71330

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

Лекция

Производство и промышленные технологии

Состав и конструкция сенсора определяются типом измеряемой величины и методом ее восприятия особенностями размещения датчика. Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины...

Русский

2014-11-05

886.5 KB

10 чел.

Лекция 3. ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ

Автоматизация производственных процессов может осуществляться только при наличии современных технических средств, выполняющих функции, связанные с управлением объектом.

К этим средствам автоматики необходимо отнести в первую очередь:

1. средства измерения и преобразования в электрическую величину различных параметров систем технологического оборудования, в том числе температуры, давления, скорости, линейного перемещения, числа оборотов и т.д. или датчики электроавтоматики;

2. исполнительные элементы системы электроавтоматики, позволяющие дистанционно управлять различных системами и узлами технологического оборудования. В зависимости от характера управления и других характеристик они могут различаться по исполнению и принципу действия.

3. системы управления технологическим оборудованием, позволяющие формировать тот или иной алгоритм работы основных и вспомогательных систем станка в автоматическом (полуавтоматическом) режиме.

ДАТЧИКИ ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ

Датчиком называют устройство, преобразующее физическое воздействие в электрический сигнал, предназначенный для передачи в систему автоматики информации о параметрах этого физического воздействия. Датчик обычно состоит из двух взаимосвязанных блоков: чувствительного элемента (сенсора) и нормирующего преобразователя.

Сенсор, обеспечивает преобразование физического параметра в электрический сигнал. Состав и конструкция сенсора определяются типом измеряемой величины и методом ее восприятия, особенностями размещения датчика.

Нормирующий преобразователь усиливает выходной сигнал сенсора до величины, достаточной для передачи его на другие элементы системы, осуществляет фильтрацию, масштабирование, преобразование в заданные единицы измерения, дискретизацию, квантование и кодирование cигнала при преобразовании его в цифровую форму, обеспечивает передачу сигнала по выделенным датчику линиям связи другим элементам системы.

Даже для измерения одного физического параметра датчики очень различны и классифицируются условно по самым различным признакам:

  •  по измеряемому параметру: датчики линейной и угловой скорости, линейного и углового перемещения, момента, положения, тока, напряжения, магнитного поля, температуры, давления, влажности;
  •  принципу действия: оптические, индуктивные, емкостные, пьезоэлектрические, тензометрические, акустические, вибрационные, на основе эффекта Холла, электромеханические, фотоимпульсные, лазерные, контактные, потенциометрические, пирометрические, инфракрасного излучения, биметаллические, терморезистивные, магниторезистивные, фотодиодные и др.
  •  области применения: общепромышленного назначения, металлургические, авиационные, автомобильные, охранной сигнализации, биомедицинские;
  •  различным сервисным функциям: цифровые и аналоговые, с гальванической развязкой, интерфейсные, программируемые, с памятью, беспроводные, интеллектуальные;
  •  технологии изготовления: полупроводниковые, электромеханические, микроэлектромеханические, электрохимические;
  •  конструктивному исполнению: в металлическом корпусе, бескорпусные, пылезащищенные.

Основная особенность современных датчиков - цифровая обработка сигналов как следствие использования в них микроконтроллеров и больших интегргшьных схем с программируемой логикой. Это обеспечивает так называемую коммуникационную открытость датчиков - соответствие их выходных сигналов стандартам на аналоговые сигналы и цифровые интерфейсы. Важным преимуществом цифровой формы представления информации является также уменьшение помех в процессе передачи сигналов между элементами систем.

Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины, т. е. у = f (х), где х - входная величина; у - выходная величина.

Чувствительность датчика - отношение приращения выходной величины к приращению входной величины, т. е. К = Ay/Ах. Следовательно, чувствительность датчика есть не что иное, как коэффициент передачи датчика.

Порог чувствительности датчика - наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе. Этот параметр связан с зоной нечувствительности, т. е. зоной, в пределах которой при наличии входного сигнала на выходе датчика сигнал отсутствует.

Инерционность датчика - время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной  величине.

По характеру получения сигнала от измеряемой величины датчики разделяют на параметрические, в которых изменение измеряемой величины вызывает изменение какого-либо параметра (например, изменение сопротивления, давления, индуктивности и т. д.), и генераторные, у которых изменение измеряемой величины вызывает генерацию сигнала (появление термо-ЭДС, фототока, и т. д.). Генераторные датчики не требуют постороннего источника энергии.

По характеру зависимости выходного сигнала от входного различают датчики: пропорциональные, у которых, сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине; нелинейные, у которых сигнал на выходе нелинейно зависит от сигнала на входе; релейные, в которых сигнал на выходе изменяется скачкообразно; циклические, у которых сигнал на выходе пропорционален измеряемой величине или нелинейно зависит и повторяется циклически; импульсные, у которых изменение входной величины вызывает появление сигналов (импульсов), число которых пропорционально измеряемой величине. Схемы включения измерительных и преобразовательных элементов датчика могут быть дифференциальные, компенсационные, мостовые и т. д.

