Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - электромеханические устройства систем управления - файл 1.doc


Лекции - электромеханические устройства систем управления
скачать (11883.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc11884kb.17.11.2011 07:31скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2   3   4
Реклама MarketGid:
Загрузка...

^ Схемы делителей напряжения

При включении по схеме дели­теля напряжения датчик включается в цепь последова­тельно с некоторым постоянным сопротивлением , которое в об­щем виде может быть комплексным. Добавочным сопротивлением может служить, например, резистор, индуктивность или емкость (см. рис. 4.8.2.1). При питании цепи переменным напряжением, напряжение на дат­чике, измеряемое вольтметром V того или иного типа, будет зави­сеть от полного сопротивления датчика. Если соблюдается условие , то

,

откуда следует, что напряжение на датчике прямо пропорционально величине его индуктивности.

Чувствительность по напряжению схемы

.

Выходной сигнал схемы включения при изменении полного со­противления датчика

.

С другой стороны, выходное напряжение схемы делителя напря­жения зависит также от величины напряжения питания и час­тоты питающего тока . Нетрудно убедиться, что и ; следовательно, стабильность источника питания по часто­те и напряжению определяет погрешность преобразования измери­тельного сигнала схемой делителя напряжения.




Включение дифференциального датчика в схему делителя напря­жения показано на рисунке 4.8.2.2. Обмот­ки датчика и образуют делитель напряжения, питаемый переменным током.


При изменении индуктивностей обмоток будет из­меняться их полное сопротивление и падение напряжения на обмотках. Это падение напряжения выпрям­ляется диодами и . Конден­саторы и служат для сгла­живания пульсаций выпрямленного напряжения, а резисторы , , являются сопротивлениями на­грузки для выпрямителей.

Показывающий вольтметр V подключен к одноименным полюсам выпрямителей. В этом случае он будет пока­зывать разницу напряжений на обмотках датчика и . Когда индуктивности обмоток равны, равны и их полные сопротивления и падения напряжения на них. Вольтметр при этом покажет нуль. Ре­гулировка нулевых показаний вольтметра при настройке может осу­ществляться переменным резистором .

Мостовые схемы

Весьма широкое распространение для вклю­чения индуктивных датчиков нашла мостовая схема включения в различных вариантах (см. рис. 4.8.3.1). Общий вид мостовых схем включения недиф­ференциального индуктивного датчика показан на рисунке. Если соблюдается условие



где – фазовый угол соответствующего комплексного сопротив­ления, то выходное напряжение равно нулю, и мост в этом слу­чае сбалансирован или уравновешен. Условие равновесия мостовой схемы формулируется следующим образом: «для равновесия мос­товой схемы необходимо, чтобы произведения модулей комплексных сопротивлений накрест лежащих плеч моста, а также суммы их углов фазовых сдвигов были равны между собой». При изменении индуктивности датчика условие равновесия мос­та нарушается, и выходное напряжение моста пропорционально из­менению индуктивности.


Плечи мостовой схемы в общем случае являются комплексными сопротивлениями и в конкретных схемах включения могут быть реа­лизованы включением резисторов, индуктивностей или емкостей. Пример реализации мостовой схемы приведен на рисунке 4.8.3.1 б). Одним плечом моста является индуктивность датчика , второе плечо – компенсационная индуктивность , третье и четвертое – образова­ны резисторами , и . Для резисторов фазовый угол . Для индуктивностей . В связи с этим удается обеспечить усло­вие равновесия мостовой схемы. Балансировка мостовой схемы для определенного значения при настройке осуществляется резисто­ром или изменением компенсационной индуктивности .

Мостовые схемы с компенсационной индуктивностью не всегда удобны при практическом исполнении. В этом отношении проще схемы на резистивно-емкостных элементах (см. рис. 4.8.3.1 в). Конденса­тор введен в схему для того, чтобы можно было обеспечить ра­венство сумм фазовых углов накрест лежащих плеч моста. Регу­лировкой резистора устанавливается требуемый угол фазового сдвига плеча, составленного резисторами , , частично и конденсатором и накрест лежащего по отношению к плечу с . Регулировкой резистора добиваются выполнения условия равен­ства произведений модулей сопротивлений накрест лежащих плеч. Таким образом оба регулировочных элемента и одновремен­но используются для балансировки мостовой схемы.

Мостовая схема используется и для включения дифференци­альных датчиков. В схеме на рисунке 4.8.3.2 а) два плеча моста образованы индуктивностями обмоток дифференциального датчика, а два других резисторами , и . Поскольку катушки датчика имеют одинаковую конструкцию и одинаковые параметры, то для них углы фазовых сдвигов близки, и второе условие равновесия мостовой схемы обеспечивается автоматически.


