лаб_Датчики_мех_величин

зволяет измерить погрешности исследуемых датчиков относительно образцового измерителя.

На рис. 4 представлен квадратурный энкодер PF1, он располагается в субблоке «Блок индикации». Гнёзда энкодера A, B и GND служат для подачи сигналов от датчиков линейных перемещений.

Переключатель «Опт./Магн.» служит для выбора типа подключаемого датчика линейных перемещений – оптический или магнитный. Переключатель «Имп./мм» служит для выбора типа подсчёта – в положении «Имп.» энкодером считаются импульсы,пришедшие с датчика, в положении «мм» импульсы пересчитываются в миллиметры с соответствующим коэффициентом. Внимательно проверьте перед началом работы правильность положения обоих переключателей.

Рис. 4. Квадратурный энкодер PF1

Ниже расположена кнопка «Уст.0» с функцией, аналогичной кнопке «ZERO» образцового измерителя расстояния – обнуление текущей координаты инкрементального датчика на энкодере, её всегда следует нажимать перед началом серии измерений.

Индикатор квадратурного энкодера выводит на 4х-значный индикатор величины измеренных расстояний при перемещении датчика по линейке.

3. Проверка работоспособности лабораторной установки

Для проверки работоспособности необходимо:

−подключить стенд с помощью сетевого кабеля к сети 220 В, 50 Гц;

−включить стенд выключателем SА1, при этом должен загореться встроенный в него индикатор «Питание»;

−включить питание функционального блока «Линейный оптический энкодер» выключателем SA2, при этом должен загореться встроенный в него индикатор;

−подключить квадратурный энкодер PF1 тремя проводниками к клеммам оптического энкодера А, B и ┴ соответственно. Перевести энкодер в режим из-

мерения «Оптический», «мм». Переместить образцовый измеритель левой кромкой в нулевое положение линейки. Включить его кнопкой «ON/OFF». Перемещая образцовый измеритель вправо и влево с умеренной скоростью не более 50мм в секунду наблюдать изменение показаний энкодера PF1 и образцового измерителя. Показания должны быть примерно одинаковыми;

21

− подключить квадратурный энкодер PF1 тремя проводниками к клеммам магнитного энкодера А, B и ┴ соответственно. Перевести энкодер в режим из-

мерения «Магнитный», «мм». Сбросить показания PF1 кнопкой «Уст.0». Переместить образцовый измеритель до совмещения левой кромки и нулевого отсчёта линейки. Обнулить его показания кнопкой «ZERO». Перемещая образцовый измеритель вправо и влево с умеренной скоростью не более 100мм в секунду наблюдать изменение показаний энкодера PF1 и образцового измерителя. Показания должны быть примерно одинаковыми;

−выключить стенд выключателем SА1;

−пропуск некоторого, относительно небольшого (до 1%), количества шагов не является дефектом и объясняется системной погрешностью измерительных датчиков. Также постепенное накопление погрешности при многократных перемещениях датчиков влево/вправо по измерительной шкале является нормальным, для обнуления показаний перед серией опытов используйте кнопки

«ZERO» и «Уст.0».

4.Исследование экспериментальных характеристик датчиков линейных перемещений

4.1. Наблюдение выходного сигнала оптического датчика и магнитного датчика линейных перемещений инкрементального типа (выполняется только при наличии осциллографа)

Для выполнения работы необходимо наличие отдельного осциллографа (в комплект стенда не входит).

Для снятия графиков выходного сигнала, подключить к клеммам A и B оптического датчика положения два канала осциллографа. Соединить общий провод осциллографа с клеммой Общий оптического датчика. Настроить осциллограф для измерения двух сигналов сдвинутых по фазе с амплитудой 5 В и частотой до 200 Гц. Удобно выбрать развёртку 50…250 мс на деление.

Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Включить стенд выключателем SА1, при этом должен загореться встроенный в него индикатор «Питание». Подать питание на датчик кнопкой SA2.

