Рис. 12.12. Датчик, основанный на отражен ном импедансе. Импеданс измерительной ка тушки зависит как от расстояния между этой катушкой и мишенью, так и от удельного сопротивления последней. Если один из этих двух факторов остается постоянным, то импе данс измерительной катушки можно прока либровать в значениях, характеризующих другой фактор
катушкой, вызывает отставание по фазе тока в измерительной катушке; во-вторых, увеличение емкости мишени также вызывает отставание по фазе тока в измерительной катушке; в-третьих, увеличение сопротивления мишени вызывает опережение по фазе тока в измерительной катушке, и, в-четвертых, увеличение индук тивности мишени также вызывает опережение по фазе тока в измерительной катушке.
Как показано на рис. 12.5, траектория конца вектора сигналь ного тока при различных значениях сигнала, воспринимаемого измерительной катушкой, характеризует параметр любого типа, влияющий на ток в измерительной катушке, будь то магнитное сопротивление, емкость, электрическое сопротивление или индук тивность. В схеме датчика, приведенной на рис. 12.12, при заданном стандартном расстоянии между измерительной катуш кой и поверхностью проводника различие удельных сопротивле ний разных проводников, помещаемых в магнитном поле измери тельной катушки, обусловливает различия фаз и амплитуд на водимых в них вихревых токов. Эти различия можно использо вать для того, чтобы распознавать проводящие материалы разных типов.
На рис. 12.11 показано, каким образом можно использовать векторную диаграмму для калибровки датчика относительно од ного из параметров, в данном случае температуры. По этому же принципу можно прокалибровать его относительно других пара метров, например собственных характеристик проводника. Ана логично, если проводник имеет слой поверхностного покрытия, причем удельная электрическая проводимость покрытия отлича ется от удельной электрической проводимости основного провод ника, который достаточно однороден по магнитным и электри ческим характеристикам, а измерительная катушка приближена вплотную к поверхности покрытия, то амплитуда наведенного вихревого тока будет в значительной степени зависеть от тол щины слоя покрытия. При этих условиях изменение фазового
угла тока в измерительной катушке можно прокалибровать в значениях толщины покрытия.
12.13. ДЕФЕКТОСКОП, ОСНОВАННЫЙ НА ОТРАЖЕННОМ ИМПЕДАНСЕ
Если цилиндрический проводник помещен в центральной части измерительной катушки, то под влиянием ее магнитного поля в проводнике могут наводиться вихревые токи, циркули рующие вдоль боковой поверхности цилиндра вокруг его оси. Если же при этом цилиндрический проводник движется вдоль оси измерительной катушки с постоянной скоростью, то измене ния импеданса по отношению к наведенным вихревым токам можно контролировать, наблюдая отраженные изменения тока в измерительной катушке.
Благодаря возможности измерения двух переменных — фазы и амплитуды тока в измерительной катушке — такое устройство позволяет измерять одновременно больше одного параметра. По добные многоцелевые измерения базируются на раздельном опре делении изменений сопротивления или индуктивности цепи и изменений скорости изменения каждой из этих характеристик во времени.
Например, если через проволочную катушку продвигать с большой скоростью металлическую трубу, то можно разделять медленные и быстрые изменения параметров. Проявление локаль ных дефектов стенки трубы удается отделить от проявления не равномерности толщины стенки при помощи схем, на которые по дается выходной сигнал одной и той же измерительной катушки. Одна из схем определяет отклонения амплитуды и фазы отражен ных вихревых токов, обусловленные изменениями толщины стен ки трубы, а другая схема — внезапные изменения этих отклоне ний, вызванные локальным дефектом стенки трубы (рис. 12.13).
^й х /М Рис12.13. Дефектоскоп, основанный
'1 1+ХнаПТПОМ/А1111ЛМотраженном импедансе1ШПДП<1ипа.РЕслилпи ПНVвих
ревые токи в проводящей мишени имеют разрывы, обусловленные де фектами материала, то такое явле ние обнаруживается по изменению импеданса измерительной катушки
12.14. МОДУЛЯЦИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
При использовании явления электромагнитной индукции энер гия передающей катушки падает на некоторую мишень, часть падающей на мишень энергии отражается и часть этой отражен ной энергии воспринимается приемной катушкой. Как указано
202
выше, в качестве передатчика и приемника энергии можно при менять либо одну и ту же катушку, либо две отдельные катушки. При любых условиях качество и характер отраженной энергии, воспринимаемой приемной катушкой, зависят от значения и ха рактера изменения тока, наведенного в мишени. Этот ток, ко нечно, зависит от импеданса мишени.
При заданной конфигурации системы, состоящей из катушек (передающей и приемной) и мишени, отраженная энергия изме няется в зависимости от изменений импеданса мишени. Следо вательно, изменение импеданса мишени можно определять при помощи приемной катушки по изменению амплитуды и фазы отраженной энергии. В § 12.11 импеданс рассматривался как функция температуры, а в § 12.13 — как функция размеров по перечного сечения мишени.
Если наведенный ток в мишени промодулировать изменения ми импеданса мишени в соответствии с некоторой изменяющейся во времени зависимостью, то ток в приемной катушке будет отслеживать эту зависимость, изменяя свою амплитуду и фазу. В частности, можно использовать выключатель, который пре рывает или восстанавливает ток в катушке-мишени, размыкая или замыкая ее цепь согласно заданной программе импульсно кодовой модуляции. При такой форме «модуляции отражатель ной способности», сводящейся к модуляции тока в мишени, отра женный сигнал может регистрироваться в некоторой приемной катушке.