Для балансировки мостовой схемы при неравных значениях индуктивностей и в процессе настройки служит резистор , которым добиваются выполнения первого условия равновесия мостовой схемы.

В мостовой схеме, приведенной на рисунке 4.8.3.2 б), плечами моста являются индуктивности датчика и , а также обмотки тран­сформатора и резистор . В этой схеме указатель подключен к измерительной диагонали моста через трансформатор . Такое включение позволяет наилучшим образом согласовать между со­бой выходное сопротивление мостовой схемы и сопротивление из­мерителя для получения наибольшей чувствительности.

Резистор служит для балансировки мостовой схемы при настройке.

На рисунке 4.8.3.2 в), в приведена схема, аналогичная показанной на рисунке 4.8.3.2 а), а, но в данном случае изменено назначение диагоналей моста.

Все рассмотренные мостовые схемы работают в режиме неурав­новешенного моста, при котором изменение индуктивности датчика размера ведет к пропорциональному изменению выходного напря­жения на измерительной диагонали моста.

Выходное напряжение мостовой неуравновешенной схемы

,

где – относительное изменение полного сопротивления одного плеча (обмотки датчика) мостовой схемы; – коэффициент пре­образования мостовой схемы (плечевой коэффициент).

Величина определяется соотношением углов фазовых сдви­гов комплексных сопротивлений смежных плеч.

Фазовые соотношения смежных плеч моста:

а – синфазные, б – квадратурные, в – противофазные.





С этой точки зрения мостовые схемы разделяются на

  • синфазные, для которых и ;

  • квадратурные и ;

  • противофазные и .

Для включения индуктивных датчиков размера на практике применяются только синфазные и квадратурные мостовые схемы, и, следовательно, .

Выражение записано для модуля выходного напряжения без учета фазового сдвига. Из этого выражения нетрудно видеть, что стабильность выходного напряжения зависит от стабиль­ности напряжения питания и частоты питания (в последнем случае при изменении частоты изменяется ). При этом

, .

Поскольку в общем виде первое условие равновесия мостовой схемы переменного тока можно записать

,

то функция преобразования уравновешенной мостовой схемы (при одном уравновешивающем плече ) будет иметь вид

и .

При включении в мостовую схему дифференциального индуктив­ного датчика в выражения и следует подставлять ве­личину , где – относительное изменение полного сопро­тивления обмотки половины дифференциального датчика при вход­ном измеряемом перемещении .


^ Частотная схема включения

Для преобразования индуктивно­сти датчика в частоту переменного тока применяют генераторные схемы (см. рис. 4.8.4). Основой генераторной схемы является колебатель­ный контур, составленный индуктивностью датчика и постоян­ной емкостью .

Контур включен в схему электронного генера­тора Г, который генерирует переменное напряжение с частотой, рав­ной собственной частоте колебательного контура.

При изменении индуктивности датчика изменяется частота на выходе генератора, измеряемая частотомером. Частота генератора зависит в основном от индуктивности датчика и не зависит от его сопротивления по­терь (это верно только в первом приближении). Поскольку сопро­тивление потерь датчика обычно в большой степени зависит от различных внешних факторов, то избавление от его влияния на ре­зультаты измерения повышает точность измерений.

Генераторная схема может применяться для включения, как не­дифференциальных датчиков, так и дифференциальных. В последнем случае имеется два колебательных кон­тура, составленных каждой обмоткой датчика и конденсаторами и , и два генератора Г1 и Г2. Частоты с обоих генераторов и поступают на смеситель, который выделяет разностную частоту. Эта разностная частота, в свою очередь, измеряется частотомером. Подбором емкостей и генераторы настраиваются так, чтобы в одном из крайних положений измерительного стержня дат­чика выполнялось условие и . Тогда показания часто­томера будут пропорциональны величине смещения измерительного стержня из крайнего положения.

Чувствительность преобразования частотной схемы включения



и относительная чувствительность

.

Сравнение чувствительности преобразования частотной схемы с чувствительностью других описанных схем показывает, что ее отно­сительная чувствительность в 2 раза ниже, как это следует из фор­мулы.


^ Трансформаторная схема включения

Взаимоиндуктивные дат­чики включаются по трансформаторной схеме. Трансфор­маторная схема включения недифференциального взаимоиндуктив­ного датчика показана па рисунке 4.8.5. Одна обмотка датчика пи­тается переменным напряжением постоянной величины . За счет магнитной связи между обмотками во второй обмотке наводится ЭДС, которая измеряется соответствующим вольтметром.

