznych  za  pomocą  przemysłowych  czujników  pojemnościowych,  indukcyjnościowych 
i  wiroprądowych  (indukcyjnych).  Przykładowe  struktury  układów  pomiarowych  oraz 
szkice  konstrukcji  przemysłowych  czujników  przemieszczenia  przedstawiono  na 
rysunkach. 

M

P

3

5

6

2

4

7

1

x

C

x

Czujnik

GS

DF

 

 

Rys.4.14. Szkic konstrukcji czujnika pojemnościowego oraz układ elektryczny miernika 
przemieszczeń liniowych. Na rysunku oznaczono; 1- metalowa obudowa, 2- okładka 

(elektroda nieruchoma), 3-walec metalowy (elektroda ruchoma), 4- dielektryk stały, 5- 

trzpień pomiarowy , 6- sprężyna powrotna, 7- łożysko. 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        153 
 

Przykładowy  układ  pomiarowy  przedstawiony  na  rys.4.14  oprócz  czujnika 

pojemnościowego składa się z multiwibratora M, którego generującego falę prostokątną o 
częstotliwości  zależnej  od  pojemności czujnika C(X). Zwykle jest to układ generujący falę 
prostokątną o okresie w przybliżeniu proporcjonalnym do pojemności czujnika. 

Innym  rodzajem  czujnika  od  przedstawionego  na  rys.4.14  jest  popularny  w  praktyce 

przemysłowej  czujnik  indukcyjnościowy  z  rdzeniem  nurnikowym  szczegółowo  opisany  w 
p.4.2  rozdziału.  Zwykle  jest  to  czujnik  różnicowy.  Przykład  konstrukcji  różnicowego 
czujnika  indukcyjnościowego  z  rdzeniem  nurnikowym  oraz  jego  charakterystykę  napięcia 
różnicowego przedstawiono na rys.4.15.  

Czujniki  indukcyjnościowe  w  porównaniu  do  czujników  pojemnościowych  mają 

stosunkowo duże napięcie sygnału wyjściowego oraz większą nieliniowość charakterystyki 
statycznej  i  większy  błąd  temperaturowy.  Pracują  one  zwykle  w  układach  elektrycznych z 
detekcją  fazową  (patrz  p.4.2).  Pozwala  to  uzyskać  szerszy  zakres  pomiarowy  i  mniejszą 
nieliniowość  charakterystyki  czujnika  w  stosunku  do  układu  pomiarowego  bez  detektora 
fazowego 

zwłaszcza 

w  pobliżu  środkowego  położenia  rdzenia.  Nieliniowość 

charakterystyki  przy  tym  położeniu  rdzenia  wynika  z  udziału  w  sygnale  wyjściowym 
czujnika  wyższych  harmonicznych  spowodowanych  nieliniowością  początkowego  odcinka 
charakterystyki  magnesowania  rdzenia  oraz  różnymi  ich  przesunięciami  fazowymi. 
Czujniki indukcyjnościowe opisano w p.4.2 rozdziału. 

 

 

 

Rys.4.15. 

Szkic 

konstrukcji 

indukcyjnościowego  czujnika  różnicowego 

rdzeniem 

nurnikowym 

Na 

rys.2a 

oznaczono; 2, 3’,3” – uzwojenia czujnika, 4 
– 

rdzeń 

ferromagnetyczny 

(nurnik), 

pozostałe  oznaczenia  odpowiednio  takie jak 
na rys.4.14. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
Oprócz  opisanych  czujników  przemieszczenia  w  praktyce  przemysłowej  używane  są 

także  czujniki  indukcyjne  tzw.  czujniki  wiroprądowe.  Są  one  najczęściej  używane  do 
kontroli  położenia  narzędzi  obróbczych  lub  innych  przedmiotów  albo  przy badaniach oraz 
drgań  mechanicznych  elementów  ruchomych  np.  wirujących  części  maszyn.  W  ostatnio 
wymienionym  przypadku  zastosowań  czujników  przemieszczenia  praktycznie  nie  można 

3''

5

6

2

4

7

1

X

U

x

'

Czujnik

3'

U

x

''

U

z

0

+X

-X

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        154 
 

używać  czujników  takich  jak  przedstawiono  na  rys.4.14  i  rys.4.15.  Należy  przy  tym 
podkreślić,  że  czujniki  te  wyróżniają  się  prostotą  konstrukcji  i  dobrymi  właściwości 
dynamicznymi  (brak  części  ruchomych,  inercja  czujnika  wynika  jedynie  z  elektrycznej 
stałej  czasowej).  Zaletą  tego  rodzaju  czujników  jest  także  to  że,  pozwalają  na  pomiar 
bezdotykowy.  Można  za  ich  pomocą  mierzyć  zarówno  przemieszczenia  statyczne  jak  i 
dynamiczne  (drgania)  obiektów  ruchomych,  wirujących,  będących  pod  niebezpiecznym 
napięciem  elektrycznym,  gorących  oraz  obiektów,  których  powierzchnia  wykazuje  dużą 
agresywność  chemiczną.  Zasadę  konstrukcji  i  układ  pomiarowy  czujnika  wiroprądowego 
przedstawiono na rys.4.16. Na rysunku tym pominięto obudowę czujnika. 