Так как датчики следует рассматривать как составные элементы систем управления, удобнее их классифицировать по назначению (измеряемому параметру).

3. Датчики пути и положения.

Датчики положения используются для контроля положения и перемещения механизмов, в задачах определения уровня, измерения расстояния, в следящих электроприводах и в разном технологическом оборудовании. Первичные преобразователи датчиков положения используют самые разнообразные физические принципы.

Электроконтактные датчики.

конечные, путевые выключатели, микропереключатели (рис. 2). У датчиков имеются штоки или рычаги 2, которые воздействуют через механизм передачи на контакты 1. Принцип действия датчиков основан на том, что их устанавливают на  неподвижных частях рабочих органов в определенном положении, а движущиеся рабочие органы, достигнув заданного положения, воздействуют на датчики, вызывая их срабатывание.

Рис. 1. Схемы электроконтактных датчиков:

а, б — путевого выключателя.

Гидравлические датчики представляют собой обычный управляющий гидрораспределитель поршневого или кранового типа (рис. 2, а). Принцип их действия основан на том, что движущиеся рабочие органы, на

В атмосферу

Рис. 2. Схемы датчиков пути и положения: а - гидравлического; б - пневматического.

которых размещены кулачки или упоры 1, достигнув положения, где установлен датчик, воздействуют на него, вызывая сбрасывание. Управляющий гидрораспределитель обеспечивает сигнал исполнительному органу (гидродвигателю).

Пневматические датчики аналогично гидравлическим выполнены в виде пневмораспределителей кранового типа (рис. 11, б), дросселей или клапанов. Широкое распространение получили размерные пневматические дифференциальные датчики мембранного типа с электроконтактным выходом.

Измерительные датчики.

Рис. 3. Схема размерного электроконтактных датчиков.

Электроконтактные размерные датчики (предельные или амплитудные), которые, как и путевые, могут являться датчиками перемещений.

Двухпредельный датчик рычажного типа (рис. 3) состоит из корпуса 2, в котором расположен измерительный шток 1 в цилиндрических втулках. На штоке установлен наконечник 13 для контактирования с измеряемой деталью. Сверху в корпусе имеется отверстие, в которое устанавливают отсчетную головку 9.

Положение стрелки отсчетной головки регулируют регулировочной гайкой 12 с микропередачей. На штоке установлен хомутик 10 с пружиной 11, создающей силу измерения. На колодке 5 с помощью крестообразной пружины 4 укреплен рычаг 6 с подвижными контактами 8. Настроечные контакты, запрессованные в концы микрометрических винтов 3, регулируют с помощью барабанов 7 с нанесенными на них делениями. Предел измерения датчиков составляет 1 мм, предельная погрешность ± 1 мкм.

Датчик касания измерительной головки БВ-4272.

Датчик касания (рис.4 ) оформлен в герметичном корпусе 1. На фланце 17 механизма через 120° закреплены три пары шаров 12, образующих базовые призмы. В этих призмах базируется грибковый рычаг 15, на одном конце которого закреплены под углом 120° друг к другу три изолированных друг от друга цилиндрических штифта 11, а на другом - наконечник измерительного щупа 16. Пружина 3 обеспечивает силовое замыкание. Все штыри изолированы от корпуса и соединены последовательно друг с другом при нейтральном положении грибка через штифты 11.

При приложении любой силы в плоскости, перпендикулярной к оси наконечника измерительного щупа или вдоль его оси в направлении отрыва штифтов, последовательная электрическая цепь разрывается в одной из шести точек контакта, что служит первичным электрическим сигналом.

При отрыве наконечника измерительного щупа от измеряемой поверхности происходит замыкание электрической цепи. В момент перехода от одного состояния к другому электронная схема формирует импульсные сигналы, которые затем передаются на электронный блок управления и далее в систему ЧПУ.

. С центром грибка связана гибкая нить 6, другой конец которой закреплен на плоской пружине 7. На свободном конце пружины 7 закреплен электрический контакт 4. Перемещение центра грибка выше допускаемого диапазона перемещения вызывает замыкание подвижного контакта плоской пружины с контактом 5 и появление второго электрического сигнала, соответствующего аварийной ситуации.

На фланце корпуса имеется четыре зажимных 9 и четыре установочных 2 винта, которые обеспечивают возможность регулирования положения наконечника головки. Для герметизации датчика касания используют чехол 14 и уплотнительные кольца 8 и 10. Экран 13 защищает чехол от повреждения стружкой.

Рис. 4. Датчик касания измерительной головки БВ-4272.

Рис. 5. Измерительная головка фирмы Renishaw.

На рис.4 показан датчик касания типа MP фирмы Renishaw, предназначенного дл измерения внутренних и наружных размеров детали или настройки инструмента на токарных и многооперационных станках с ЧПУ.