Изменение измеряемого размера приводит к изменению связи между обмотками и к изменению ЭДС на вторичной обмотке. Таким образом, ЭДС на выходе вторичной обмотки будет зависеть от из­меряемого размера.

Напряжение на вторичной обмотке ,

где – взаимная индуктивность первичной и вторичной обмоток; – индуктивность первичной обмотки.

Если принять, что взаимная индуктивность М остается посто­янной, то выходной сигнал схемы включения

,

где ; .

Последнее выражение справедливо при отсутствии нагрузки в цепи вторичной обмотки. Для цепи питания в этом случае нагрузкой является в основном полное сопротивление первичной обмотки.

Дифференциальная трансформаторная схема от­личается наличием двух вторичных обмоток у датчика. Измеритель­ный вольтметр в этом случае измеряет разность напряжений на обмотках.

Трансформаторная схема включения индуктивных датчиков весьма проста и практически не требует каких-либо дополнительных элементов. Однако конструкция датчика при этом усложняется, появляется потребность в нескольких обмотках и соответствующем количестве соединительных проводов.


^ Потенциометрические датчики


Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа. По способу выполнения сопротивления делятся на

- ламельные с постоянными сопротивлениями;

- проволочные с непрерывной намоткой;

- с резистивным слоем.

^ Ламельные датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков.

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям. Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт (Рисунок ). При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

^ Проволочные датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода : манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

^ Потенциометрические датчики с резистивным слоем -


Преимущества потенциометрических датчиков :

- простота конструкции;

- малые габариты и вес;

- высокая степень линейности статических характеристик;

- стабильность характеристик;

- возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки :

- наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка ;

- погрешность в работе за счет нагрузки ;

- сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

- высокий порог чувствительности ;

- наличие шумов ;

- подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.


^ Статическая характеристика потенциометрических датчиков




Рассмотрим на примере потенциометрического датчика с непрерывной намоткой. К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение :

Uвых=(U/R)r ,

где R- сопротивление обмотки ;

  1. сопротивление части обмотки.

Учитывая, что r/R=x/l ,где l - общая длина намотки, получим

Uвых=(U/l)x=Kx [В/м],

Где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку, например, схема представленная на рисунке . Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке . Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

^ 1.Зона нечувствительности.

Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку,т.о. возникает эта зона , когда при малом

входная величина Uвых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле :

U=U/W ,

где W- число витков.


Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода :

x=l/W.

2.Неравномерность статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

^ 3.Погрешность от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно регулировать нажим щетки.

^ 5.Погрешность от влияния нагрузки.

В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением:

Uвых=(UrRн)/(RRн+Rr-r2)

Т.о. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>R можно показать, что Uвых=(U/R)r ;

при RнR зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (23)l. Обычно выбирают Rн/R=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть определена из выражения :

E=4/27,

где =Rн/R - коэффициент нагрузки.





^ Динамические характеристики потенциометрических датчиков.

Передаточная функция.


Для вывода передаточной функции удобнее за выходную величину взять ток нагрузки, его можно определить пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе.

Iн=Uвых0/(Rвн+Zн) Рассмотрим два случая :

^ 1.Нагрузка чисто активная Zн=Rн т.к. Uвых0=K1x

Iн=K1x/(Rвн+Rн)

где K1 − коэффициент передачи датчика на холостом ходу .

Применяя преобразование Лапласа, получим передаточную функцию

W(p)=Iн(p)/X(p)=K1/(Rвн+Rн)=K

Таким образом, мы получили безынерционное звено, а значит датчик имеет все, соответствующие этому звену частотные и временные характеристики.


^ 2. Нагрузка индуктивная с наличием активной составляющей.


U=RвнIн+L(dIн/dt)+RнI н


Применяя преобразование Лапласа получим


Uвыхx(p)=Iн(p)[(Rвн+pL)+Rн]


Путем преобразований можно прийти к передаточной функции вида

W(p)=K/(Tp+1) – апериодическое звено 1-го порядка ,

где K=K1/(Rвн+Rн)

T=L/(Rвн+Rн);

^ Собственные шумы потенциометрического датчика

Как было показано, при движении щетки от витка к витку напряжение на выходе меняется скачком. Погрешность , создаваемая ступенчатостью имеет вид пилообразного напряжения , наложенного на выходное напряжение передаточной функции ,т.е. представляет собой шум . При наличии вибрации щетки при движении также создается шум (помеха). Частотный спектр вибрационного шума лежит в области звуковых частот.

