Высокоточные вихретоковые датчики смещения для промышленных применений

Вихретоковые датчики смещения относятся к индуктивной группе датчиков смещения и хорошо адаптированы для промышленных применений. В отличие от обычных индуктивных датчиков, принцип измерения вихретоковых датчиков позволяет измерения на неферромагнитных материалах (например, алюминий) так же, как и на ферромагнитных (например, сталь). Они предназначены для бесконтактных и бесстертильных измерений смещения, расстояния, позиции, осцилляций, вибрации и толщины. Поэтому они идеально подходят для мониторинга машин и систем — они могут измерять в суровых промышленных средах, даже где происходят давление, грязь или колебания температуры.

Обычно вихретоковые датчики смещения используются там, где требуется высокая точность измерения, и другие датчики не могут справиться с преобладающими окружающими условиями. Оптические датчики, например, влияют грязь или пыль в измерительном зазоре и высокие температуры. Обычные индуктивные датчики смещения используют ферритовые сердечники, которые имеют сравнительно высокую ошибку линейности и более низкую частотную характеристику. Также их точность измерения снижается при колебаниях окружающей температуры.

Только проводящие металлические цели, будь то ферромагнитные или неферромагнитные, могут быть измерены с помощью вихретоковых датчиков смещения. Непроводящие материалы невидимы для вихретоковой измерительной системы и таким образом не влияют на результаты измерений. По этой причине эти датчики могут измерять через материалы, такие как пластик и масло, на металлические объекты. Это позволяет применения, такие как измерение масляных зазоров и измерение расстояния до роликов, направляющих пластиковые пленки.

Ограничения обычных индуктивных датчиков смещения

Классический индуктивный датчик смещения использует катушку, намотанную на ферромагнитное сердечко. Из-за этого сердечка выход нелинеен, поэтому он должен быть либо линеаризован в электронике датчика, либо пользователь должен учитывать эту нелинейность в своей системе управления заводом.

Помимо нелинейности, другие ограничения включают железные потери, вызванные тем, что сердечко само поглощает магнитное поле. Эти потери увеличиваются с частотой, до такой степени, что индуктивный датчик смещения достигает пределов своей производительности примерно на 100 измерениях в секунду.

Другая проблема индуктивных датчиков смещения — их чувствительность к экстремальным температурным вариациям из-за высокого температурного коэффициента расширения ферритового сердечка. Это делает температурную компенсацию сложной, обычно приводя к высокому термическому дрейфу.

Вихретоковые vs Емкостные датчики смещения

Вихретоковые и емкостные датчики обнаруживают расстояние до электрически проводящего измерительного объекта на основе изменений в электрическом поле. Вихретоковые датчики измеряют расстояние через изменение импеданса датчиковой катушки. При емкостном сенсировании датчик и измерительный объект образуют обкладки конденсатора.

Оба типа могут измерять в субмикрометровом диапазоне. Тем не менее, они значительно отличаются по отношению к рабочей среде. Вихретоковые датчики идеально подходят для суровых промышленных сред, включающих грязь, пыль и влажность. Емкостные датчики, с другой стороны, требуют чистых окружений, таких как производство электроники, лаборатории и чистые комнаты.

Вихретоковые датчики смещения

Хотя вихретоковые датчики используют те же законы магнитной индукции, что и индуктивные датчики смещения и датчики приближенности, их воздушнокатушковая конструкция обеспечивает более высокую точность, скорость измерения и стабильность — нелинейность и температурный дрейф не являются проблемами.

Их преимущества включают:

• Быстрые измерения до 100 кГц.

• Высокое разрешение до 0,5 мкм или лучше.

• Высокая линейность.

• Высокая температурная стабильность при колеблющихся окружающих температурах, которую можно даже улучшить с встроенной активной температурной компенсацией.

• Измерение с использованием либо ферромагнитных, либо неферромагнитных целевых материалов.

• Они не влияют высокое давление, высокая температура, грязь, пар или масло.

Принцип работы вихретокового датчика

Переменный ток в датчиковой катушке производит меняющееся магнитное поле. Это поле индуцирует ток в цели — вихретоковый ток. Чередующийся вихретоковый ток производит свое собственное магнитное поле, которое противостоит полю датчиковой катушки, таким образом изменяя импеданс датчиковой катушки. Количество изменения импеданса зависит от расстояния между целью и датчиковой катушкой в зонде. Ток в датчиковой катушке, который зависит от импеданса, обрабатывается для получения выходного напряжения, которое является указанием позиции цели относительно зонда.