Устройство имеет измерительный наконечник 1, герметичный корпус 2, регулируемый держатель 6,посредством которого ИГ крепится в револьверный суппорт  токарного станка с ЧПУ. В системе имеется оптический модуль связи, позволяющий в беспроводном режиме осуществлять связь датчика и системы ЧПУ. Модуль связи состоит из корпуса 3 и оптического интерфейса 5.

Система оптической передачи сигналов датчика касания позволяет передавать измерительные сигналы через воздушный зазор и линзу 4 независимо от положения шпинделя многооперационного станка.. Датчик касания обеспечивают точность до 0,1 мкм при диапазоне измерения 0 - 100 мкм.

Потенциометрические датчики положения.

Потенциометрический датчик (рис. 6) состоит из потенциометров П1 и П2, которые подключены параллельно к общему источнику питания Un. Подвижные контакты потенциометров K1 и K2 соответственно соединены механически с задающим (ЗРО) и исполнительным (ИРО) рабочими органами. Напряжение, снимаемое с подвижных контактов потенциометров, является напряжением сигнала Uc. При согласованном положении рабочих органов (подвижные контакты находятся в одинаковом положении), когда α = β, напряжение сигнала равно нулю. При рассогласованном положении, когда а β , сигнал на выходе датчика не равен нулю, т. е. Uc  0. Причем сигнал будет пропорционален углу рассогласования, т. е. Uc = а - β, а знак сигнала определяет направление рассогласования (Uc>0 или Uc < 0, т. е. сигнал соответственно положительный или отрицательный).

Рис. 6. Схема потенциометрического датчика

Оптоэлектронные датчики положения

Современные датчики положения для автоматизированного электропривода относятся к классу оптоэлектронных устройств. Они сочетают в едином корпусе прецизионную оптическую систему, фотоэлементы и цифровые интегральные схемы. По общепринятой терминологии такие датчики называются шифраторами приращений, или инкрементальными энкодерами.

В шифраторе приращений движение механизма с помощью гибкой муфты передается на вал датчика. В корпусе датчика на валу крепится прозрачный стеклянный или пластиковый кодирующий диск, на котором в зависимости от типа датчика нанесены одна, две или три дорожки непрозрачных меток (рис. 7).

Рис. 7. Шифратор приращений:

1 – дорожка А; 2 - дорожка В; 3 – индексная дорожка; 4 – кодирующий диск; 5 – источник света; 6 – фотоприемники; 7 – ось вращения.

Число меток на первых двух дорожках А и В всегда одинаково, метки на дорожках размещены по окружности равномерно, но со сдвигом на четверть периода по окружности. На третьей (индексной) дорожке всегда только одна метка, фиксирующая точку отсчета. Считывание меток и получение соответствующих логических сигналов в датчике осуществляется оптоэлектронным способом, при котором дорожки просвечиваются, а сигналы с фотоприемников усиливаются и формируются до стандартных логических уровней. При вращении диска световые потоки от источников периодически перекрываются непрозрачными метками, что приводит к появлению импульсных сигналов на выходах датчика.

Число меток, расположенных на дорожках А и В, определяет разрешающую способность датчика. Современные технологии нанесения меток и изготовления полупроводниковых фотоприемников позволяют распознавать метки размером в несколько микрон. При диаметре диска в несколько сантиметров достигается результирующая способность до 10 000 меток/оборот.

Одноканальные шифраторы. Одноканальные (тахометрические) шифраторы приращений при вращении в любом направлении формируют на выходе датчика периодическую импульсную последовательность (сигналы А и В на рис. 6).

Частота следования импульсов, Гц, на выходе такого шифратора определяется скоростью вращения диска и разрешающей способностью датчика по формуле:

f=nk,

где п — скорость вращения диска, об/с; k разрешающая способность (меток/оборот).

При движении в одном направлении простой подсчет импульсов на выходе датчика позволяет оценить угловое перемещение вала датчика, ф, рад, с момента начала наблюдения:

Рис 8. Выходные сигналы шифратора приращений.

а- при движении по часовой стрелке; б - при движении против часовой стрелки.

ф =2Nπ/k

где N — число подсчитанных счетчиком импульсов.

Если же время счета ограничить некоторым фиксированным интервалом Т, то по показаниям счетчика можно оценить угловую скорость вращения вала:

п = N/(Tk).

Определить направление вращения одноканальные шифраторы приращений не позволяют, а изменение направления вращения датчика в процессе движения обязательно приведет к появлению ошибки при попытках оценки скорости и перемещения по приведенным выше формулам. Кроме того, при использовании одноканального шифратора при остановке механизма может наблюдаться явление позиционного дрожания. При остановке оптического диска на границе метки в результате воздействия вибрационных колебаний метка будет периодически перекрывать световой поток, а на выходе датчика появятся ложные импульсы.