Для устранения вибрации токосъемники выполняют из нескольких проволочек различной длины сложенных вместе. Тогда собственная частота каждой проволочки будет различна , это препятствует появлению технического резонанса. Уровень тепловых шумов- низок, их учитывают в особо чувствительных системах.

^ Функциональные потенциометрические датчики

Необходимо отметить , что в автоматике часто для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции.

Их построение производится тремя способами :

- изменением диаметра проволоки вдоль намотки ;

- изменением шага намотки ;

- применением каркаса определенной конфигурации ;

- шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины .


Например, чтобы получить квадратичную зависимость по з-му способу , нужно чтобы ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке . Мы не будем подробно рассматривать эти датчики их описание и характеристики можно найти в рекомендованной литературе .

^ Многооборотный потенциометр

Обычные потенциометрические датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т.е. электрический диапазон таких датчиков кратен 3600.


Основным достоинством МПД является высокая разрешающая способность и точность, что достигается благодаря большой длине резистивного элемента при малых общих габаритах.

Недостатки :

- наличие трех и более подвижных контактов (сложность конструкции) ;

- небольшая скорость вращения ограничивает их применение в быстродействующих системах.


^ Фотопотенциометры (ФП)ФП − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с ФП управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт.

ФП выполняют на гомогенной (фоторезистивной) и гетерогенной (типа р-п перехода) основах.

ФП по назначению : линейные и функциональные.


Функциональные − позволяют пространственное перемещение источника света преобразовать в электрический сигнал заданного функционального вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

ФП на гетерогенной основе обладают чувствительностью от 0,5 до 1,0 В/мм*мВт и постоянной времени 10-6с. Отклонение от линейности в них достигает 1-5% на длине 70мм.

ФП на гомогенной основе обладают большей инерционностью их постоянные времени находятся в пределах от 10-3с до 10-2с.

Разрешающая способность: 1-12 мкм.

Недостатки ФП :

- отсутствие нуля пелингационной характеристики;

- небольшая мощность выходного сигнала;

- технологические сложности изготовления слоев.


^ Тензометрические измерительные преобразователи


Тензометрический измерительный преобразователь – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.

Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 году лордом Кельвином и в 1881 году О.Д.Хвольсоном.

В современном виде тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др.), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1). Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

При всем многообразии задач, решаемых с помощью тензометрических измерительных преобразователей, можно выделить две основные области их использования:

- исследования физических свойств материалов, деформаций и напряжений в деталях и конструкциях;

- применение тензодатчиков для измерения механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента.

Для первого случая характерно значительное число точек тензометрирования, широкие диапазоны изменения параметров окружающей среды, а также невозможность градуировки измерительных каналов. В данном случае погрешность измерения составляет 2-10%.

Во втором случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5-0,05%.

Наиболее ярким примером использования тензометров являются весы. Тензометрическими датчиками оснащены весы большинства российских и зарубежных производителей весов. Весы на тензодатчиках применяются в различных отраслях промышленности: цветная и черная металлургии, химическая, строительная, пищевая и другие отрасли.

Принцип действия электронных весов сводится к измерению силы веса, воздействующей на тензодатчик, посредством преобразования возникающих изменений, например деформации, в пропорциональный выходной электрический сигнал.

Широкое распространение тензодатчиков объясняется целым рядом их досчтоинств:


- малые габариты и вес;

- малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях;

- обладают линейной характеристикой;

- позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения;

- способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали.

А их недостаток, заключающейся в температурной чувствительности, можно в большинстве случаев скомпенсировать.

^ Типы преобразователей и их конструктивные особенности

В основе работы тензопреобразователей лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности К, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:



где относительное изменение сопротивления проводника;

относительное изменение длины проводника.

При деформации твердых тел изменение их длины связано с изменением объема, кроме того, изменяются и их свойства, в частности величина удельного сопротивления . Поэтому значение коэффициента тензочувствительности в общем случае должно быть выражено как



Здесь величина (1+2) характеризует изменение сопротивления, связанное с изменением геометрических размеров (длины и сечения) проводника, а - изменение удельного сопротивления материала, связанное с изменением его физических свойств.

Если при изготовлении тензопреобразователя использованы полупроводниковые материалы, то чувствительность определяется в основном изменением свойств материала решетки при ее деформации, и K  m и может меняться для различных материалов от 40 до 200.