Плавно, используя колёсико точного перемещения, перемещать головку образцового измерителя вправо вместе c оптическим датчиком. Наблюдать на экране осциллографа сдвинутые на угол 90o сигналы каналов А и B. Сделать зарисовку графика в отчёте, пометив каналы А и B.

Плавно, используя колёсико точного перемещения, перемещать головку образцового измерителя влево вместе c оптическим датчиком. Наблюдать на экране осциллографа сдвинутые на угол 90o сигналы каналов А и B. Сделать зарисовку графика в отчёте, пометив каналы А и B.

Сравнить картинки при перемещении вправо и влево. Они должны отличаться последовательностью импульсов (например при движении вправо – пер-

22

вым идёт нарастающий фронт с канала А, а при движении влево – первым идёт нарастающий фронт с канала B).

Сделать вывод о том, как обрабатывать сигналы с выходов датчика, чтобы вычислять не только положение и скорость, но и направление движения головки датчика.

Повторить опыт, подключив осциллограф к клеммам A и B магнитного датчика линейных перемещений. Удобно выбрать развёртку осциллографа 250…1000 мс на деление. Сделать вывод о похожести сигналов оптического и магнитного датчиков.

4.2. Снятие экспериментальной характеристики зависимости показаний квадратурного энкодера PF1 в миллиметрах от фактического положения оптического датчика

Для снятия экспериментальной характеристики подключить оптический датчик положения тремя проводниками к клеммам А, B и ┴ квадратурного эн-

кодера PF1. Перевести энкодер в режим измерения «Оптический», единицы измерения «мм». Переместить образцовый измеритель до совмещения левой кромки и нулевого отсчёта линейки. Обнулить его показания кнопкой «ZERO». Сбросить показания PF1 кнопкой «Уст.0». На образцовом измерителе и индикаторе энкодера должны быть нулевые отсчёты. Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Записать результаты первого измерения – показания образцового измерителя и энкодера равные 0 мм.

Перемещать вправо образцовый измеритель, используя колёсико точного перемещения отрезками по 10 мм и записывая показания образцового измерителя и энкодера. Выполнив 9 измерений достичь точки 100 мм. Последующие измерения выполнять при перемещении датчиков в обратную сторону влево – к началу отсчёта шагами по 10 мм. По достижении нулевого отсчёта закончить опыт.

ВНИМАНИЕ! Во время снятия характеристики не обнуляйте значения расстояния образцового и исследуемого датчиков кнопками «ZERO» и «Уст.0»

Данные занести в табл. 1.

Таблица 1

Построить зависимость LДАТ = f(LОБР). Эта зависимость должна быть близка к идеальной прямой.

Построить зависимость δL = f(LДАТ). Сделать вывод о целесообразности измерений малых расстояний датчиком с заданной точностью.

23

4.3. Определение коэффициента пересчёта количества импульсов в миллиметры для оптического датчика

Подключить оптический датчик как указано в 4.1, режим квадратурного энкодера выбрать «Опт.», «Имп.» и обнулить показания.

Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Перемещать вправо образцовый измеритель на отметку 70 мм, не превышая скорости перемещения 50 мм/сек, используя колёсико точного перемещения подвести образцовый измеритель к показанию 50 мм. Записать показания счётчика импульсов квадратурного энкодера PF1.

Рассчитать коэффициент пересчёта импульсов энкодера в миллиметры для оптического датчика по формуле:

,

где L – расстояние, пройденное линейным датчиком, м; NИМП – количество импульсов, накопленное на расстоянии L.

Сравнить с коэффициентом, который используется в квадратурном энкодере стенда для оптического датчика. Коэффициенты должны быть близкими по значению.

Переместить образцовый измеритель в другую точку, например, на отметку 30 мм и записать количество импульсов соответствующее расстоянию 30 мм. Пересчитать количество импульсов в расстояние по формуле:

,

где LРАСЧ – расстояние, рассчитанное по количеству импульсов, накопленных с линейного датчика на расстоянии 30 мм.

Переключить энкодер в режим «миллиметры» и сравнить полученные цифры. Полученные значения расстояния должны быть близкими.