Двухканальные шифраторы. Двухканальные шифраторы при равномерном вращении диска формируют два так называемых квадратурных сигнала А и В — две сдвинутые друг относительно друга на 90° периодические импульсные последовательности (см. рис. 6). Квадратурные сигналы позволяют при их логической обработке определить направление вращения вала и оценить перемещение в двух направлениях.

Угловая скорость вращения, как и в одноканальном шифраторе, может быть определена путем измерения частоты следования импульсов сигнала А или сигнала В. При этом квадратурные сигналы позволяют повысить разрешающую способность датчика в 2 или даже в 4 раза. Для повышения разрешающей способности в 2 раза над сигналами А и В выполняют операцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. 7). Сигнал х2, полученный в результате такой операции, имеет частоту в 2 раза большую, чем каждый из сигналов А и В.

Рис. 9. Повышение разрешающей способности двухканального

шифратора приращений.

Трехканальные шифраторы. Трехканальные шифраторы приращений в дополнение к квадратурным сигналам А и В формируют за один оборот вала один импульс I (Index). Этот импульс обычно принимают за начало отсчета и используют для сброса счетчика при измерении углового перемещения. В результате показания счетчика соответствуют углу поворота вала относительно определенного начального положения.

Датчики линейной скорости. Для измерения линейной скорости движения используются те же шифраторы приращение конструктивно дополненные мерными колесами, осуществляющими преобразование линейного перемещения в угловое. При известном диаметре мерного колеса R линейная скорость v легко вычисляется по yгловой скорости:

V = 2πпR, где п — угловая скорость, об/с.

 Датчики угловой скорости

В электрическом приводе используются оптоэлектронные датчики, известные как абсолютные шифраторы.

Абсолютные шифраторы. Оптоэлектронный абсолютный шифратор осуществляет преобразование углового положения вала в двоичный код и по своему устройству очень похож на шифратор приращений. В отличие от шифратора приращений он имеет значительно больше дорожек на кодирующем диске. Количество дорожек определяется разрядностью преобразования.

Прозрачный кодирующий диск абсолютного шифратора (рис. 4) разделяется на сектора. Каждый сектор, в свою очередь, разделяется на отдельные концентрические дорожки. Сектора кодируются, и код сектора наносится на дорожки в виде последовательности непрозрачных меток. Оптоэлектронная система абсолютного шифратора состоит из источников света и фотоприемников, расположенных напротив каждой дорожки. В любой момент времени она обеспечивает считывание двоичного кода, соответствующего угловому положению вала.

При кодировании дорожек обычно используется код Грея, в котором две соседние кодовые комбинации отличаются только одним битом. Это позволяет избавиться от погрешности, вызванной неоднозначностью считывания кода на границе секторов. Выходные данные шифратора могут быть также представлены в коде Грея, обычном двоичном коде или двоично-десятичном BCD коде. Для преобразования кода Грея в нужный выходной код схема абсолютного шифратора содержит соответствующий преобразователь кода.

Общее число комбинаций на кодирующем диске выбирается равным степени числа 2. При пяти дорожках, показанных на рис.4, число кодовых комбинаций равно 25= 32. В современных однооборотных шифраторах число дорожек — не более 13, что обеспечивает 213 = 8192 отсчета на один оборот диска.

Для повышения точности измерения шифраторы изготавливаются многооборотными. В корпусе датчика устанавливается встроенный редуктор, позволяющий обнаружить до 4 096 оборотов. Поэтому полная разрядность многооборотного абсолютного шифратора уже достигает 25 бит, общее число кодовых комбинаций при этом равно 225 = 3 355 432. Точность измерения угла при этом достигает 360 x 60 x 60/33 554 432 = 0,04 с".

Данные с выхода абсолютного шифратора могут быть считаны в любой момент времени. При отключении и последующем включении датчика информация не теряется. Современные абсолютные шифраторы для сопряжения с другими элементами систем автоматики снабжаются стандартными последовательными интерфейсами, обеспечивающими гальваническую развязку и скорость передачи данных до 12 Мбит/с.

Рис 10. Абсолютный шифратор.

Индуктивные датчики.

Рис. 11. Схемы индуктивных датчиков:

а - с подвижным якорем; б - с подвижным сердечником.

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности катушки с подвижным якорем вследствие изменения магнитной проницаемости. Индуктивные датчики, как и электроконтактные, можно использовать как датчики пути или положения и кк размерные (рис. 4). Если перемещать якорь 1 (рис. 4, а) датчика, воздушный зазор б будет изменяться, что вызовет изменение индуктивности обмотки wд. Сила тока в цепи обмотки датчика

I = U/Z = Uп/ √(R2 + X2L ),

где Z - полное сопротивление цепи; Uп - напряжение питания датчика; R — активное сопротивление цепи; ХL = 2πfL — индуктивное сопротивление обмотки.

Если Un, R, f постоянны, то сила тока I в катушке, а следовательно, и напряжение U будут пропорциональны воздушному зазору б. Датчики работают при частоте питающей сети 50—5000 Гц.