Все существующие преобразователи можно разделить на три основных типа:

- проволочные;

- фольговые ;

- пленочные.

^ Проволочные тензодатчик в технике измерений неэлектрических величин используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объемного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. В этом случае преобразователь представляет собой катушку провода (обычно манганинового), помещенную в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление – использование тензоэфффекта растягиваемой проволоки из тензочувствительного материала. При этом тензопреобразоатели применяются в виде “свободных” преобразователей и в виде наклеиваемых.

“Свободные” тензопреобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закрепленных по концам между подвижной и неподвижной деталями, и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространенного типа наклеиваемого проволочного тензодатчика изображено на рисунке 2.1. На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку наклеивается уложенная зигзагообразно тонкая проволока диаметром 0,02-0,05 мм. К концам проволоки присоединяются выводные медные проводники. Сверху преобразователь покрывается слоем лака, а иногда заклеивается бумагой или фетром.

Датчик обычно устанавливается так, чтобы его наиболее длинная сторона была ориентирована в направлении измеряемой силы. Такой преобразователь, будучи приклееным к испытуемой детали, воспринимает деформации ее поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого преобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной- изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации. Обычно наклеиваемые датчики используются много чаще ненаклеиваемых.



Рисунок 2.1- Наклеиваемый проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводные проводники

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используются преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивлением 30 – 500 ом.


Кроме наиболее распространенной петлевой конструкции проволочных тензодатчиков, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматыается спираль из тензочувствительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо получить от цепи с тезопреобразователем ток большой величины, часто используют “мощные” проволочные тензопреобразователи. Они состоят из большого числа (до 30 – 50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150 – 200 мм) и дают возможность значительно увеличить пропускаемый через преобразователь ток (рисунок 2.2).



Рисунок 2.2- Низкоомный («мощный») проволочный тензопреобразователь: 1- тензочувствительная проволока; 2- клей или цемент; 3- целлофановая или бумажная подложка; 4- выводной проводник

Проволочные датчики имеют малую поверхность связи с образцом (основанием), что уменьшает токи утечки при высоких температурах и дает большее напряжение изоляции между чувствительным элементом и образцом.


^ Фольговые тензодатчики являются наиболее популярной версией наклеиваемых тензодатчиков. Фольговые преобразователи представляют из себя ленту из фольги толщиной 4 –12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рисунке 2.4 решетку с выводами.

При изготовлении такой решетки можно предусмотреть любой рисунок решетки, что является существенным достоинством фольговых тензопреобразователей. На рисунке 2.4,а показан внешний вид преобразователя из фольги, предназначенного для измерения линейных напряженных состояний, на рис. 2.4,в – фольговый преобразователь, наклеиваемый на вал, для измерения крутящих моментов, а на рис.2.4,б – наклеиваемый на мембрану.



Рисунок 2.4- Фольговые преобразователи: 1- подгоночные петли; 2- витки, чувствительные к растягивающим мембрану усилиям; 3- витки, чувствительные к сжимающим мембрану усилиям

Серьезным преимуществом преобразователей из фольги является возможность увеличивать сечение концов преобразователя; приваривание (или припаивание) выводов можно в этом случае осуществить значительно надежнее, чем в преобразователях из проволоки.

Фольговые тензодатчики по сравнению с проволочными имеют большее отношение площади поверхности чувствительного элемента к площади поперечного сечения (чувствительность) и более стабильны при критических температурах и длительных нагрузках. Большая площадь поверхности и малое поперечное сечение также обеспечивает хороший температурный контакт чувствительного элемента с образцом, что уменьшает саморазогрев датчика.

Для изготовления фольговых тензопреобразователей используются те же металлы, что и для проволочных датчиков (константан, нихром, сплав никеля с железом и т.д.), а также применяются еще и другие материалы, например титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12%, а также целый ряд полупроводниковых материалов. Пленочные тензодатчики

В последние годы появился еще один способ массового изготовления приклеиваемых тензосопротивлений, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувствительного материала и последующей конденсации его на подложку, напыляемую непосредственно на деталь. Такие тензопреобразователи получили название пленочных. Малая толщина таких тензопреобразователей (15-30 мкм) дает существенное преимущество при измерениях деформаций в динамическом режиме в области высоких температур, где измерения деформации представляют собой специализированную область исследований.