На рис. 12.14 иллюстрируются основные элементы цепи, предназначенной для модуляции по импедансу мишени в соответ ствии с заданным импульсным кодом, а на рис. 12.15 показано
|
Катушка- |
у/ |
|
мишень |
|
Излучающая |
Тт |
|
кат уш ка |
|
|
Постоянное запоминаю щ ее уст ройст во
Рис. 12.14. Модуляция отражательной способности. Если импеданс мишени изме няется во времени, то эти изменения можно определить по аналогичным изме
нениям импеданса измерительной катушки
Запускающ ий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Запускаю щ ий |
|||
импульс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
импульс |
||
/ |
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
О |
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
1 |
1 |
8 |
1 |
1 |
4 |
8 |
1 |
2 |
4 |
8 |
1 |
2 |
4 |
8 |
|
Временная последовательность импульсов |
|
ГГ |
|||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время------- |
|
|
|
|
|
|||
Рис. 12.15. Импульсно-кодовая |
модуляция. Импеданс |
мишени можно изменять |
|||||||||||||||
в соответствии с последовательностью импульсов, при помощи которой закоди ровано сообщение
изменение тока, наведенного в приемной катушке в результате такой модуляции.
12.15. МОСТОВАЯ СХЕМА
Один из способов существенного улучшения передаточных функций преобразования состоит в применении мостовой схемы. Используя устройства преобразования в качестве элементов мос товой схемы, можно выпрямлять нелинейные характеристики, повышать устойчивость выходных сигналов и чувствительность системы, а также устанавливать нулевой уровень отсчета.
Как показано на рис. 12.16, мостовая схема состоит из че тырех элементов, соединенных в форме контура с четырьмя уз лами. Напряжение возбуждения контура подается на два узла, расположенных диагонально. Характеристики каждого из четы рех элементов выбраны таким образом, чтобы два выходных узла имели одинаковые потенциалы, когда все элементы находят ся в исходном, невозмущенном состоянии. Иначе говоря, мосто вую схему можно рассматривать как совокупность двух пар элементов, соединенных с общим источником электропитания. Один из элементов каждой пары подключен к одному полюсу источника питания, другой элемент каждой пары — к другому полюсу. Пусть элементы обозначены буквами Л, В, С и причем элементы А и В образуют одну из указанных пар, а элементы С и й — другую (рис. 12.16). Тогда питание подается
|
Рис. 12.16. Мостовая схема Ь / К . |
||
|
Такая |
мостовая |
схема может |
|
быть выведена из состояния рав |
||
|
новесия путем заполнения прово |
||
|
дящей |
жидкостью |
пространства |
Проводящая жидкость |
внутри |
измерительной катушки, |
|
образующей одно из плеч моста |
|||
204
на узлы А —С и В—Б, а выходной сигнал мостовой схемы снимается с узлов А— В и С—О.
Мостовая схема может иметь один, два или четыре активных элемента. В схеме с одним активным элементом таким элементом может служить, например, элемент В. Если характеристики, оп ределяющие падение напряжения на элементах, обозначить теми же символами, что и соответствующие элементы, то можно показать, что при равенстве отношений А /В и С /Б напряже ние между узлами А— В и С—Б будет равно нулю, т. е. устанавлйвается нулевой опорный уровень выходного сигнала.
Возможны два варианта мостовой схемы с двумя активными элементами. Так, схема с активными элементами А и В позволяет линеаризовать выходной сигнал. В этом случае активный элемент А должен увеличивать значение соответствующей характери стики, когда активный элемент В его уменьшает. Если эти эле менты в других отношениях эквивалентны, то нелинейное изме нение характеристики одного из них компенсирует нелинейное изменение характеристики другого и выходной сигнал между узлами А —В и С— Б приобретает требуемую степень линейности. В случае, когда активными являются элементы В и Б, можно обеспечить различные виды стабилизации сигналов. Например, если активный элемент В имеет значительный температурный коэффициент, то для компенсации влияния температуры можно использовать элемент Б, чувствительный к температуре.
В мостовой схеме с четырьмя активными элементами любое воздействие, изменяющее в равной степени все четыре элемента, не влияет на выходной сигнал схемы. Наиболее эффективное использование такого варианта мостовой схемы достигается при условии, что все элементы имеют одинаковые характеристики, и при увеличении значений характеристик элементов В и С значения соответствующих характеристик элементов А и Б уменьшаются.
На рис. 12.16 иллюстрируется мостовая схема с одним актив ным элементом, применяемая для определения уровня проводя щей жидкости, помещенной внутри измерительной катушки. За полнение внутренней области катушки проводником • приводит к нарушению равновесия мостовой схемы, причем выходное на пряжение указывает степень этого заполнения.
12.16. ДИАГРАММЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
Проволочные катушки с током, создающие магнитное поле в окружающем пространстве, аналогичны антеннам, излучающим электромагнитную энергию. Хотя это рассмотрение касается глав ным образом напряженности магнитного поля при низких часто тах, основные изложенные принципы применимы к любым усло виям и во всем частотном диапазоне. Поэтому такие изображе