Первичные изм. преобразователи. Часть 2

Рис. 3.3.2. Кинематическая схема датчика линейных и угловых

перемещений

Датчик, кинематическая схема которого представлена на рис. 3.3.2, предназначен для измерения линейных и угловых перемещений движущегося тела (имеющего три степени свободы) в пределах ±75° — по углам и до 15 000 мм — по длине.

Одновременное измерение линейного и углового перемещений движущегося тела относительно одной точки позволяет определять относительные координаты движущегося тела в любой заданный момент времени.

Датчик предназначен для работы при температуре окружающей среды от —50 до +100° С, относительной влажности 98% при t = 20° С, вибрации с ускорением до 500 м/с2 в диапазоне частот до 3000 Гц, линейных ускорениях с амплитудой до 150 м/с2 в любом направлении. Погрешность измерения линейных перемещений составляет 2% от перемещения, соответствующего одному обороту движка преобразователя, угловых перемещений — 3% от предела измерения. Сопротивление резистивных элементов (датчика пути и углов) 1500 Ом. Скорость удаления движущегося тела до 30 м/с, угловая

80

скорость до 2π рад/с.

Датчик для измерения линейных и угловых перемещений состоит из двух измерительных узлов: узла измерения линейных перемещений и узла измерения угловых перемещений. Оба узла смонтированы на одном корпусе и функционально связаны между собой измерительным тросом (канатом).

При перемещении исследуемых объектов механических систем происходит вытягивание каната из датчика, закрепленного на объекте, относительно которого определяют координаты движущегося тела. Направление вытягиваемого каната вызывает отклонение втулки рамки датчиков углов по углам α и β, а длина вытянутого каната характеризует путь, пройденный движущимся телом.

Отклонение втулки 12 по углу ±β через коническую зубчатую пару 13 передается на движок реостатного преобразователя 14 датчика углов. Отклонение втулки 12 по углу ±α вызывает отклонение рамки 11 датчика, с которой жестко связан каркас реостатного преобразователя 14, относительно закрепленного движка. При вытягивании каната последний сматывается с намоточного ролика 10, огибает измерительный ролик 8 и через втулку 12 выходит из датчика. Вращение намоточного ролика 10 через блок шестерен 5 передается на спиральную заводную пружину 3, которая при вытягивании каната заводится.

Кулачок 15 предназначен для рядовой укладки каната на намоточный ролик 10. Угол поворота измерительного ролика 8, пропорциональный длине вытянутого каната, через зубчатые колеса 1, 2, 6 и 7 передается на движок реостатного преобразователя 9 линейного перемещения. При вытягивании каната из датчика на длину L — 2000 мм движок преобразователя 9 делает один оборот.

Возвратное движение каната в случае сближения перемещающихся объектов осуществляется с помощью спиральной заводной пружины 3, укрепленной одним концом на державке, а другим на втулке 4 фрикционного устройства, обеспечивающего необходимое усилие вытягивания каната в

81

начальный момент и проскальзывание втулки 4 при вытягивании каната, когда пружина полностью заведена. Длина вытягиваемого каната в датчике ограничена упором. Возвратный ход каната обеспечивается в пределах от

2300 до 4500 мм.

Датчик линейных перемещений штокового типа, конструкция которого представлена на рис.3.3.3, предназначен для измерения линейных перемещений, изменяющихся с ускорением до 500 м/с2, в диапазоне от 10 до 320 мм. Он отличается от обычных штоковых датчиков линейных перемещений тем, что в его конструкции используют сменные штоки (на каждый предел измерения свой шток), имеющие на рабочем участке профилированную винтовую канавку. При перемещениях, превышающих предел измерения, шток легко отделяют от датчика и заменяют.

Датчик предназначен для эксплуатации при температуре окружающей среды ±50° С, относительной влажности до 98% при 20° С, вибрации с ускорением до 500 м/с2, в диапазоне частот от 5 до 3000 Гц. Погрешность датчика в эксплуатационных условиях ±3% от предела измерения.