Индуктивный дифференциальный размерный датчик (рис. 4, б) состоит из двух катушек 2, 4, на которых расположены обмотки, подключаемые по дифференциальной схеме или в плечи измерительного моста. В катушках расположен сердечник 3, соединенный с измерительным штоком 1, который контактирует с измеряемой поверхностью. При среднем положении сердечника, т. е. при 61 = б2, параметры катушек одинаковы, тогда I1 = I2. Так как обмотки соединены по дифференциальной схеме, сигнал на выходе датчика равен нулю, т. е. U = U1 -U2  = 0. При изменении положения сердечника, когда б1 ≠ 62, происходит изменение индуктивности обмотки, тогда I1I2. При этом сигнал будет пропорционален перемещению сердечника, а его знак будет определять направление перемещения.

В индуктивных дифференциальных датчиках трансформаторного типа при изменении положения сердечника (плунжера) меняется взаимоиндукция между первичной и вторичной обмотками, что вызывает во вторичных обмотках изменение индуцируемой ЭДС.

Рис. 12. Схема индуктивного импульсного размерного датчика.

Индуктивный импульсный размерный датчик (рис. 7) состоит из стальной зубчатой линейки 1 с шагом зубцов tt и двух съемников А и В, каждый из которых включает в себя два П-образных сердечника 2 с зубцами на торцах (шаг t2). Зубцы одного сердечника каждого съемника смещены по отношению к зубцам другого сердечника на половину шага tt. В каждом съемнике имеется общая первичная обмотка 3 и две разделенные вторичные обмотки 4, которые включены так, что постоянные составляющие токов вычитаются друг из друга.

Для того чтобы получить электрический сигнал, меньший, чем шаг t1 и кратный ему, зубцы на съемниках нанесены с шагом /2, который меньше шага tt и кратен ему. Для определения направления движения

Рис. 13. Схема фазоимпульсного индуктивного размерного датчика.

зубцы съемника В смещены по отношению к зубцам съемника А на четверть исходного шага tx. Благодаря такому смещению удается получить цену импульса, равную четверти шага tx. Датчик питается током частотой 20—25 кГц, что обеспечивает нормальную работу на любых скоростях. Датчики изготовляют с ценой импульса 0,05 и 0,02 мм.

Фазоимпульсный индуктивный размерный датчик ДЛМ (рис. 8) состоит из основного 1, опорного 3 и тактирующего 4 датчиков. Основной сигнал Еос датчика вырабатывается за счет периодической модуляции магнитного потока Ф, создаваемого намагничивающими катушками 2 в магнитной системе, образованной винтами 5 с шагом 5 и зубчатой рейкой 7. Периодическая модуляция потока Ф происходит благодаря периодическому изменению конфигурации зазора между боковой поверхностью винтов и зубчатой рейкой при непрерывном вращении винта, который приводится в движение синхронным двигателем 6. При этом на вторичных обмотках датчика наводится ЭДС Еос. При смещении зубчатой рейки, которая

 

Рис, 14. Временные диаграммы сигналов фазоимпульсного датчика.

закреплена на движущемся рабочем органе, на расстояние AL основной сигнал смещается во времени, что будет соответствовать сигналу Е'ос (рис. 7). Для определения начальной фазы основного сигнала служит круговой магнитный зубчатый преобразователь 3 (см. рис. 6), который вырабатывает сигнал Ео, не зависящий от положения зубчатой рейки.

Для измерения фазового сдвига основного сигнала Еос относительно опорного Ео определенным числом импульсов служит круговой магнитный зубчатый преобразователь 4 (тактирующий датчик). Ротор его укреплен на общей оси; сигнал этого преобразователя (тактирующий) £т имеет период, в 50 раз меньший периода основного и опорного сигналов, и жестко привязан по времени к опорному сигналу. Поэтому фазовый сдвиг между основным и опорным сигналом Аф = = (360°/100) п, где 100 — число периодов тактового датчика при одном периоде опорного сигнала; п — число полупериодов тактового сигнала.

Учитывая, что полный период изменения фазы соответствует перемещению на один шаг зубчатой меры, равному 1 мм, перемещение AL может быть определено числом полупериодов тактового сигнала, т. е. AL == (1 мм/100) п, где п = 1, 2, 3, ..., 100. Минимальное значение перемещения, которое может быть зарегистрирована (дискрета), соответствует п = 1, поэтому i-ч=„, X jhm/100 = 0,01 мм.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы. На статоре и роторе вращающегося трансформатора размещены по две распределенные обмотки, магнитные оси которых взаимно перпендикулярны (рис. 15 а). Ротор вращающегося трансформатора может поворачиваться на некоторый угол, произвольный по отношению к статору.

Принцип действия вращающегося трансформатора основан на изменении коэффициентов взаимоиндукции между обмотками статора и ротора при повороте ротора. В качестве датчиков угла используют синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ), у которых зависимость коэффициентов взаимоиндукции от угла поворота ротора носит характер синусоиды и косинусоиды, и линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ), у которых указанная зависимость линейная.