Сделать выводы об алгоритме перевода величины количества импульсов NИМП в абсолютные расстояния L, выраженные в миллиметрах внутри квадратурного энкодера.

4.4. Определение систематической погрешности оптического инкрементального датчика при многократной смене направления движения датчика вправо/влево

Подключить оптический датчик как указано в 4.1, режим квадратурного энкодера выбрать «Опт.», «Имп.» и обнулить показания.

Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Перемещать вправо образцовый измеритель на отметку 200 мм, не превышая скорости перемещения 50 мм/сек, используя колёсико точного перемещения подвести образцовый измеритель к показанию 200 мм. Записать показания счётчика импульсов квадратурного энкодера PF1 в таблицу.

Перемещать влево образцовый измеритель на отметку 0 мм, не превышая скорости перемещения 50 мм/сек, используя колёсико точного перемещения подвести образцовый измеритель к показанию 0 мм. Записать показания счётчика импульсов квадратурного энкодера PF1 в табл. 2.

24

Таблица 2

Повторить не менее 10 циклов перемещения вправо/влево, последовательно заполняя таблицу.

ВНИМАНИЕ! Во время снятия характеристики не обнуляйте значения расстояния образцового и исследуемого датчиков кнопками «ZERO» и «Уст.0»

Построить графики зависимости Θ0 и Θ200 от номера опыта.

Сделать вывод о наличии и величине систематической погрешности оптического датчика, а также заключение о том, не является ли она на самом деле случайной, если тенденции к дрейфу показаний в какую-либо сторону не обнаруживается.

Сравнить погрешности изученного оптического датчика стенда и оптических датчиков соседних стендов, если таковые имеются.

Сделать вывод о повторяемости технологии измерения расстояний с помощью оптических инкрементальных датчиков. Хорошая повторяемость – систематические погрешности пренебрежимо малы на стенде и соседних стендах. Плохая повторяемость – систематические погрешности велики и не коррелируют на разных стендах.

4.5. Снятие экспериментальной характеристики зависимости показаний квадратурного энкодера PF1 в миллиметрах от фактического положения магнитного датчика

Для снятия экспериментальной характеристики отключить оптический датчик кнопкой SA2, подключить магнитный датчик положения тремя проводниками к клеммам А, B и ┴ квадратурного энкодера PF1, включить магнитный

датчик кнопкой SA3. Перевести энкодер в режим измерения «Магн.», единицы измерения «мм». Переместить образцовый измеритель до совмещения левой кромки и нулевого отсчёта линейки. Обнулить его показания кнопкой «ZERO». Сбросить показания PF1 кнопкой «Уст.0». На образцовом измерителе и индикаторе энкодера должны быть нулевые отсчёты.

Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Записать результаты первого измерения – показания образцового измерителя и энкодера равные 0 мм.

Перемещать вправо образцовый измеритель, используя колёсико точного перемещения отрезками по 10 мм и записывая показания образцового измерителя и энкодера. Выполнив 9 измерений достичь точки 100 мм. Последующие

25

измерения выполнять при перемещении датчиков в обратную сторону влево – к началу отсчёта шагами по 10 мм. По достижении нулевого отсчёта закончить опыт.

ВНИМАНИЕ! Во время снятия характеристики не обнуляйте значения расстояния образцового и исследуемого датчиков кнопками «ZERO» и «Уст.0»

Данные занести в табл. 3.

Построить зависимость LДАТ = f(LОБР). Эта зависимость должна быть близка к идеальной прямой.

Построить зависимость δL = f(LДАТ). Сделать вывод о целесообразности измерений малых расстояний датчиком с заданной точностью.

Таблица 3

4.6. Определение коэффициента пересчёта количества импульсов в миллиметры для магнитного датчика

Подключить магнитный датчик как указано в 4.4, режим квадратурного энкодера выбрать «Магн.», «имп.» и обнулить показания.

Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Перемещать вправо образцовый измеритель на отметку 200 мм, не превышая скорости перемещения 100 мм/сек, используя колёсико точного перемещения подвести образцовый измеритель к показанию 200 мм. Записать показания счётчика импульсов квадратурного энкодера PF1.