Целый ряд пленочных тензопреобразователей на основе висмута, титана, кремния или германия выполняется в виде одной проводящей полоски (рисунок 2.5). Такие преобразователи не имеют недостатка, заключающегося в уменьшении относительной чувствительности преобразователя по сравнению с чувствительностью материала, из которого выполнен преобразователь.




Рисунок 2.5- Пленочный тензопреобразовтель:1- тензочувствительная пленка; 2- пленка лака; 3- выводной проводник

Тензометрический коэффициент преобразователя, выполненного на основе металлической пленки, равен 2-4, а его сопротивление колеблется в диапазоне от 100 до 1000 Ом. Преобразователи, выполненные на основе полупроводниковой пленки, имеют коэффициент порядка 50-200, и поэтому они более чувствительны к прикладываемому напряжению. При этом нет необходимости использовать усилительные схемы, поскольку выходное напряжение полупроводникового тензометрического моста составляет примерно 1 В. К сожалению, сопротивление полупроводникового преобразователя изменяется в зависимости от прикладываемого напряжения и является существенно нелинейным во всем диапазоне напряжений, а также сильно зависит от температуры. Таким образом, хотя при работе с тензометром на основе металлической пленки требуется усилитель, его линейность весьма высока, а температурный эффект можно легко скомпенсировать.

^ Основные принципы расчета преобразователей и выбора схем их включения

Расчет тензопреобразователей сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой тензодатчиком мощности рассеяния (а следовательно, и допустимого значения тока при данном сопротивлении) или наоборот – к определению размеров тензопреобразователя, необходимых для обеспечения заданной мощности.

М
ощность P, рассеиваемая в тензопреобразователе, ограничена его нагревом, вызывающим появление повышенных значений погрешности. Перегрев тензопреобразователя по сравнению с температурой детали, на которую он наклеен, равен



где - тепловое сопротивление, К/Вт; - площадь поверхности теплоотдачи материала тензопреобразователя, ; - коэффициент теплоотдачи, ;- удельная тепловая нагрузка,

Д
опустимое значение тока через тензопреобразователь определяется из соотношения Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной l, из n проводов в решетке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением ,



и допустимое значение тока



Сопротивления датчиков и их изменения измеряются классическими методами, а именно: с использованием моста Уитстона (наиболее широко) либо с использованием потенциометрической схемы.

Наибольшие трудности связаны с влиянием температуры и нелинейности.

Температура влияет на сам датчик, вызывая изменение собственного сопротивления, разностное расширение, изменение коэффициента преобразования датчика в случае полупроводникового элемента, и на соединительные провода, изменяя их сопротивление.

Важно отметить, что температурные эффекты обычно инерционны, им наиболее подвержены измерения статических или медленно меняющихся деформаций.

Проблема нелинейности возникает практически только для полупроводниковых датчиков, затрагивая, с одной стороны, мост Уитстона, а с другой стороны — сам датчик.

Напряжение разбаланса моста с одним работающим датчи­ком имеет выражение




В случае металлических датчиков , и для имеем Напротив, в случае полупроводниковых датчиков , и для имеем Очевидно, в последнем случае нельзя всякий раз пренебрегать членом по сравнению с 1.

Кроме того, за исключением случаев малых деформаций или значительной концентрации примесей в полупроводниках, изменение напряжения разбаланса является функцией деформации.

^ Потенциометрическая схема, которую применяют лишь в том случае (рисунок 3.1), когда интересуются переменной составляющей измеряемой величины. Напряжение , снимаемое с , определяется


формулой

^ Измерительные схемы на основе Моста Уитстона

В соответствии с числом используемых датчиков и действием, которое они испытывают, можно выделить шесть схем. Эти шесть схем можно разделить на три группы, в каждой из которых полумост строится следующим образом:

1. Рабочий датчик и постоянное балластное сопротивление .

2. Рабочий датчик и эталонный (термокомпенсирующий) датчик .

3. Два рабочих датчика,и, сопротивления которых меняются в противоположных направлениях.

Для каждой группы возможны две схемы в зависимости от того, сформирован ли другой полумост из балластного сопротивления или же оба полумоста симметричны (одинаковые элементы на противоположных плечах), что удваивает, по сравнению с предыдущим случаем, чувствительность моста.

Для примера рассмотрим первую группу мостовых схем включения тензопреобразователей. В первой схеме (рисунок 3.2) используется один датчик. Эта схема наиболее часто используется при анализе механических напряжений. Влияние температуры компенсируется либо на соединительных проводах – по трехпроводной схеме, либо на датчике – с помощью термокомпенсиованных датчиков.