  

 

Fe

I

2

X

1

2

I

1

Czujnik

L

1

z

1

z

2

=1

X

0

GS

PS

VC

Przyrząd pomiarowy

 

 

Rys.4.16. Zasada konstrukcji i układ elektryczny czujnika wiroprądowego.  

 

Działanie  czujnika  w  układzie  przedstawionym  na  rys.4.16  polega  na  wzajemnym 

oddziaływaniu  dwóch  pól  magnetycznych  tj.  pola  wytwarzanego  przez  cewkę  1  zasilaną 
prądem  sinusoidalnym  z  generatora  GS  oraz  pola  wytwarzanego  przez  prądy  wirowe 
indukowane  w  płytce  metalowej  2.  Płytka  ta  jest  mocowana  do  powierzchni  obiektu, 
którego  przemieszczenie  X  jest  mierzone.  W  wyniku  oddziaływania  pól  magnetycznych w 
czujniku  zmienia  się  częstotliwość  i  amplituda napięcia generatora. Częstotliwość napięcia 
generatora  GS  zależy  od  indukcyjności  L  cewki  wzbudzającej  1.  Wskutek  zmiany 
indukcyjności  cewki  czujnika  wiroprądowego  zmienia  się  częstotliwość  generatora 
sinusoidalnego  GS,  zmienia  się  również  stratność  czujnika  (obwodu  magnetycznego  oraz 
uzwojeń)  powodując  zmiany  mocy  pobieranej  przez  generator  ze  źródła  zasilania  także 
zmienia  się  prąd  pobierany  przez  cewkę).  Zasadę  działania oraz  charakterystyki  sygnałów 
wyjściowych  czujnika  wiroprądowego  przedstawiono  w  p.4.1.2.  Z  przedstawionej  na 
rys.4.16  zasady  konstrukcji  czujnika  wiroprądowego  wynika  że,  pytkę  pomiarową  2 
przenika  tylko  część  strumienia  magnetycznego  wytwarzanego  przez  cewkę  wzbudzającą 
1  ze  względu  na  rozproszenie.  Im  większa  jest  odległość  płytki  od  rdzenia  cewki  tym 
mniejszy  strumień  przenika  płytkę.  Ponadto  wynika  stąd,  że  na  strumień  rozproszenia 
może  wpływać  ciało  elektrycznie  przewodzące  (metalowe)  albo  ferromagnetyczne. 
Czujniki wiroprądowe są wrażliwe na tego rodzaju ciała znajdujące się w pobliżu.  

W  praktyce  zwykle  wykorzystuje  się  zależność  indukcyjności  cewki  od  mierzonego 

przemieszczenia  (odległości  cewki  1  od  płytki  pomiarowej  2).  Indukcyjność  cewki 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        155 
 

pomiarowej  będącą    sygnałem  pomiarowym  czujnika  wiroprądowego  można  dalej 
przetwarzać  do  korzystniejszej  postaci  sygnału  korzystając  z  układów  takich  jak  na 
rys.4.12  albo  w  powszechnie  stosowanych  układach  generatorów  LC.  Praca  czujnika 
wiroprądowego  w  układzie  generatora  LC  jest  korzystna  ze  względu  na  charakter 
zależności  indukcyjności  jego  cewki od przemieszczenia (patrz  zależności (4.18), (4.19)). 
W  praktyce  rzadko  mierzy  się  częstotliwość  sygnału  generatora,  lecz  przetwarza  się  ją  na 
napięcie stałe znacznie dogodniejsze niż częstotliwość.  

Przyjmując,  że  przetwornik  częstotliwość-napięcie  (

U

/

)  o  współczynniku 

przetwarzania  K

[V/Hz]  jest  liniowy  oraz  wprowadzając  oznaczenia: 

0

0

X

L

 

X

L

L

X

można  napisać  dla  przyrostu  częstotliwości  generatora  LC  wywołanego 

przemieszczeniem płytki pomiarowej od X

 do X

 

 

1

0

0

0

X

f

L

L

X

f

X

f

X

f

d

                                  (4.39) 

 

Po wprowadzeniu w zależności oznaczenia dla względnej zmiany indukcyjności cewki 

czujnika:  

0

0

L

L

L

X

                                                   (4.40)  

oraz  po  uwzględnieniu  współczynnika  przetwarzania K

f

    i  przekształceniach  otrzymuje  się 

z zależności  (4.39) dla napięcia sygnału wyjściowego: 

 

 

1

1

0

X

U

X

U

                                        (4.41) 

 

przy czym 

 

 

X

f

K

X

U

f

0

0

X

f

K

X

U

f

Po  uwzględnieniu  w zależności (4.41) zależności (4.18), (4.19) oraz (4.40) otrzymuje 

się po przekształceniach: 

 

 

1

0

0

X

X

m

X

U

X

U

                                    (4.42) 

przy  czym:  m  –  współczynnik  zależny  od  parametrów  obwodu  magnetycznego  czujnika; 
określony przy zależności  (4.19). 