Основными элементами датчика (рис. 3.3.3) являются реостатный преобразователь 2 и сменные штоки 5, имеющие разную длину и профилированную винтовую канавку определенного шага.

В деталь движка 3 вмонтирован щуп 4, предназначенный для преобразования линейных перемещений штока во вращательное движение движка.

При измерении линейных перемещений исследуемого объекта шток свободно движется в подшипниках скольжения корпуса 1 и крышки 6 и воздействует своей профилированной винтовой канавкой на щуп 4, заставляя движок 3 вращаться вокруг оси штока, при этом происходит изменение выходного сопротивления реостатного преобразователя пропорционально величине перемещения штока.

82

Рис.3.3.3. Датчик линейных перемещений со сменными штоками

Рис. 3.3.4. Линейный акселерометр

83

На рис.3.3.4 представлена схема линейного потенциометрического акселерометра. Чувствительным элементом акселерометра служит инерционная масса 3, подвешенная на упругой мембране 5, прикрепленной к корпусу 1. Корпус 1 жестко связан с объектом, ускорение которого необходимо измерить.

Линия АВ, проходящая через центр тяжести инерционной массы и перпендикулярная к установочной плоскости датчика, является осью чувствительности акселерометра. Ось чувствительности должна совпадать с вектором действия измеряемого ускорения. При отсутствии ускорения масса располагается в среднем (нейтральном) положении. Если объект движется с постоянным линейным ускорением а, то масса т перемещается на величину, при которой сила инерции Fин, возникающая вследствие ускоренного движения массы в пространстве, уравновешивается силой упругости мембраны Fynp. Таким образом, Fин= Fynp.

Выразив указанные величины через конструктивные параметры датчика, получим условие равновесия:

Fин = −ma = Fупр = cx ,

где с - жесткость мембраны; х - величина смещения массы, откуда величина установившегося смещения массы

x = am = −Sa , c

где S — чувствительность акселерометра.

Для успокоения колебаний инерционной массы применяют жидкостный демпфер 4. В качестве преобразователя перемещения инерционной массы используют реостатный преобразователь 2.

Если масса 3 находится в нейтральном (среднем) положении, напряжение на выходе датчика Uвых равно нулю. При смещении массы в ту или другую сторону в зависимости от знака измеряемого ускорения на выходе преобразователя возникает напряжение, величина и полярность которого соответствуют величине и знаку измеряемого ускорения.

84

Вопросы для самоконтроля по главе 3

1.Объясните физические работы проволочных первичных преобразователей. Напишите функцию преобразования и уравнение для определения чувствительности. Приведите конструктивные схемы ненаклеиваемых и наклеиваемых датчиков.

2.Приведите схемы проволочных детчиков линейных и угловых перемещений, проволочного датчика угловых перемещений с упругим валом.

3.Что из себя представляют реостатные датчики? Какие механические упругие элементы могут быть использованы при их конструировании?

4.Приведите схемы реостатных датчиков для измерения линейных и угловых перемещений.

5.Объясните методику расчета реостатных преобразователей. Какие материалы используются при конструировании реостатных преобразователей?

6.Приведите примеры применения реостатных датчиков для измерения механических величин. Объясните принцип работы линейного акселерометра.

7.Объясните принцип работы тензометра с петлевым расположением витков и фольгового тензометра.

85

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Электродвижущая сила (ЭДС) генерируется вдоль проводника, когда его пересекает переменное магнитное поле. И, наоборот, когда проводник движется через магнитное поле, вдоль него генерируется ЭДС (рис. 4.1), определяемая из следующего соотношения:

			E = −	Q(Nф )	,	(4.1)
				dt
	d (Nф )
где		—	скорость изменения потокосцепления.

dt

Рис. 4.1. Электромагнитное преобразование

Рис. 4.2. Индуктивное преобразование

86

Рис. 4.3. Преобразование магнитного сопротивления, используемое в

дифференциальном трансформаторе с линейно-изменяющимся выходом

Индуктивное преобразование показано на рис. 4.2, где самоиндукция катушки меняется в соответствии с изменением измеряемой величины. Изменение индуктивности может быть осуществлено путем движения ферромагнитного сердечника внутри катушки либо путем внесения внешнего изменяющегося потока в катушку с неподвижным сердечником [1].