Сопротивлениекаждого из соединительных проводов должно быть малым по сравнению с сопротивлением датчика; действительно, обычно у моста, все четыре сопротивления у которого одинаково сбалансированы (), напряжение разбаланса выражается соотношением




или

Если условие не удовлетворяется, то при вычислении величины деформации нужно учитывать сопротивление соединительного провода.

Третий соединительный провод может быть смонтирован:

а) либо последовательно с источником (рисунок 3.2,а), и в этом случае его сопротивление, прибавляясь к сопротивлению источника, может повлечь ухудшение чувствительности моста;

б) либо последовательно с чувствительным элементом большого входного сопротивления (рисунок 3.2,б), но при условии, что уровень наведенных помех пренебрежим по сравнению с измеряемым сигналом.

Эту схему можно построить и с полупроводниковым датчиком, если измеряемые деформации достаточно малы для того, чтобы мост был линеен с требуемой точностью. В противном случае возможно:

а) применять схему линеаризации моста;

б
) питать датчик от источника тока ; при этом измеряемый сигнал определяется выражением



При повышении температуры эта схема нуждается в некоторой компенсации роста К с помощью увеличения R.

в) попытаться скомпенсировать нелинейность моста нелинейностью датчика, имеющего в случае кремния -типа противоположный характер.

^ Балансировка моста

Необходимо всегда иметь возможность вначале сбалансировать мостовую схему для того, чтобы установить начало отсчета. Если же деформация (статическая) измеряется нулевым методом, то мост нужно вновь сбалансировать известным изменением сопротивления, после того, как будет приложено механическое напряжение. Итак, в общем случае нужны два независимых устройства балансировки сопротивлений моста. Кроме того, в случае питания переменным током может понадобиться добавление двух конденсаторов для компенсации емкостей соединительных кабелей (рисунок 3.8).



Рисунок 3.8- Мост Уитстона при нулевом методе измерений – устройство балансировки

Питание моста

Оно может осуществляться на постоянном или переменном токе. Однако предпочтительнее питание на постоянном токе, что делает измерения не чувствительными к индуцируемым помехам и не требует синхронного детектирования. При этом нужно принять все меры предосторожности, чтобы свести к минимуму термо-э.д.с.

Измеряемый сигнал пропорционален напряжению питания; оно должно быть ограничено для того, чтобы уменьшить нагрев датчика джоулевым теплом. Для обычных значений сопротивления датчиков используют напряжения от 3 до 10В; при заданном напряжении питания нагрев датчика зависит от его теплообмена со средой, в том числе от площади поверхности датчика и теплопроводности материала исследуемого образца.

При наличии значительных помех можно существенно увеличить измеряемый сигнал, используя импульсное напряжение питания повышенной амплитуды (порядкаВ), но с малой длительностью импульса (например, 100мкс) и с достаточно большой скважностью, такой, чтобы нагрев при этом был приемлемым.

Когда источник питания удален от измерительного моста, падение напряжения в соединительных проводах меняется вместе с их сопротивлением, что приводит к такому же изменению напряжения на клеммах моста. В этих условиях необходимо использовать либо регулятор напряжения на клеммах моста (рисунок 3.9,а), либо схему измерения

отношений, показания которой независимы от напряжения на клеммах моста; например, с использованием аналого-цифрового преобразователя, опорное напряжение которого равно пропорционально напряжению питания моста (рисунок 3.9,б).




Снижение чувствительности, вызванное уменьшением К при повышении температуры (главным образом, у полупроводниковых датчиков), можно скомпенсировать соответственным увеличением напряжения на клеммах питаемой диагонали моста. С этой целью последовательно с источником питания помещают терморезистор, шунтированный стабильным сопротивлением; они выбираются так, чтобы при повышении температуры возрастание напряжения на выходе моста компенсировало – обычно в ограниченном интервале температур – снижение К (рисунок 3.10).

Пример построения измерительной системы

Кроме моста Уитстона, система (рисунок 3.11) содержит:

-питание с регулировкой напряжения на клеммах моста;

-формирователь измеряемого сигнала, включающий в себя: измерительный усилитель, обеспечивающий усиление измеряемого напряжения и подавление синфазных помех; буферный усилитель, обеспечивающий точную регулировку усиления или смещения выходного напряжения; активный фильтр нижних частот типа Баттерворта, предназначенный для улучшения отношения сигнал/шум, в частности подавлением помех на промышленных частотах.





^ Емкостные датчики


Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

^ Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т.д.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются:

  • сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла;

  • контроль уровня заполнения прозрачных упаковок;

  • сигнализация обрыва обмоточного провода;

  • регулирование натяжения ленты;

  • поштучный счет любого вида и др.