Różniczkując  wyrażenie  (4.42)  względem  przemieszczenia X  otrzymuje  się  wyrażenie 

na czułość dynamiczną czujnika wiroprądowego z przetwornikiem  /U : 

 

1

2

0

0

0

X

X

m

X

X

U

m

S

X

                                           (4.43) 

 

Uwzględniając z kolei w zależności (4.40) zależności (4.18) i (4.19) otrzymuje się dla 

względnej zmiany indukcyjności czujnika wiroprądowego: 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        156 
 

X

X

m

L

L

L

X

0

0

0

1

1

1

.                                    (4.44) 

 

Względna zmiana impedancji czujnika dla małych przemieszczeń jest równa:  
 

2

0

2

0

0

0

0

0

0

L

R

L

Z

L

Z

Z

Z

Z

X

X

                        (4.45) 

 

gdzie: Z

0

 - impedancja czujnika dla X = X

0

 

Na  podstawie  analizy  zależności  (4.42),  (4.43),  (4.44)  i  (4.45)  można  wyprowadzić 

następujące wnioski: 
1.Czujnik wiroprądowy jest nieliniowy dla wszystkich rozpatrywanych rodzajów sygnałów 

wyjściowych. 

2.  Najdogodniejsza  w  pomiarach  przemieszczenia  jest  praca  czujnika  wiroprądowego  w 

układzie generatora LC oraz z przetwornikiem częstotliwość-napięcie. 

3.  Aby  czułość  czujnika  wiroprądowego  w  układzie  jak  na  rys.4.16  była  dużą  (patrz 

(4.43))  obwód  magnetyczny  czujnika  powinien  mieć  małą  reluktancję  (duża  wartość 
m),  uzyskać  jak  największe  napięcie  wyjściowe  U(X

0

)  -  (mała  wartość  L

0

)

 

oraz 

zastosować małą szczelinę powietrzną X

0

.  

Ponieważ wymagania podane w p.3 są wzajemnie sprzeczne, można uzyskać możliwie 

dużą czułość dobierając wymienione wyżej parametry czujnika w drodze kompromisu. 

W  pomiarach  przemieszczeń  za  pomocą  czujników  wiroprądowych  należy  brać  pod 

uwagę  pulsującą  siłę  F

d

  wzajemnego  oddziaływania  dynamicznego  cewki  i  płytki 

pomiarowej,  która  może  wywoływać  drgania  badanego  obiektu  zwłaszcza  wtedy,  gdy  ma 
on małą inercję: 

 

2

1

2

I

X

L

F

X

d

  

 

Jest  to siła elektromagnetyczna pulsująca z podwójną częstotliwością generatora (

 = 

2

Z

). Na rys.4.17 przedstawiono w sposób poglądowy schemat stanowiska laboratoryjnego 

do  badania  czujnika  wiroprądowego  (można  także  badać  inne  czujniki)  albo  do 
wzorcowania czujników przemieszczenia. 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        157 
 

X

X

+X

l

CB

CW

1

2

3

4

1

10

SYLVAC

VC

GS

PS

 

 
Rys.4.17. Stanowisko pomiarowe do badania właściwości statycznych  czujników 

przemieszczeń liniowych;  1 – stolik pomiarowy, 2 – płyta pomiarowa  (powierzchnia 
odniesienia),  3 –obiekt pomiaru,  4 – pomocnicza płytka do badania wrażliwości czujnika 
CB na zakłócenia, CB – czujnik badany, CW – czujnik wzorcowy  z miernikiem cyfrowym 
SYLVAC,  (f / U  +VC)  – przetwornik częstotliwość na napięcie + woltomierz cyfrowy. 

 
4.3.2. Pytania kontrolne.

  

1.  Podać zasadę działania czujników do pomiaru przemieszczeń liniowych. 
2.  Wymienić 

sposoby 

zwiększenia 

czułości 

poprawy 

liniowości 

czujników 

pojemnościowych. 

3.  Wymienić  i  wyjaśnić  istotne  różnice  pomiędzy  czujnikami  indukcyjnościowymi  a 

indukcyjnymi (wiroprądowymi). 

4.   Jakie warunki powinna spełniać płytka pomiarowa w czujniku wiroprądowym? 
5.  Omówić  wpływ  właściwości  elektrycznych  i  magnetycznych  płytki  na  sygnał 

wyjściowy czujnika wiroprądowego. 

6.  Wyjaśnić  wpływ  przedmiotów  metalowych  znajdujących  się  w  pobliżu  czujnika 

wiroprądowego na wynik pomiaru przemieszczenia. 

7.  Czy  płytka  pomiarowa  czujnika  wiroprądowego  działającego  według  opisanej  zasady 

może być wykonana z ferrytu? 

 

4.3.3. Program ćwiczenia. 
1.  Dokonać  identyfikacji  czujników  i  układów  pomiarowych    współpracujących    z 

czujnikami. 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        158 
 

2.  Przygotować stanowisko pomiarowe do pracy. 
3.  Wykonać 

pomiary 

przemieszczeń 

(wymiarów 

geometrycznych 

przedmiotów) 

wykorzystując  płytki  do  wzorcowania  grubościomierzy  „3”  (rys.4.17)  i  przyjmując 
wskazania  przyrządu  „SYLVAC”  jako  wzorcowe  dokonać  wzorcowania  czujnika 
wiroprądowego.  Sporządzić  wykres  zależności  Y  =  f  (X);  Y  –  wskazanie  miernika.  W 
ćwiczeniu laboratoryjnym mierzone jest napięcie; Y = U

wy

4.  Wykonać  pomiary  jak  w  p.3  dla  płytek  wykonanych  z  różnych  materiałów  (wskazane 

aby płytki te miały takie same wymiary gabarytowe). 

5.  Dokonać  pomiaru  kilku  przemieszczeń  płytki  stalowej  (wzorcowej)  przy  różnych 

odległościach  l  (rys.4.17)  ciała  zakłócającego„4”.  Przeprowadzić  pomiary  dla  różnych 
materiałów  tego  ciała    zakłócającego.  Sporządzić  wykres  zmierzonych  zależności;        
Y = f (l)

= const.

 

6.  Sporządzić wykres czułości  S

X

  = f (X)

l = const

  

7.  Sporządzić  wykresy  błędu  pomiaru  

f(X)

l  =  const

 oraz błędu nieliniowości 

nl 

f(X

dla płytki wzorcowej przy braku ciała zakłócającego.  

8.  Wnioski z pomiarów. 

 

Opracował: Jan Leks 

 
 

4.4.  POMIAR PRZEMIESZCZEŃ LINIOWYCH. 

 

4.4.1. Wprowadzenie. 

 
W  wielu  procesach  produkcyjnych  w  przemyśle  zwłaszcza  w  układach  sterowania 

automatycznego  położeniem  części  maszyn  lub  narzędzi  obróbczych  konieczny  jest 
pomiar przemieszczenia tych elementów. Pomiaru tego dokonuje się za pomocą czujników 
przemieszczeń  pracujących  w  układach  elektrycznych,  których  sygnały  wyjściowe  mają 
parametry  dogodne  dla  współpracujących  z  czujnikami  urządzeń.  W  wielu  układach 
automatyki  przemysłowej  sygnał  pomiarowy  z  wyjścia  czujnika  przemieszczenia  nie  jest 
prezentowany  za  pomocą  urządzeniach  wskazujących,  lecz  bezpośrednio  jest 
wykorzystywany  w  zamkniętej  pętli  układu  automatyki.  Jednak  w  przeważającej  liczbie 
przypadków,  szczególnie  w  procesach  obróbki  mechanicznej,  systemach  kontroli 
położenia  określonych  elementów  maszyn,  wymiarów  gabarytowych  przedmiotów  itp. 
wynik  pomiaru  przemieszczenia  jest  prezentowany  na  odpowiednich  przyrządach 
odczytowych  często  układy  do  pomiaru  przemieszczeń  pracują  w  skomputeryzowanych 
systemach 

pomiarowych. 

W  zależności  od  wymaganego  zakresu  mierzonych 

przemieszczeń  oraz  dokładności  pomiaru  wykorzystuje  się  różnego  rodzaju  czujniki 
przemieszczenia.  Najczęściej  wykorzystuje  się  indukcyjnościowe  czujniki  różnicowe, 
czujniki  pojemnościowe  oraz  czujniki  indukcyjne  (wiroprądowe).  Zasadę  działania  oraz 
przykłady konstrukcji tych czujników dokładniej opisano w p.4.2.  

 
 
 
 
 
 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        159 
 

4.4.2. Przykłady konstrukcji czujników i układy pomiarowe mierników 

                                 przemieszczenia liniowego. 
 

4.4.2.1. Czujnik indukcyjnościowy 

 
Na  rys.4.18  przedstawiono  szkic  konstrukcji  czujnika  indukcyjnościowego 

różnicowego  z  rdzeniem  nurnikowym  pracującego  w  układzie  elektrycznym  z  detekcją 
fazową. Mamy tu do czynienia z przetwarzaniem przemieszczenia liniowego X na napięcie 
stałe U. Uzwojenia 2, 3’i 3” oraz rdzeń 4 (nurnik) stanowią transformator różnicowy, który 
jest  zasilany  z  generatora  sinusoidalnego  GS.  Napięcia  U

X

’  i  U

X

”  na  uzwojeniach 

różnicowych wraz z napięciem generatora U

podawane są na detektor fazowy DF. Układy 

elektryczne detektorów fazowych omówiono w p.4.2 i przedstawiono na rys.4.9, rys.4.11.  

Na wyjściu detektora fazowego uzyskuje się napięcie stałe U

X

 równe różnicy amplitud 

napięć U

X

’ U

X

U

U

U

X

X

X

'

.                                        (4.46) 

 

Napięcie  stałe  z  wyjścia  detektora  fazowego  jest  wzmacniane  we wzmacniaczu prądu 

stałego,  którego  wzmocnienie  napięciowe  można  ustalać  w  sposób  skokowy.  Pozwala  to 
zwiększać  rozdzielczość 

X  kosztem  zwężenia  zakresu  pomiarowego.  Przykładową 

charakterystykę  czujnika  indukcyjnościowego  z  detektorem  fazowym  przedstawiono  na 
rys.4.10c.  Zastosowanie  detektora  fazowego  pozwala  poszerzyć  w  przybliżeniu 
dwukrotnie  zakres  pomiarowy  oraz zmniejszyć nieliniowość charakterystyki przetwarzania 

 

X

f

U

X

  zwłaszcza  w  środkowym  obszarze  przemieszczeń  nurnika.  Zastosowanie  w 

układzie  pomiarowym  wzmacniacza  napięcia  W  pozwala  zwiększyć  czułość  pomiaru 
przemieszczenia K

– krotnie;(K

U

 – wzmocnienie napięciowe wzmacniacza). 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        160 
 

3''

5

6

2

4

7

1

X

U

x

'

Czujnik

GS

3'

U

x

''

U

z

0

+X

-X

U

wy

Przetwornik sygnałowy

DF

VC

W

U

X

 

 
Rys.4.18.  Czujnik  indukcyjnościowy  różnicowy  z  przetwornikiem  sygnałowym. 

