лаб_Датчики_мех_величин

По построенным экспериментальным характеристикам UВЫХ=f(α) определить абсолютные и относительные погрешности, обусловленные только нели-

нейностью характеристик UВЫХ=f(α), соответствующих Rнагр1 ≠ ∞. при этом за идеальную характеристику UВЫХ=f(α) необходимо принять характеристику, со-

ответствующую Rнагр1 ≠ ∞ (10000 Ом).

По формулам (13), (17), (28) и (29) рассчитать и построить графики теоретических характеристик преобразования UВЫХ=f(α). Эти графики следует построить на тех же графиках, что и экспериментальные. Сравнить теоретические и экспериментальные характеристики.

Рассчитать значения относительной погрешности δ.

5. Требования к отчёту

Отчет должен содержать: а) цель работы;

б) основные технические характеристики исследуемых датчиков; в) экспериментальные данные, расчётные значения требуемых параметров

и графиков по каждому из проведенных экспериментов; г) анализ полученных экспериментальных данных, сравнение полученных

данных с паспортными, выводы.

6. Контрольные вопросы

1.Расскажите о конструктивном устройстве ВТ, о схемах включения обмоток и принципах действия в синусно-косинусном и линейном режимах работы, об областях применения.

2.Перечислите возможные причины погрешности измерений ВТ. Какие применяются меры для уменьшения погрешности?

3.С какой целью применяется симметрирование ВТ?

4.Каким образом осуществляется первичное (со стороны статора) и вторичное (со стороны ротора) симметрирование ВТ?

5.Как снимаются синусно-косинусные и линейная характеристики ВТ? Поясните вид этих характеристик.

6.Объясните отличия в виде характеристик в случаях отсутствия и наличия нагрузок на выходных обмотках ВТ.

7.Расскажите о конструктивном устройстве потенциометрического датчика, о схемах его включения.

8.Как снимаются передаточные характеристики на холостом ходу и под нагрузкой? Поясните причины их различия.

41

Приложение 1. Бесконтактные конечные выключатели и индуктивный преобразователь перемещений

Принцип действия емкостного бесконтактного выключателя состоит в следующем. Чувствительная поверхность выключателя образуется двумя концентрически расположенными металлическими электродами. Их поверхности А и В (рис. П1.1) расположены в цепи обратной связи высокочастотного генератора, который настроен таким образом, что он не генерирует при отсутствии объекта детектирования. Если объект приближается к чувствительной поверхности датчика, то он попадает в электрическое поле перед поверхностями электродов и способствует повышению ёмкости связи между пластинами А и В. При этом амплитуда генератора начинает возрастать. Амплитуда колебаний регистрируется оценочной схемой и преобразуется в логический сигнал включения.

Рис. П1.1. Структура емкостного выключателя

Принцип действия индуктивного бесконтактного выключателя также основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или аморфного магнитного материала определённых размеров. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле (рис. П1.2), наводящее во внесённом материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется в зависимости от расстояния между датчиком и контролируемым предметом. Далее триггер преобразует аналоговый сигнал в логический, устанавливая уровень переключения и величину гистерезиса.

Рис. П1.2. Структура индуктивного выключателя

42

Оптический бесконтактный выключатель – электронное устройство, которое обнаруживает контролируемый объект, отражающий или прерывающий оптическое излучение, и имеет полупроводниковый или релейный коммутационный элемент.

Выключатель, изучаемый в лабораторной работе, относится к D типу. Этот датчик состоит из излучателя и приёмника, установленных в одном корпусе. Луч излучателя диффузионно отражается от контролируемого объекта и попадает в приёмник. Выключатель срабатывает при наличии контролируемого предмета в зоне его действия.

Ультразвуковой конечный выключатель (УЗВ) – прибор для обнаружения контролируемого объекта звуковыми волнами ультразвукового диапазона. Частота ультразвуковых колебаний лежит в диапазоне от 45 до 400 кГц в зависимости от типа датчика; частота повторения пачек импульсов находится между 10 и 200 Гц. В качестве излучателей и приёмников ультразвуковых колебаний используют электростатические преобразователи, которые в настоящее время практически на применяются из-за сложной конструкции и необходимости высокого рабочего напряжения, и пьезокерамические преобразователи. Пьезокерамические преобразователи построены из спекаемых пьезоэлектрических кристаллов. Пьезоэлектрические кристаллы имеют свойство изменять размеры (деформироваться) при воздействии на определённые поверхности кристалла электрического напряжения. Таким образом, электрическая энергия может быть преобразована в механическую. И наоборот, когда давление прикладывается к внешней поверхности кристалла, образуется заряд, который может быть преобразован в напряжение.

Существует 3 схемы построения ультразвуковых датчиков:

–с одним преобразователем, в которых пьезокерамическая головка используется как излучатель и как приёмник. Недостатком этой схемы является относительно большое минимальное расстояние обнаружения: отражённые сигналы от объектов, расположенных очень близко к датчику, поступают раньше окончания спада импульса излучателя и по этой причине не могут быть обработаны;

–с двумя преобразователями в одном корпусе, в которых для передачи и приёма используются две пьезокерамических головки, расположенные в одном корпусе. Путем применения двух отдельных преобразователей минимальное расстояние обнаружения может быть существенно уменьшено по сравнению со случаем использования единого приёмопередатчика;

–разнесённая схема с двумя преобразователями, в которых для передачи и приёма используются две пьезокерамических головки, расположенные в разных корпусах, располагаемых на одной линии. Датчики, построенные по такой схеме, используются в методе прерывания луча (см. далее).