Рассчитать коэффициент пересчёта импульсов энкодера в миллиметры для магнитного датчика по формуле:

,

где L – расстояние, пройденное линейным датчиком, мм; NИМП – количество импульсов, накопленное на расстоянии L.

Сравнить с коэффициентом, который используется в квадратурном энкодере стенда для магнитного датчика. Коэффициенты должны быть близкими по значению.

Переместить образцовый измеритель в другую точку, например на отметку 100мм и записать количество импульсов соответствующее расстоянию 100 мм. Пересчитать количество импульсов в расстояние по формуле:

,

где LРАСЧ – расстояние, рассчитанное по количеству импульсов, накопленному с линейного датчика на расстоянии 100 мм.

26

Переключить энкодер в режим «миллиметры» и сравнить полученные цифры. Полученные значения расстояния должны быть близкими.

Сделать выводы об алгоритме перевода величины количества импульсов NИМП в абсолютные расстояния L, выраженные в миллиметрах внутри квадратурного энкодера.

4.7. Определение систематической погрешности магнитного инкрементального датчика при многократной смене направления движения датчика вправо/влево

Подключить магнитный датчик как указано в 4.4, режим квадратурного энкодера выбрать «Магн.», «Имп.» и обнулить показания.

Предъявить схему подключения и начальное состояние стенда для проверки преподавателю.

Перемещать вправо образцовый измеритель на отметку 200 мм, не превышая скорости перемещения 100 мм/сек, используя колёсико точного перемещения подвести образцовый измеритель к показанию 200 мм. Записать показания счётчика импульсов квадратурного энкодера PF1 в таблицу.

Перемещать влево образцовый измеритель на отметку 0 мм, не превышая скорости перемещения 100 мм/сек, используя колёсико точного перемещения подвести образцовый измеритель к показанию 0мм. Записать показания счётчика импульсов квадратурного энкодера PF1 в табл. 4.

Таблица 4

Повторить не менее 10 циклов перемещения вправо/влево, последовательно заполняя таблицу.

ВНИМАНИЕ! Во время снятия характеристики не обнуляйте значения расстояния образцового и исследуемого датчиков кнопками «ZERO» и «Уст.0»

Построить графики зависимости Θ0 и Θ200 от номера опыта.

Сделать вывод о наличии и величине систематической погрешности магнитного датчика, а также заключение о том, не является ли она на самом деле случайной, если тенденции к дрейфу показаний в какую-либо сторону не обнаруживается.

Сравнить погрешности изученного магнитного датчика стенда и магнитных датчиков соседних стендов, если таковые имеются.

Сделать вывод о повторяемости технологии измерения расстояний с помощью магнитных инкрементальных датчиков. Хорошая повторяемость – систематические погрешности пренебрежимо малы на стенде и соседних стендах.

27

Плохая повторяемость – систематические погрешности велики и не коррелируют на разных стендах.

4.8.Сравнение точностных параметров двух типов датчиков – оптического

имагнитного.

Выполнять измерения в работе не требуется. Потребуются результаты измерений и расчётов, выполненных в предыдущих экспериментах.

Построить зависимости δL = f(LДАТ) для оптического и магнитного датчиков на одном графике. Сделать вывод о предпочтительном выборе датчика при измерении малых расстояний – какой датчик выбрать из представленных в стенде, оптический или магнитный? Почему?

Сравнить коэффициенты k для оптического и магнитного датчиков, используемые при пересчёте импульсов в миллиметры, по формуле

.

Сравнить количество импульсов поступающих с датчиков при перемещении обоих на 50 мм.

Объясните, какой датчик из представленных более точен, магнитный или оптический?

5. Требования к отчёту

Отчёт должен содержать:

а) наименование работы и цель работы; б) основные технические характеристики исследуемых датчиков;

в) экспериментальные данные, расчетные значения требуемых параметров и графиков (если требуется) по каждому из проведённых экспериментов;

г) анализ полученных экспериментальных данных, выводы по работе.