Oznaczono; 1 – obudowa (Fe), 2 – uzwojenie zasilające, 3’, 3” – uzwojenia różnicowe, 4 – 
rdzeń  ferromagnetyczny  (nurnik),  5  –  trzpień  pomiarowy,  6  –  sprężyna  zwrotna,  7  – 
łożysko,  GS  –  generator  sinusoidalny,  DF-  detektor  fazowy,  W  –  wzmacniacz  napięcia, 
VC – woltomierz cyfrowy. 

 

Zależność 

napięcia 

wyjściowego 

U

wy

 

czujnika 

indukcyjnościowego 

od 

przemieszczenia X można opisać ogólną zależnością: 

 

X

S

K

U

XU

U

wy

.                                           (4.47) 

 

przy czym: K

U

 – wzmocnienie napięciowe wzmacniacza, 

            S

XU

 – czułość czujnika; 

 

X

U

dX

dU

S

wy

wy

XU

.                                     (4.48)  

 

4.4.2.2. Czujnik indukcyjny (wiroprądowy) 

 

Czujnik  wiroprądowy  wykorzystywany  jest  w  praktyce  do  pomiaru  małych 

przemieszczeń  zarówno  statycznych  jak  i  dynamicznych.  Ze  względu  na  prostą 
konstrukcję,  brak  elementów  ruchomych  i  wynikającą  stąd  małą  inercję,  duża  trwałość 
oraz    bezdotykowy  sposób  pomiaru  czujnik  wiroprądowy  znajduje  zastosowanie  w 
pomiarach  przemysłowych  zwłaszcza  w  pomiarach  drgań  mechanicznych  wirujących 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        161 
 

części  maszyn  np.  wirników  generatorów  i  turbin  w  elektrowniach.  W  tego  rodzaju 
pomiarach  mamy  do  czynienia  z  przemieszczeniami  o  małych  wartościach  (X  <  1mm) 
zmieniającymi  się  częstotliwością  od  kilku  Hz  do  kilkudziesięciu kHz. Oprócz możliwości 
pomiaru  przemieszczeń  dynamicznych  zaletą  czujników  wiroprądowych  jest  ich  prosta 
konstrukcja  mało  wrażliwa  na  czynniki  atmosferyczne.  Wadą  tycz  czujników  jest 
nieliniowa  charakterystyka  przetwarzania.  W  praktyce  czujniki  wiroprądowe  zwykle 
wymagają linearyzacji i dość złożonych współpracujących z nimi układów elektrycznych. 

 Na  rys.4.19  przedstawiono  uproszczony  schemat  elektryczny  przykładowego  układu 

pomiarowego z czujnikiem wiroprądowym.  

 

 

Rys.4.19. Uproszczony schemat układu pomiarowego z czujnikiem wiroprądowym. 

 
Zasadniczymi  elementami  czujnika  jak  na  rys.4.19  jest  cewka  1  zasilana  prądem 

sinusoidalnym I

1 

z generatora GS oraz mocowana do badanego obiektu płytka 2 wykonana 

z  metalu  (zwykle  z  ferromagnetyka).  W  zależności  od  odległości  płytki  pomiarowej  od 
cewki (przemieszczenia) zmienia się indukcyjność cewki L

1

, prąd zasilania I

1

. Zmiany tych 

wielkości  zależnie  od  układu  generatora  mogą  wywoływać  zmianę  jego  częstotliwości 
(okresu),  napięcia  wyjściowego  lub  poboru  prądu  ze  źródła  zasilania.  Wymienione 
wielkości  stanowią  sygnał  pomiarowy,  który  po  odpowiednim  przetworzeniu  w  układzie 
przetwarzania  sygnału  PS  zamieniany  jest  na  sygnał  analogowy  (napięcie  stałe)  lub 
cyfrowy  (ciąg  impulsów)  dalej  przetwarzany  w  układzie  cyfrowym  do  postaci  wartości 
liczbowej  prezentowanej  na  przyrządzie  odczytowym  (zwykle  cyfrowym  polu 
odczytowym). Dla czujnika wiroprądowego jak na rys.4.19 można napisać:  

 

 

0

0

2

T

X

T

C

X

X

L

T

X

                               (4.49) 

 

gdzie: 

C

X

L

T

0

0

2

    C - pojemność obwodu rezonansowego generatora. 
 
Do  zależności  (4.49)  można  wprowadzić  pojęcie  czułości  czujnika  S

T

  dla  zmian 

okresu napięcia na wyjściu przyrządu pomiarowego PP: 

 

GS

PS

Fe

I

2

X

1

2

I

1

Czujnik

L

1

z

1

z

2

=1

X

0

PP

PW

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        162 
 

 

X

X

T

X

T

dX

dT

S

X

X

T

,                                     (4.50) 

 

a następnie zapisać tę zależność w postaci ogólnej: 

 

T

S X

T

T

0

                                                        (4.51) 

 
W  ogólnym  przypadku  czujnika  wiroprądowego  zależność  (4.49)  jest  nieliniową 

funkcją  przemieszczenia  X.  Jak  wynika  z  opisu  podanego  w  p.4.1.2  dla  tego  rodzaju 
czujników  zależność  L(X)  indukcyjności  cewki  L

1

  od  przemieszczenia  płytki  2  (rys.4.19) 

dla małych przemieszczeń jest liniowa. Jednak nawet w tym przypadku zarówno okres jak 
i częstotliwość napięcia na cewce czujnika są nieliniowymi funkcjami przemieszczenia.  

W  praktyce  czujniki  wiroprądowe  najczęściej  wykorzystuje  się  do  pomiaru 

przemieszczeń  mniejszych  od  5mm  W  pomiarach  z  tymi  czujnikami  należy  liczyć  się 
działaniem siły elektromagnetycznej na płytkę pomiarową. Siła ta w przypadku obiektów o 
małej  masie  może  wywoływać  jego  drgania,  które  mogą  mieć  istotny  wpływ  na 
dokładność  pomiar  przemieszczenia.  Siła  elektromagnetyczna  ma  charakter  tętnień  o 
podwójnej  częstotliwości  napięcia  na  cewce  czujnika.  W  popularnych  przyrządach  do 
pomiaru  przemieszczeń  wykorzystuje  się  czujniki  wiroprądowe  w  układach  takich  lub 
podobnych  jak  na  rys.4.19,  w  którym  wykorzystuje  się  przetwornik  sygnału  PS  typu f  /U 
częstotliwość-napięcie  stałe.  Z  opisu  czujników  wiroprądowych  (patrz  p.4.1.2)  oraz 
czujników  indukcyjnościowych  (patrz  p.4.2.4)  wynika,  że  sygnałem  wyjściowym  czujnika 
mogą  być  także  inne  wielkości  np.  prąd  I

1

  pobierany  przez  cewkę  (rys.4.19),  napięcie  na 

cewce,  prąd  pobierany  przez  generator  zasilający  cewkę  czujnika,  moc  strat  cewki 
czujnika.  
 
4.4.2.3. Czujnik pojemnościowy.
 

 
Na 

rys.4.20 

przedstawiono 

przykład 

konstrukcji 

dotykowego 

czujnika 

pojemnościowego  wraz  z  układem  elektrycznym.  Właściwości  dynamiczne  tego  typu 
czujników  są  zbliżone  do  właściwości  dynamicznych  czujników  indukcyjnościowych 
takich  jak  na  rys.4.18.  Spośród  opisywanych  czujników  czujniki  pojemnościowe 
charakteryzują  się  najlepszą  dokładnością  i  liniowością  charakterystyki  statycznej,  dużą 
odpornością  na  zakłócenia  elektromagnetyczne  i  małą  wrażliwością  na  czynniki 
atmosferyczne  z  wyjątkiem  dużej  wilgotności.  Parametry  elektryczne  czujników 
pojemnościowych praktycznie nie zależą od temperatury i nie zmieniają się w czasie.  

Ponadto  można  budować  czujniki  o  wymaganej  charakterystyce  przetwarzania 

przemieszczenia  na  pojemność  na  przykład  liniowej.  Niedogodnością  w  stosowaniu  w 
praktyce  czujników  pojemnościowych  są  małe  zmiany  ich  pojemności  wywoływane 
mierzonym  przemieszczeniem.  Wymaga  to  często  stosowania  w  układach  pomiarowych  z 
tymi  czujnikami  źródeł  zasilania  o  wyższych  częstotliwościach  (od  kilkuset    Hz  do  kilku 
MHz).  Czujniki  pojemnościowe  pracują  zwykle  w  układach  generatorów  sinusoidalnych, 
mostków  prądu  zmiennego  lub  w  układach  impulsowych  na  przykład  w  układzie 
multiwibratora jak na rys.4.20. 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        163 
 

3

5

6

2

4

7

1

X

C

x

UW

PC

Czujnik

C

R

T

X

PW

 

 

Rys.4.20.  Czujnik pojemnościowy w układzie multiwibratora. Oznaczono; 1 – 

obudowa metalowa, 2 – elektroda stała, 3 – elektroda ruchoma, 4 – dielektryk stały, 5 – 

trzpień pomiarowy, 6 – sprężyna zwrotna, 7 – łożysko. 

 
W  układzie  pomiarowym  jak  na  rys.4  na  wyjściu  multiwibratora  UW  generowane  są 

impulsy prostokątne, których okres jest równy: 

 

 

 

 

0

2

ln

0

2

ln

T

X

T

R

C

C

X

C

R

C

C

T

X

X

                (4.51) 

 

gdzie: 

 

0

0

0

C

X

C

C

 - pojemność początkowa czujnika,  

    C

X

 – pojemność czujnika;

 

 

X

C

C

C

X

0

    C – sumaryczna pojemność pasożytnicza na wejściu multiwibratora (w tym także  
    pojemność kabla łączącego czujnik z multiwibratorem), 
    R – rezystancja w układzie relaksacyjnym multiwibratora, 
    

 

2

ln

2

ln

0

0

0

R

C

R

C

C

T

.  