Рис. 15. Схемы вращающихся трансформаторов:

а — электрическая принципиальная вращающегося трансформатора; б - электрическая принципиальная включения СКВТ в режиме фазовращателя.

В зависимости от схемы включения выходным сигналом вращающегося трансформатора может быть амплитуда переменного напряжения или угол сдвига фаз между напряжениями. Соответственно этому режим работы вращающегося трансформатора называется амплитудным, или режимом фазовращателя.

В амплитудном режиме вращающегося трансформатора на одну из роторных (или статорных) обмоток подается постоянное по амплитуде напряжение — напряжение возбуждения. При этом возникает пульсирующий магнитный поток, ось которого совпадает с осью обмотки, находящейся под напряжением возбуждения. Этот поток индуцирует во вторичных обмотках статора (или ротора) ЭДС, пропорциональную синусу или косинусу угла поворота (для СКВТ): Et = Ег max sin а; Е2 = Е2 шах cos а, где Еи Е2 — действующие значения ЭДС, индуцируемой во вторичных обмотках; Ег тах, Е2тах — максимальное значение ЭДС во вторичных обмотках (при совпадении оси обмотки возбуждения с осью вторичной обмотки).

Линейные вращающиеся трансформаторы представляют собой синусные вращающиеся трансформаторы, обмотки которых включают по специальной схеме.

В режиме фазовращателя (рис. 8, б) используют СКВТ. Статорные обмотки включаются в систему двух питающих напряжений со сдвигом фаз 90°: иг = — Umax sin at и U2 = t/max cos (at. Благодаря этому возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое перемещается в пространстве с угловой частотой со. При этом в роторных обмотках СКВТ индуцируется ЭДС, имеющая такую же частоту, но сдвинутая по фазе относительно питающего напряжения на угол, который зависит от угла <р поворота ротора СКВТ:

U[ = UmM Sin ((Ot + ф) И U2 = t/щах COS (io/ + ф).

Таким образом, в режиме фазовращателя СКВТ является датчиком, преобразующим угол поворота в фазовый угол синусоидального напряжения.

Для повышения точности преобразования применяют вращающиеся трансформаторы с электрической редукцией. Принцип электрической редукции заключается в том, что за малый угол поворота ротора амплитуда или фаза выходного напряжения изменяется на один период, а при повороте ротора на 360° число периодов равно коэффициенту электрической редукции.

Рис. 16. Линейный индуктивный датчик:

а•- внешний  вид; б - схема соединения обмоток.

Линейный индукивный датчик (рис. 9) состоит из набора измерительных шкал 1 и ползуна 2, монтируемых на рабочих органах.

Измерительная шкала индуктосина укреплена на неподвижной ча1сти; и представляет собой стальную линейку, на которой на соответствующую изолирующую подложку печатным способом нанесена зигзагообразная обмотка с шагом 2 мм. Ползун 2, укрепленный на подвижной части, является якорем и состоит из двух таких же, но более коротких обмоток, сдвинутых на 1/4 шага относительно друг друга. На выходе обмоток якоря индуцируется циклический сигнал. Число циклов определяется числом пройденных шагов.

Силовые датчики

Токовое реле (рис. 15, б) состоит из токовой катушки 1, рычага 2 и контактов Kl, K2. Токовая катушка включена в цепь электродвигателя, приводящего в движение рабочий орган, сила которого контролируется. При увеличении силы в рабочем органе увеличивается сила тока двигателя, который приводит в движение рабочий орган, это, в свою очередь, вызывает увеличение силы тока в токовой катушке реле, и электромагнитная сила F3M токовой катушки становится больше, чем сила пружины 3 Fnp (силу пружины устанавливают с помощью регулировочного винта). Произойдет опрокидывание рычага, который, воздействуя на контакты, вызовет их срабатывание.

Рис. 17. Схемы силовых датчиков:

а-электромеханического; б - токового реле; в, г – тензометрического.

Тензометрические датчики сопротивления предназначены для определения упругих деформаций (растяжения, сжатия, изгибающих и крутящих моментов) деталей машин и конструкций в линейном и плосконапряженном состоянии при воздействии на них статических и динамических нагрузок.

Основой конструкции датчиков (рис. 15, в) служит константановая проволока диаметром 0,01-0,05 мм, сложенная зигзагообразной решеткой между склеенными полосками бумаги или пленки.

Для измерения деформаций датчик приклеивается к поверхности измеряемой детали.