6. Контрольные вопросы

1.Расскажите о конструктивном устройстве и принципе действия инкрементальных оптических датчиков растрового типа.

2.Какие порядки точностей измерений линейных перемещений можно достичь с применением оптических датчиков инкрементального типа

3.Какие порядки точностей измерений линейных перемещений можно достичь с применением магнитных датчиков инкрементального типа

4.Перечислите преимущества оптических датчиков перед магнитными. Перечислите недостатки оптических датчиков.

5.Перечислите достоинства магнитных датчиков при работе в загрязнённых рабочих условиях.

6.Как называется устройство, преобразующее последовательность импульсов с двухканального оптического или магнитного датчика инкрементального типа в абсолютное положение.

7.Каков принцип действия линейных датчиков абсолютного типа

8.Какой существует способ повышения надёжности работы датчиков абсолютного типа в тяжёлых условиях вибрации и помех?

28

Лабораторная работа № 3. Изучение датчиков частоты вращения

Цель работы

1.Изучить режимы работы и основные характеристики тахогенератора постоянного тока и оптического энкодера.

2.Овладеть методами экспериментального исследования данных устройств и определения точности преобразования скорости и угла поворота в электрический сигнал.

3.Сравнить экспериментальные характеристики с теоретическими и оценить погрешности.

4.Определить сравнительные качества тахогенератора и оптического инкрементального энкодера.

Программа работы

Дома изучить принцип работы, назначение и технические характеристики тахогенератора постоянного тока и инкрементального оптического энкодера, схемы их включения, а также основные узлы и возможности лабораторного стенда.

В лаборатории:

–пройти тестирование по теоретической части;

–снять и построить экспериментальную передаточную характеристику тахогенератора постоянного тока;

–изучить работу инкрементального оптического энкодера, снять и построить экспериментальные характеристик энкодера;

–проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы;

–выполнить отчет о проделанной работе.

Пояснения к работе

1. Общие теоретические сведения

В лабораторной работе исследуются следующие датчики чатоты вращения:

−тахогенератор постоянного тока ТГП-1;

−инкрементальный оптический энкодер TRD-S/SH фирмы Automation Di-

rect.

В Прил. 3 представлены теоретические основы работы тахогенератора и оптического энкодера, используемых в данной лабораторной установке, их технические характеристики и габаритные размеры.

29

2. Описание лабораторной установки для изучения ТГ постоянного тока и оптического энкодера

Прежде, чем приступить к экспериментальному исследованию тахогенератора постоянного тока и оптического энкодера, необходимо ознакомиться с принципом их действия и схемой расположения обмоток и гнезд по мнемограмме на стенде. Необходимо также изучить назначение элементов стенда.

Субблок «Датчики частоты вращения» лабораторного стенда представлен на рис. 1. Данный блок представляет собой двигатель постоянного тока, оптический энкодер и тахогенератор постоянного тока, соединенные ременными передачами. Кроме того, в субблоке расположен потенциометр для плавного регулирования скорости приводного двигателя от 0 до 2500-3000 об/мин. Индикация скорости вращения осуществляется с помощью индикатора «n, об/мин», расположенного в блоке индикации.

Гнезда А, В и ┴ необходимы для подключения выходов оптического энко-

дера к измерителю PF2 или осциллографу. Гнезда UВЫХ необходимы для подключения выхода тахогенератора к измерителю PV1, работающему в режиме измерения постоянного напряжения или осциллографу.

В ходе лабораторной работы необходимо будет использовать переключатели магазинов сопротивлений, позволяющие ступенчато изменять сопротивления нагрузочных резисторов Rнагр1 и Rнагр2 и установленные в левой части функционального блока «Датчики положения».

Датчики частоты вращения

SA4

Регулятор скорости вращения

0,5

A B Z

Uвых

0 1

Рис. 1. Субблок для исследования датчиков частоты вращения

Для питания системы управления приводного электродвигателя, самого электродвигателя, а также оптического энкодера осуществляется от встроенного импульсного источника питания.

30