 
Zmiany  okresu  impulsów  na  wyjściu  multiwibratora  w  zależności  od  mierzonego 

przemieszczenia można określić z  zależności: 

 

2

ln

0

R

X

S

T

T

T

X

.                                       ( 4.52) 

 

gdzie: S

T

 - czułość czujnika dla okresu sygnału wyjściowego; 

S

dC

dX

C

X

T

X

X

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        164 
 

Z  zależności  (4.51)  wynika  że,  jeśli  przyrosty  pojemności  czujnika  są  proporcjonalne 

do  przyrostów  przemieszczenia  to  także  przyrosty  okresu  na  wyjściu  multiwibratora  są 
proporcjonalne  do  przyrostów  przemieszczenia.  Wówczas  na  nieliniowość  charakterystyki 
miernika  przemieszczenia  ma  jedynie  pojemność  początkowa  czujnika  C

0

  =  C(0).  Praca 

czujnika  pojemnościowego  o  konstrukcji  jak  na  rys.4.20  w  układzie  u  multiwibratora  jest 
szczególnie korzystna jeśli wykorzystuje się w układzie pomiarowym cyfrowy przetwornik 
sygnału  PC  w  postaci  układu  mikroprocesorowego.  Wówczas  wartość  początkowa  T

0

 

może  być  automatycznie  odejmowana  od  wartości  zmierzonego  okresu  T

X

  zaś  przyrząd 

wskazujący  PW  (zwykle  wyświetlacz  cyfrowy)  może  wskazywać  bezpośrednio  wartość 
mierzonego  przemieszczenia  X.  Należy  zauważyć  że,  w  przeciwieństwie  do  okresu 
częstotliwość  napięcia  na  wyjściu  multiwibratora  jest  odwrotnie  proporcjonalna  do  sumy 
pojemności  przyłączonych  do  jego  zacisków  wejściowych.  Przebiegi  zależności  
częstotliwości  i  okresu sygnału wyjściowego multiwibratora od przemieszczenia pokazano 
w sposób poglądowy na rys.4.21. 

 

f

X

f

0

0

X

1

2

T

X

X

0

T

0

1

2

a)

b)

 

Rys.4.21. Poglądowe charakterystyki sygnału na wyjściu multiwibratora UW układu 

jak na rys.4.20; a) – dla częstotliwości, b) – dla okresu; 1 – charakterystyki idealne, 2 – 

charakterystyki rzeczywiste. 

 

Pojemność początkowa czujnika C

0

 przy przemieszczeniu = 0 może być najmniejsza 

w  zakresie  pomiarowym  jak  w  przypadku  konstrukcji  pokazanej  na  rys.4.20  albo 
maksymalna.  Jest  to  uzależnione  od  wzajemnego  usytuowania  elektrod  w  początkowym 
położeniu  trzpienia  pomiarowego  5.  W  drugim  przypadku  przebieg  charakterystyk 
pokazanych na rys.4.20 jest odwrotny względem przemieszczenia X

 

4

.4.3. Stanowisko pomiarowe do wyznaczania charakterystyk statycznych  

    czujników przemieszczenia liniowego. 
Na  rys.4.22.  przedstawiono  poglądowo  stanowisko  laboratoryjne  do  badania 

charakterystyk  przetwarzania  czujników  przemieszczenia  liniowego.  Istotne  elementy 
stanowiska  to  przesuwna    masywna  ława  pomiarowa  2  wyposażona  w  zderzak  3  oraz 
nieruchomą podstawę 1, do której mocowane są badane czujniki. Przesuw ruchomej części 
ławy  odbywa  się  za pomocą napędu śrubowego. Do zadawania wartości  przemieszczenia 
X    służy  pokrętło  5.  Odczytu  wartości  zadawanego  przemieszczenia  dokonuje  się  za 
pomocą układu optycznego wyposażonego w okular Abbe’go 6 i „precyzer” 7. 

 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        165 
 

X

0 - 82 mm

VC

PFL

DF

UW

CP

CI

1

2

3

4

5

7

6

W

K

U

 

 

Rys.4.22. Schemat stanowiska do badania charakterystyk statycznych czujników 

przemieszczeń liniowych. Oznaczono; 1 – podstawa ławy pomiarowej, 2 – ruchoma ława 

pomiarowa, 3 – zderzak pomiarowy,  4 – suport ławy pomiarowej, 5 – pokrętło napędu 

suportu, 6 – okular Abbe’go, 7 – pokrętło precyzera okularu. 

 

Na  stanowisku  przedstawionym  na  rys.4.22  bada  się jednocześnie dwa czujniki, które 

oznaczono:  CI  –  czujnik  indukcyjnościowy  (opcjonalnie  może  być  CW  –  czujnik 
wiroprądowy),  CP  –  czujnik  pojemnościowy.  Czujnik  indukcyjnościowy  CI  pracuje  w 
układzie  różnicowym  z  detektorem  fazowym  DF,  wzmacniaczem  napięcia  stałego  W  oraz 
zewnętrznym  woltomierzem  cyfrowym  VC.  Ustalając  wzmocnienie  wzmacniacza  zmienia 
się  rozdzielczość  i  zakres  pomiarowy  badanego  czujnika  indukcyjnościowego.Czujnik 
pojemnościowy CP pracuje w układzie multiwibratora UW, którego sygnał wyjściowy jest 
mierzony  za  pomocą  cyfrowego  częstościomierza-okresomierza  liczącego  PFL.  W 
ćwiczeniu  laboratoryjnym  mierzy  się  tym  przyrządem  przemiennie  okres  i  częstotliwość 
sygnału  wyjściowego  multiwibratora  UW.  Mierzone  przemieszczenie X  wyznacza  się jako 
różnicę położeń zderzaka 3, o który opierają się trzpienie pomiarowe badanych czujników. 
Ława  pomiarowa  (rys.4.22)  pozwala  ustalać  położenia  zderzaka  pomiarowego  3  z 
rozdzielczością  1m.  w  zakresie  przemieszczeń  do  ok.100mm.  Aby  uzyskać  podaną 
rozdzielczość  ustalanych  położeń  zderzaka  pomiarowego  należy  regulować  okularem  6 
oraz  „precyzerem”  7  tak,  aby  uzyskać  obraz  wskaźników  na  skali  widocznej  w  okularze 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        166 
 