Датчики линейных и угловых перемещений являются наиболее распространенными приборами, широко используемыми в машиностроении и на транспорте, строительстве и энергетике, в различных измерительных комплексах.

Сравнительно новыми приборами, доведенными до широкого промышленного применения в последние годы, стали малогабаритные емкостные инклинометры с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углу наклона датчика.. В качестве основных можно считать следующие области применения инклинометров: использование в системах горизонтирования платформ, определение величины прогибов и деформаций различного рода опор и балок, контроль углов наклона автомобильных и железных дорог при их строительстве, ремонте и эксплуатации, определение крена автомобилей, кораблей и подводных роботов, подъемников и кранов, экскаваторов, сельскохозяйственных машин, определение углового перемещения различного рода вращающихся объектов – валов, колес, механизмов редукторов как на стационарных, так и подвижных объектах.

^ Емкостные датчики уровня находят применение в системах контроля, регулирования и управления производственными процессами в пищевой, фармацевтической, химической, нефтеперерабатывающей промышленности. Они эффективны при работе с жидкостями, сыпучими материалами, пульпой, вязкими веществами (проводящими и непроводящими), а также в условиях образования конденсата, запыленности.

Емкостные датчики также находят применение в различных отраслях промышленности для измерения абсолютного и избыточного давления, толщины диэлектрических материалов, влажности воздуха, деформации, угловых и линейных ускорений и др.

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

  • простота изготовления, использование недорогих материалов для производства;

  • малые габариты и вес;

  • низкое потребление энергии;

  • высокая чувствительность;

  • отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем);

  • долгий срок эксплуатации;

  • потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика;

  • простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

    • сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

    • высокие требования к экранировке деталей;

    • необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;

Однако в большинстве случаев можно добиться достаточной экранировки за счет конструкции датчика, а практика показывает, что емкостные датчики дают хорошие результаты на широко распространенной частоте 400 Гц. Присущий конденсаторам краевой эффект становится значительным, лишь когда расстояние между обкладками сравнимо с линейными размерами рассматриваемых поверхностей. Этот эффект можно в некоторой степени устранить, использую защитное кольцо, позволяющее вынести его влияние за границы поверхности обкладок, реально используемой при измерении.

Емкостные датчики замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов, если эти материалы правильно подобраны. Следовательно, можно сделать пренебрежимым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками, правильно подбирая марку металла для обкладок и изоляцию для их крепления. Остается лишь защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками, – от пыли, коррозии, влажности, ионизирующей радиации.

Ценные качества емкостных датчиков – малая величина механического усилия, необходимого для перемещения его подвижной части, возможность регулировки выхода следящей системы и высокая точность работы – делают емкостные датчики незаменимыми в приборах, в которых допускаются погрешности лишь в сотые и даже тысячные доли процента.


^ Типы преобразователей и их конструктивные особенности

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилинд­рический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

, где – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, и – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:

- переменной диэлектрической проницаемостью среды ;

- площадью перекрытия обкладок ;

- изменяющимся расстоянием между обкладками .

В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами. Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов. В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга. На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные датчики. Последние бывают дифференциальными и полудифференциальными.

^ Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его минусам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции. Недостатком таких датчиков по сравнению с одноемкостными является необходимость как минимум трех (вместо двух) экранированных соединительных проводов между датчиком и измерительным устройством для подавления так называемых паразитных емкостей. Однако этот недостаток окупается существенным повышением точности, стабильности и расширением области применения таких устройств.

В некоторых случаях дифференциальный датчик создать затруднительно по конструкторским соображениям (особенно это относится к дифференциальным датчикам с переменным зазором). Однако если и при этом образцовый конденсатор раз­местить в одном корпусе с рабочим, выполнить их по возможности идентичными по конструкции, размерам, применяемым материалам, то будет обеспечена значительно меньшая чувст­вительность всего устройства к внешним дестабилизирующим воздействиям. В таких случаях можно говорить о полудифференциальном емкостном датчике, который, как и дифференциальный, относится к двухъемкостным.

Специфика выходного параметра двухъемкостных датчиков, который представляется как безразмерное соотношение двух размерных физических величин (в нашем случае – емкостей), дает основание именовать их датчиками отношения. При использовании двухъемкостных датчиков измерительное устройство может вообще не содержать образцовых мер емкости, что способствует повышению точности измерения.

1   2   3   4



Скачать файл (11883.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации