Дифференциально-мостовой датчик
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ.
УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)
ФАКУЛЬТЕТ «ПОДГОТОВКИ АВИАЦИОННЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ»
КАФЕДРА «ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ»
«УТВЕРЖДАЮ»
Заведующий кафедрой ОАБ
профессор В.М. Ильин
« » 2011г.
Доцент Вербицкий Ю.А.
ЛЕКЦИЯ
по учебной дисциплине
«Организация досмотра»
ТЕМА 4. Технические средства проведения досмотра.
Лекция 4.3. Датчики металлоискателей.
Обсуждено на заседании кафедры ОАБ
Протокол № от « « 2011г.
Ульяновск 2011
Содержание
Введение
Учебные вопросы:
1.Вихретоковый датчик;
2.Дифференциально-мостовой датчик;
3.Трансформаторный датчик.
Заключение
Литература.
Основная:
1.Авиационная безопасность: учеб. пособие: в 2 ч. Ч.1А.В. Дормидонтов, С.И. Краснов, Н.В. Павлов; под общей редакцией С.И. Краснова, - Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2009. _ 192с.
2.Авиационная безопасность: Учеб. пособие: под общ. ред. Ю.М. Волынского-Басманова, - 2-е издю, перераб. и доп. – М.: - М.: НУЦ «АБИНТЕХ», 2005. – 800 с., ил.
Учебно-материальное обеспечение.
1. Наглядные пособия.
2. Технические средства обучения.
3. Приложения.
Введение
Датчики всех металлоискателей относятся к индукционному типу, т. е. их основой является одна или несколько катушек, которые часто называют приемными катушками.
Датчики различаются физическим принципом преобразования изменения структуры электромагнитного поля при появлении в нем металлического предмета в выходной сигнал» видом выходного сигнала - постоянный или переменный ток, свойствами выходного сигнала, конструкцией.
Наибольшее распространение получили следующие виды датчиков: вихретоковые, дифференциально-мостовые и трансформаторные.
Вихретоковый датчик
Принцип действия этого датчика основан на явлении возникновения в металлическом образце под действием переменного магнитного поля кольцевых микротоков, называемых индукционными или токами Фуко. Они нагревают образец, т.е. происходит поглощение, и преобразование в тепловую форму части энергии электромагнитного поля. После резкого исчезновения переменного магнитного поля индукционные токи постепенно затухают. Оба указанных свойства используются в датчиках.
Датчик первого типа работает в непрерывном режиме и схемотехнически составляет единое целое с АГ, создающим гармонически изменяющееся электромагнитное поле. Такой вариант вихретокового датчика называется вихретоковым преобразователем (ВТП). Функции передающей и приемной катушек в нем совмещены. На рис. 1.2 представлена упрощенная принципиальная схема ВТП. Катушка L поискового элемента и конденсатор С образуют колебательный контур АГ, выполненного по схеме индуктивной трехточки. Катушка L совмещает роль и передающей и приёмной.
Выходное напряжение UД снимается с отвода катушки. Амплитуда колебаний напряжения на контуре при неизменных прочих условиях уменьшается при увеличении затухания контура. Поглощение части энергии электромагнитного поля, создаваемого катушкой, металлическим предметом эквивалентно увеличению затухания. Поэтому полезным эффектом является отрицательное приращение амплитуды напряжения Uд.
Датчик второго типа, принцип действия которого иллюстрирует рис. 1.3, работает в импульсном режиме. Передающая катушка питается импульсами длительностью tи переменного тока с частотой порядка 1 кГц (см. временную диаграмму), повторяющимися с периодом Т. Напряжение приемной катушки в интервале tИ имеет примерно прямоугольную форму, а по окончании этого интервала постепенно затухает (см. диаграмму 2). Полезным выходным сигналом датчика являются относительно короткие импульсы длительностью tс, которые получаются в результате стробирования затухающего напряжения приемной катушки (см. диаграмму 3).
Характер выходных напряжений обоих вихретоковых датчиков одинаков. Это - периодические последовательности импульсов, различающихся лишь частотой повторения. У вихретокового преобразователя частота повторения импульсов равна частоте, на которой работает автогенератор (обычно порядка 100 кГц), У датчика второго типа - частоте повторения импульсов, питающих передающую катушку (порядка 10 Гц).
Дифференциально-мостовой датчик
Схема датчика приведена на рис. 1.4. Две одинаковые катушки индуктивности соединены последовательно и согласно. Катушки совмещают функции передающих и приемных. Совместно с остальными элементами схемы они образуют последовательный колебательный контур, настраиваемый в резонанс с автогенератором металоискателя с помощью конденсатора С2.
При положительной полуволне питающего напряжения токи катушек протекают, соответственно, через диод D1и конденсатор С1 и через диод D2и конденсатор C3. При отрицательной полуволне через конденсатор C1и диод D2протекает ток катушки L1, а через конденсатор C3и диод D3протекает ток катушки L2.