położonych  w  sposób  podobny  jak  dla  przykładowego wskazania    X = 6,628mm. Obraz 
skali pomiarowej widocznej w okularze pokazano na rys.4.23. 

 

25

30

0

1

2

3

4

5

6

7

8

6

9

10

11

6,628 mm

 

 

Rys.4.23.  Widok  skali  pomiarowej  w  okularze  Abbe’go.  Położenie  wskaźników 

odczytowych odpowiada położeniu ławy przesuwnej = 6,628mm. 

 
Aby  odczytać  właściwe  położenie  ławy  należy  najpierw  odczytać  wartość  z  podziałki 

liniowej (w przykładzie jest to wartość 6), a następnie dalej obracając pokrętłem 5 napędu 
aż  do  ustalenia  s  się  wskaźnika  (pionowa  linia)  pomiędzy  sąsiednimi  łukami  podziałki  (w 
przykładzie  jest to wartość 6) dalej obracając pokrętłem precyzera doprowadzić położenie 
wskaźnika  na  najbliższą  wartość  na  podziałce  poziomej  i  odczytać  wartość  wskazaną  na 
podziałce łukowej precyzera (w przykładzie wartość 28). W ten sposób odczytana wartość 
wynosi 6,628mm.  

 

4.4.4.  Pytania kontrolne. 
1.  Podać  zasadę  działania  czujników  przemieszczeń  liniowych  –  indukcyjnościowych, 

wiroprądowych i pojemnościowych. 

2.  Dlaczego  czujniki  indukcyjnościowe  i  pojemnościowe  nie  są  wykorzystywane  w 

pomiarach drgań mechanicznych? 

3.  W  jakim  celu  w  układach  pomiarowych  czujników  indukcyjnościowych  wykorzystuje 

się detektory fazowe? 

4.  W jakich układach zwykle pracują czujniki pojemnościowe?  Uzasadnić odpowiedź. 
5.  Porównać 

charakterystyki 

statyczne 

opisywanych 

ćwiczeniu 

czujników 

przemieszczenia liniowego. 

background image

4.                       Pomiar i badanie czujników przemieszczeń liniowych  

 

                                                                        167 
 

6.  Wymienić  sposoby  zwiększenia  czułości  czujników  przemieszczenia.  Uzasadnić 

odpowiedź. 

7.  Który  z  opisywanych  w  ćwiczeniu  czujników  ma  najlepsze właściwości metrologiczne? 

Uzasadnić odpowiedź. 

8.  Jak  wpływa  na  czujniki  wiroprądowe  obecność  w  ich  pobliżu  obcych  ciał 

(przewodzących,  ferromagnetycznych,  dielektryków)?  Uzasadnić  odpowiedź.  do 
nich przedmiotów metalowych? 

 

4.4.5. Program ćwiczenia. 

1.  Dokonać  identyfikacji  badanych  czujników  i  współpracujących  z  nimi  układów 

pomiarowych. 

2.  Przygotować  układy  pomiarowe  do  pracy  i  ustalić  położenie  początkowe  ławy 

pomiarowej X

0

3.  Zdjąć  charakterystyki  statyczne  czujników  Y  =  f(X)  przemieszczając  ławę  pomiarową 

za pomocą pokrętła suportu; Y – wskazanie przyrządu pomiarowego (Y = f , Y = T, Y = 
U). Przemieszczenie X odczytywać za pomocą okularu Abbe’go. 

4.  Zmierzyć  charakterystyki  czujnika  indukcyjnościowego  także  przy  różnych 

współczynnikach wzmocnienia K

U

 wzmacniacza pomiarowego. 

5.  Sporządzić  wykresy  czułości  badanych  czujników:  S

U

    =  f(X),  S

T

  =  f(X),  S

C

  =  f(X), 

Określić czułości badanych czujników  (bez układów pomiarowych). 

6.  Wyznaczyć i sporządzić wykresy błędów nieliniowości badanych czujników:  

NU

 = f(X)



  = f(X). 

7.  Wyznaczyć 

zakresy 

pomiarowe 

badanych 

czujników 

zależnie 

od 

układu 

pomiarowego,  w  których  one  pracują.  Przyjąć  wartość  dopuszczalnego  błędu 
nieliniowości. Podać uzasadnienie. 

8.  Wnioski z pomiarów. 

 
Uwaga!  Zachować  ostrożność  przy  ustawianiu  położenia  początkowego  ławy 

pomiarowej  ze  względu  na  możliwość  mechanicznego  uszkodzenia  badanych  czujników 
wskutek uderzenia ich zderzakiem ławy pomiarowej (duża bezwładność ławy).  

 

Opracował: Jan Leks