Температурная компенсация

Поскольку доступно несколько разных конструкций вихретоковых датчиков от Micro-Epsilon, инженеры могут выбрать оптимальный датчик для их конкретного приложения. Например, активная температурная компенсация необходима, если требуются высокоточные измерения. При меняющихся температурах есть два фактора, которые могут влиять на измерительный сигнал: механические изменения, где геометрические размеры датчика и цели меняются в виде расширения или сокращения датчика и цели. И электрические эффекты имеют даже большее влияние, чем механические, из-за меняющихся электромагнитных характеристик.

Например, серия eddyNCDT 3001 специально спроектирована для приложений, где обычные индуктивные датчики смещения часто достигали пределов своей производительности. Они имеют компактные размеры и доступны в корпусах M12 и M18, покрывающие измерительные диапазоны от 2 мм до 8 мм. Они защищены по IP67 и поэтому применимы в автоматизации, машиностроении и дизайне. Кроме того, они температурно-скомпенсированы до 70 °C. Они имеют высокую точность измерения и линейность, а также частотный отклик 5 кГц и заводски откалиброваны для ферромагнитных и неферромагнитных объектов, таких как алюминий и сталь.

Гидростатические подшипники

Одно применение для вихретоковых датчиков смещения — в крупном оборудовании, таком как каменные мельницы или телескопические установки, которые часто работают с гидростатическими подшипниками. Эти подшипниковые системы постоянно снабжаются жидкой смазкой через внешнее давление. Смазка давится между поверхностями подшипников, которые поэтому постоянно разделены друг от друга тонкой смазочной пленкой. Поверхности подшипников не подвергаются трению и поэтому работают без износа. Это обеспечивает субмикрометровое позиционное управление. Любые нарушения в гидравлике или падения давления, однако, могут иметь катастрофические последствия. Это может привести к повреждению подшипников и в конечном итоге к отказу системы, вызывая высокие затраты на обслуживание и ремонт. Масляный зазор в гидростатических подшипниках, поэтому, требует непрерывного надежного контроля. Для этого приложения датчик монтируется горизонтально к подшипниковой башмаку, так что он не напрямую подвергается масляному давлению. Он измеряет через масляную пленку на противоположную подшипниковую поверхность.

Двигатели внутреннего сгорания

Точная позиция поршня, поршневых колец и существующие условия давления — существенная информация для производителей двигателей внутреннего сгорания. Используя инструменты симуляции, эти данные в основном используются для надежных прогнозов об износе, трении и расходе масла. Вихретоковый датчик измеряет поршневое кольцо и так называемые вторичные движения поршня с высокой точностью. Здесь очевидны преимущества вихретоковых датчиков — устойчивость к высоким температурам в двигателях внутреннего сгорания (до 180°C и даже выше на короткий период времени). Преобладающие вибрации, давление, масло, топливо, газы сгорания и непрерывное механическое движение не влияют на точность результатов. Кроме того, датчики eddyNCDT предлагают быстрые скорости измерения с малыми измерительными диапазонами (0–0,5 мм) и экстремально высоким разрешением (менее 1 мкм).

Миниатюризация

Micro-Epsilon разработал датчик, использующий технологию встроенной катушки (ECT) для миниатюризации. Этот производственный метод позволяет практически неограниченную свободу в внешнем дизайне и геометрической форме датчиков, позволяя интегрировать оценочную электронику в датчик. Он строится путем встраивания двумерной вихретоковой катушки в неорганический материал, что улучшает стабильность, робастность и термическую стойкость датчиков. Эти датчики подходят для экстремально суровых применений, таких как ультра-высокие вакуумы в производстве полупроводников.

Вихретоковые датчики смещения — маленькие, но мощные промышленные рабочие

Эти маленькие датчики идеальны для промышленных сред, где условия самые суровые и сложные, но требуют экстремально точных измерений. Их можно использовать во всем: от измерения зазоров в гидростатических подшипниках в крупных машинах, зазора между поршнем и цилиндром, до измерений расстояния до роликов, направляющих пластиковые пленки.

Эту статью написал Мартин Думбергер, управляющий директор Micro-Epsilon USA (Роли, NC). Для дополнительной информации свяжитесь с г-ном Думбергером по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите здесь .