Преобразование магнитного сопротивления показано на рис. 4.3, на котором цепочка сопротивления между двумя или более катушками (или отдельными частями одной или нескольких катушек) изменяется в зависимости от вариаций измеряемой величины. Когда к системе катушек прикладывается переменный ток, тогда изменение измеряемой величины трансформируется в изменение выходного напряжения [2].

4.1. Индуктивные датчики

Индуктивные электромагнитные датчики находят широкое применение для измерения малых и больших перемещений. Основной принцип работы индуктивных датчиков состоит в изменении сопротивления магнитопровода, осуществляемого или изменением величины воздушного зазора магнитной цепи, или магнитной проницаемости железного сердечника, входящего в магнитную цепь. Индуктивные датчики бывают с переменным

87

воздушным зазором, с подвижным железным сердечником, магнитоупругие (или магнитострикционные) и основанные на вихревых токах.

Индуктивность электромагнитной системы, содержащей обмотку и ферромагнитный сердечник с небольшим воздушным зазором, определяется формулой

L =

w2

,

(4.1.1)

Z м

где w — число витков;

Zм —

магнитное сопротивление сердечника и зазора.

=

,

Как известно,

Z

м

(R

+ R )2

+ x2

ж

δ

м

где Rж =

l

—

активное магнитное сопротивление сердечника, 1/ Ом• с;

μsж

l

и sж —

длина и

площадь поперечного сечения сердечника в см и

см2;

µ

—

магнитная проницаемость сердечника, Гн/м;

R =

δ

—

магнитное сопротивление воздушного зазора, 1/Ом• с;

μвsв

ж

δ

—

величина воздушного зазора, см;

sв

—

площадь поперечного сечения участка воздушного зазора, см2;

µв

—

магнитная проницаемость воздуха;

Хм =		Рж	—	реактивная			составляющая магнитного сопротивления,
		ωФ2
обусловленная вихревыми токами и потерями на гистерезис, 1/Ом• с;
Рж —		потери в сердечнике, Вт;
ω —	угловая частота, рад/с;
Ф — эффективное значение магнитного потока, Вб.
Подставляя выражение Z м в формулу (4.1.1), будем иметь
				L =			w2			(4.1.2)
						(R + R )2
								+ Х 2
						ж	δ	м

88

ω —

где U —

R —

Эта формула показывает, что индуктивность L электромагнитной системы можно изменять, воздействуя на число витков системы, активное магнитное сопротивление сердечника, величину воздушного зазора магнитопровода и реактивное магнитное сопротивление магнитной цепи. Все эти параметры могут быть положены в основу построения индуктивных датчиков перемещения.

4.2 Датчики с переменным воздушным зазором

На рис. 4.2.1. приведены схемы и характеристика индуктивного датчика с переменным воздушным зазором. Обычно индуктивный датчик проектируют с ненасыщенным магнитопроводом, причем воздушный зазор выбирают в пределах 0,1—0,5 мм. При этих условиях можно в выражении (4.1.2) пренебречь значениями Rж и Хм, тогда

	w2		w2 s μ	в
L ≈		=	в		.	(4.2.1)
			δ
	Rδ

Чувствительность индуктивного датчика

	dL		w2 s μ	в
S =		= −	в		,	(4.2.2)
	dδ		δ 2

т. е. она обратно пропорциональна квадрату воздушного зазора. Величина тока в обмотке датчика

	I =			U		× a ,	(4.2.3)
			R2	+ ω2 L2

напряжение, В; активное сопротивление, Ом;

угловая частота переменного тока, рад/с; L — индуктивность, Гн..

Индуктивные датчики с переменным воздушным зазором имеют высокую чувствительность, так как они реагируют на изменение величины воздушного зазора порядка 0,1—0,5 мк. Этим и объясняется широкое их

89