При воздействии на испытуемую деталь или конструкцию каких-либо деформаций, например растяжения, будет растягиваться проволока датчика. При этом за счет увеличения длины 1 проволоки тензодатчика и уменьшения ее сечения S сопротивление проволоки R = р/5 увеличивается. Это сопротивление является выходной величиной датчика. Такая деформация показана на рисунке сплошной стрелкой. Если деформацию направить так, как показано на рисунке пунктирной стрелкой, проволока тензодатчика в местах ее изгиба еще более изогнется. Длина и толщина проволоки при этом практически не меняются, не меняется и сопротивление датчика. Отсюда видно, что деформацию такого направления датчик не измеряет. Кроме проволочных существуют еще тензодатчики, у которых проводящий элемент делается из фольги толщиной 4-12 мм. По сравнению с проволочными у этих датчиков сила рабочего тока значительно выше, следовательно, повышена чувствительность датчика.

Пьезоэлектрические датчики для измерения сил представляют собой кварцевую пластину 1 (рис. 15, г). С двух сторон ее напылены или приклеены токопроводящим клеем электроды 2, с которых снимается выходное напряжение.

Два электрода и кварцевый диэлектрик образуют конденсатор, на электродах которого присутствуют электрические заряды, возникающие вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта при сжатии кварцевой пластины силой Р. Электрический заряд пропорционален сжимающей силе Р: Q = аР, где а - коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем. Под действием изменяющейся силы Р на электродах датчика появляется выходное напряжение £/вых = Q/(Cn + Си) = сс/(Сд + + Сщ) Р, где Сд — емкость датчика; См - монтажная емкость. Выходное напряжение датчиков изменяется от единиц милливольт до единиц вольт.

6. Датчики скорости

Тахогенераторы служат для измерения частоты вращения. Различают тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Тахогенератор постоянного тока представляет собой малогабаритную машину постоянного тока. Напряжение на зажимах якоря пропорционально частоте вращения якоря: Uя =kтг w.

Тахогенератор переменного тока представляет собой асинхронный генератор. Напряжение в выходной обмотке пропорционально частоте вращения якоря: Е =kтг  Uв w.

Датчики давления

Реле давления (рис. 16). Изменение нагрузки в рабочих органах вызывает изменение давления в гидросистеме, а следовательно, изменение давления в плоскости А датчика, которая подсоединена к гидросистеме.

Рис. 16. Конструкция реле давления

Происходит прогибание мембраны 1; при этом рычаг 2, сжимая пружину 3, поворачивается и воздействует на микропереключатель 5, вызывая его срабатывание. Сила срабатывания реле регулируется с помощью регулировочного винта 4.

Интегральный датчик давления.

Рис19. Внешний вид кремниевого датчика давления.

Такой датчик состоит из двух основных частей: герметичного корпуса, снабженного штуцерами, позволяющими подсоединять гибкие трубки и полупроводникового кристалла. На одной и той же кремниевой пластине выполнены и классические электронные компоненты, и струнные датчики натяжения (рис. 19).

Кремниевая пластина играет роль мембраны, деформирующейся под воздействием давления. Возникающие деформации воспринимают струнные датчики натяжения и передают на мост из терморезисторов и резисторов с лазерной подгонкой, способный работать с АЦП. Достаточно подать постоянное напряжение на одну диагональ моста, состоящего из струнных датчиков натяжения, и снимать с другой диагонали этого моста напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Так, датчики компании Motorola из серии МРХ 2000 (2200) обычно формируют нулевое напряжение в диагонали при нулевом давлении и 40 мВ (реально - в пределах от 37,42 до 42,58 мВар) при давлении, соответствующем их полной шкале.

Для устройств, рассматриваемых в этом примере, с целью охвата наиболее широкой сферы применения выбран датчик МРХ 2200, работающий в диапазоне изменения давления до 2 бар (до 200 кПа). Датчик выпускается в двух вариантах: МРХ 2200 АР, называемый абсолютным, и МРХ 2200 DP, называемый дифференциальным.

Деформируемая мембрана датчика может реагировать только на разницу давления между двумя своими поверхностями, притом по-разному в разных направлениях. Вследствие особенностей конструкции у нее есть сторона «высокого давления» и сторона «низкого давления». Поэтому корпус датчика состоит из двух полостей, между которыми и расположена мембрана.

Если каждая из полостей снабжена штуцером для присоединения трубок, датчик определяет разницу между двумя приложенными давлениями, то есть является дифференциаль ным. Одно из этих давлений может быть атмосферным - для этого одна из полостей остается открытой (к штуцеру ничего не присоединяется).

В датчиках, называемых абсолютными (или, более правильно, абсолютного давления), одна из полостей полностью герметизирована.

Рис.20. Монтажная схема датчика давления

Лазерные интерферометры различных типов являются одним из перспективных средств измерения. В настоящее время их используют не только для контроля точностных параметров станка, но и в качестве измерительных преобразователей, непосредственно встраиваемых в металлорежущее оборудование. Это экономически оправдано при создании станков высокого класса точности, станков для алмазного точения и т. п.

Рис. 21. Упрощенная схема лазерного интерферометра.