Если индуктивности катушек, параметры диодов и емкости конденсаторов попарно одинаковы, то напряжения на конденсаторах С1 и СЗ имеют одинаковую амплитуду в обоих полупериодах и синфазны. Поэтому выходное напряжение датчика Uд, как разность падений напряжений на конденсаторах, равно нулю.
В реальной схеме идентичности параметров одноименных элементов из-за технологических погрешностей их изготовления нет. Поэтому амплитуды полуволны напряжений на конденсаторах С1 и СЗ различны, и на них появляются постоянные составляющие противоположные по знаку. В результате выходное напряжение датчика имеет не равное нулю значение, называемое остаточным напряжением датчика.
При внесении в поле датчика металлического предмета возникает добавочная асимметрия индуктивностей катушек, зависящая от расстояния между катушками и предметом, его размера и массы. Обусловленное этой добавочной асимметрией изменение выходного напряжения является полезным сигналом датчика.
Для увеличения чувствительности датчика, в устройство обработки сигнала вводится схема автоматической компенсации остаточного напряжения. При отсутствии металлического предмета в поле датчика компенсатор уменьшает выходное напряжение устройства обработки до значения меньшего порога обнаружения. При появлении металлического предмета выходное напряжение устройства обработки возрастает и превышает порог, т.е. происходит об-
наружение появившегося объекта поиска. Однако одновременно схема автоматической компенсации начинает отработку возникшего рассогласования. Через время, зависящее от постоянной времени следящей системы, выходное напряжение устройства обработки будет уменьшено до подпорогового уровня.
Из сказанного следует, что: выходное напряжение дифференциально-мостового датчика является постоянным напряжением, которое представляет собой алгебраическую сумму остаточного напряжения и полезного сигнала и может иметь положительное или отрицательное значение относительно общей шины; выход датчика симметричный; входной каскад устройства обработки должен выполнять операцию вычитания напряжений, имеющихся на конденсаторах С1 и С3.
Трансформаторный датчик.
Применяется в стационарных металлоискателях, иногда называется
индукционным.
Принцип действия датчика поясняется рис. 1.5 и 1.6. Передающая катушка L3 имеет вид прямоугольной рамки (см. рис. 1.5). На боковых сторонах рамки расположены приемные катушки L1 и L2 так, что их одноименные выводы находятся вверху. Катушки соединены параллельно. В местах расположения приемных катушек синусоидальный переменный ток передающей катушки протекает в противоположных направлениях. Поэтому ЭДС, наведенные в приемных катушках, про-тивофазны и порождают в них ток I, показанный на эквивалентной схеме рис. 1,6.
Можно показать, что при совершенно одинаковых приемных катушках выходное напряжение датчика равно нулю. Поскольку из-за технологических погрешностей изготовления идентичность приемных катушек невозможна, трансформаторному датчику присуще остаточное напряжение. Выходное напряжение трансформаторного датчика - переменное. В устройстве обработки сигнала должна быть схема автоматической компенсации остаточного напряжения. Металлический предмет, внесенный в электромагнитное поле датчика, изменяет индуктивности катушек, и на выходе датчика возникает полезный сигнал.
Сравнительная характеристика датчиков
Основное различие между рассмотренными типами датчиков связано с остаточным напряжением.
Металлоискатели с дифференциально-мостовыми и трансформаторными датчиками схемотехнически сложнее» так как должны иметь следящую систему компенсации остаточного напряжения. Обнаружение ими металлического предмета принципиально возможно лишь при относительном перемещении поискового элемента и объекта досмотра.
Напротив, металлоискатели с вихретоковыми датчиками могут работать в обоих режимах. Схемотехнически они проще. Но в процессе эксплуатации зачастую требуются оперативные регулировки. В первую очередь это относится к простейшему металлоискателю с вихретоковым преобразователем.
Для переносных металлоискателей, по-видимому, наиболее подходящим является дифференциально-мостовой датчик. Во-первых, потому, что металлоискатель с этим датчиком не требует оперативных регулировок. Во-вторых, сформировать постоянное компенсирующее напряжение легче, чем переменное.
Трансформаторный датчик лучше соответствует стационарным металлоискателям. В них приемные катушки расположены на значительном расстоянии друг от друга, и их взаимное влияние минимально. Однако сформировать переменное компенсирующее напряжение сложнее, чем постоянное. Это обусловлено сложностью подгонки фазы компенсирующего напряжения. Стационарные металлоискатели с электромеханической следящей системой (например, типа МИС) в процессе эксплуатации нуждаются в оперативной регулировке. Электронная следящая система автокомпенсации, выполненная на современной элементной базе, значительно улучшает их эксплуатационные качества.
Заключение.
Итог занятия, задание на самоподготовку.
Доцент кафедры ОАБ Вербицкий Ю. А.