Упрощенная принципиальная схема лазерного интерферометра приведена на рис. . Он состоит из лазера 1, светоделительного кубика 2 и двух отражателей 3 и 4. Отражатель 4 связан с объектом и перемещается на искомое расстояние L. Пучки света после прохождения интерферометра и отражения от зеркал отражателей 3 и 4 рекомбинируют в светоделительном кубике 2. Интерференцию наблюдают по направлениям, указанным на рисунке двойными стрелками. Искомое расстояние L определяется числом длин полуволн источника излучения на искомом отрезке. Длина волны лазера составляет 0,63 мкм, поэтому достигается высокая точность измерений.

Наибольшее распространение получили приборы ИПЛ (Россия) и НР-5528А фирмы Hewlett Packard (США). Интерферометры производят также фирмы Cogerent Inc (США), Opton Feintechnik GmbH (Германия), Renishaw Transducer Systems Ltd (Великобритания) и др. В металлорежущих станках интерферометр используют, как правило, в качестве датчика точности позиционирования, причем за рубежом находит применение многокоординатный лазерный интерференционный преобразователь 5501А фирмы Hewlett Packard.

Так, например, при оснащении расточных станков фирмы Мограn Construction (США) лазерным комплектом 5501А точность позиционирования повышается в 10 раз (до 0,25 мкм). В качестве другого примера можно привести токарный станок ТПАРМ-100М (Россия), применение в конструкции которого аэростатических направляющих и лазерного интерферометра координат позволило достичь точности позиционирования ±0,5 мкм.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

47885. Методологія наукового пізнання та журналістика 149.5 KB
  Специфіка об’єкта пізнання в журналістиці. Схеми пізнання об’єкта. Специфіка об’єкта пізнання в журналістиці. Схеми пізнання об’єкта.
47886. Барокко. Архітектура. Скульптура. Живопис 519 KB
  Мета завдання лекції Метою викладання теоретичного курсу є знайомство з основними теоретичними поняттями мистецтвознавства особливостями історичних етапів світової образотворчості декоративноужиткового мистецтва та архітектури пам’ятками світової культури допоможе студентам оволодіти належним рівнем методичної готовності до професійної діяльності виховати високий рівень художньоестетичного смаку креативний підхід у поєднанні традицій та новацій у професійній діяльності. засвоєння історії образотворчого декоративноужиткового...
47887. Міждисциплінарні методи в журналістиці 502 KB
  Міждисциплінарні методи в журналістиці Міждисциплінарні методи в журналістиці Логіка викладу Вступ. Методи історії: метод повної історичної реконструкції метод часткової історичної реконструкції порівняльноісторичний метод метод архівного дослідження. Біографічний та автобіографічний метод як важливе джерело відомостей про особу у роботі журналіста.
47888. МАНУФАКТУРНИЙ ПЕРІОД СВІТОВОЇ ЕКОНОМІКИ 292.08 KB
  Це стадія промисловості що історично передувала великому машинному виробництву. Одночасно в промисловості зберігалося ремесло і дрібне товарне виробництво. Більшість галузей промисловості у своєму розвитку поступалися континентальним країнам Європи а англійський флот значно відставав від голландського. Все це позитивно вплинуло на розвиток англійської промисловості.
47889. Повторювані незалежні експерименти за схемою Бернулі 84 KB
  Якщо імовірність появи події А у кожному випробуванні не залежить від результатів інших випробувань є сталою то такі випробування називаються незалежними або експериментальними за схемою Бернулі. У кожному експерименті р імовірність події А q – імовірність не появи події А. Формула Бернулі : імовірність того що у результаті nнезалежних експериментів за схемою Бернулі подія А з’явиться mразів знаходиться за формулою : 1...
47890. СВІТОВЕ ГОСПОДАРСТВО У МІЖВОЄННИЙ ПЕРІОД 308.11 KB
  Воювали США на боці країн Антанти. У зв'язку зі зростаючим попитом на всі види стратегічної сировини зброю боєприпаси продукти харчування США перетворилися у економічно найрозвиненішу державу світу. Із країниборжника США перетворилися на найбільшого кредитора. У США продовжувало розвиватися ринкове господарство на відміну від інших індустріальних країн в яких економіка перетворювалася у ринковорегульовану.
47891. Культура України епохи бароко. Феномен українського бароко 331 KB
  Феномен українського бароко Культура бароко в Україні охоплює другу половину ХУІІХУШ ст. Порівняно із Західною Європою стиль бароко в Україні поширився із значним запізненням. Дух бароко в Україні утверджували великі національні зрушення козацькі звитяги бурхливі державотворчі процеси. ароко в Україні є універсальний стилем органічною системою що включає усі сфери духовного життя літературу історіографію архітектуру образотворче і прикладне мистецтво музику театр тощо.
47892. Застосування визначеного інтеграла до задач геометрії 15.13 MB
  Обчислимо значення функції. Тоді а nа інтегральна сума для функції. Поняття функції декількох змінних Поряд з поняттям функції однієї незалежної змінної можна розглянути функцію двох і більше незалежних змінних. Аналогічно можна дати визначення функції трьох і більше змінних.