Существует несколько способов построения систем обнаружения объектов

спомощью ультразвука:

1.Непосредственное обнаружение системой с одним или двумя раздельными преобразователями. Контролируется пространство перед датчиком на предмет наличия объектов, от которых отражается ультразвуковая волна.

43

2.Ретрорефлективный метод. Контролируется пространство между датчиком и стационарным рефлектором. Приёмник улавливает ультразвуковой сигнал, отражённый от рефлектора. При пересечении луча объектом происходит срабатывание датчика. Метод малоприменим для измерения расстояния до объекта, а служит для его непосредственного обнаружения в зазоре между датчиком и рефлектором.

3.Метод прерывания луча. Два датчика, излучатель и приёмник, устанавливают на одной линии. Ультразвуковая волна должна пройти расстояние между излучателем и приёмником только в одном направлении. Датчики, работающие по прерыванию луча, иногда называют барьерными. Метод неприменим для измерения расстояния до объекта, а служит для его непосредственного обнаружения в зазоре между передатчиком и приёмником.

Точность измерения расстояния до объекта для ультразвуковых преобразователей в общем случае колеблется от 3% до 20% и зависит как от качества датчика, так и от изменений окружающих условий.

Преимущества ультразвуковых датчиков по сравнению с остальными:

–работают в сильно загрязнённой и запылённой среде;

–большие рабочие расстояния (для систем с одним преобразователем до 15 метров);

–взрывозащищённые варианты исполнения;

–обнаруживают объекты из любого материала (в том числе и уровень жидкости);

–самый простой и дешёвый бесконтактный способ измерения уровня жидкости.

Недостатки ультразвуковых датчиков:

–широкая диаграмма направленности;

–невысокая точность, особенно при изменении температуры, давления и состава воздуха;

–чувствительность к случайным препятствиям (например, ступени лестницы в цистерне с жидкостью);

–часто неверная работа от границы сред с пеной на поверхности;

–измерительный луч нельзя увидеть;

–невысокое быстродействие;

–сравнительно дороги.

Индуктивный преобразователь перемещения ИПП – также электронное устройство, выходное напряжение которого изменяется с изменением положения ВЭ относительно торца преобразователя.

Технические характеристики датчиков, используемых в лабораторной работе, представлены в табл. П1.1 и П1.2

44

Примечания:

1.Исследуемый емкостной выключатель имеет встроенный потенциометр для регулировки чувствительности. Для работы производится основная настройка на зазор 0,7…0,8 SНОМ.

2.Для определения рабочего зазора емкостного выключателя необходимо воспользоваться табл. П1.3, где приведены поправочные коэффициенты или табл. П1.4 и рис. П1.3, по которым определяется величина диэлектрической

проницаемости материала и далее по значению εr – величина рабочего зазора. 3. Рабочий зазор индуктивного выключателя зависит от металла, из которого изготовлен объект воздействия. Для определения SРАБ в табл. П1.3 приве-

дены поправочные коэффициенты для некоторых металлов.

Таблица П1.3

Таблица П1.4

Для оптического выключателя рабочий зазор определяется с использованием поправочного коэффициента (табл. П1.5)

Все датчики имеют одинаковую схему подключения, которая приведена на рис. П1.4.

46

Рис. П1.3. Зависимость рабочего зазора от диэлектрической проницаемости материала

Таблица П1.5

OV A43A-31P-150-LZ

Рис. П1.4. Схема подключения датчиков

Индуктивный преобразователь перемещения ИПП имеет аналоговый выход. Схема подключения представлена на рис. П1.5а, а каталожная статическая характеристика преобразователя – на рис. П1.5б.

47

а) б) Рис. П1.5. Схема подключения (а)

и статическая характеристика ИПП UA=f(S) (б)

48

Приложение 2. Оптоэлектронные и магнитные преобразователи линейных перемещений

Оптоэлектронные преобразователи линейных перемещений предназначены для информационной связи по положению между позиционируемым объектом и устройством управления или устройством цифровой индикации.

Рассмотрим растровые линейные оптоэлектронные преобразователи перемещения инкрементального типа. Их принцип действия заключается в использовании в качестве меры длины линейной шкалы, являющейся носителем регулярного растра. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с малым коэффициентом линейного расширения, а также стабильность их геометрического положения позволяют создавать преобразователи 3-4 классов точности, с шагом до 0,5мкм. Измерения проводятся посредством головки, которая состоит из фотоизлучателей и фотоприёмников

(рис. П2.1).

Рис. П2.1. Лучи проходят сквозь прозрачные участки шкалы (фотоприёмник засвечен) и не проходят сквозь непрозрачные (фотоприёмник в темноте)

Измерительная головка состоит из фотоизлучателей и фотоприёмников, размещённых в ударопрочном корпусе. Измерительная головка передвигается относительно измерительной линейки с нанесённым на неё рисунком растра.

При относительном перемещении регулярного растра шкалы и измерительной головки происходит модуляция проходящего через растр света, воспринимаемая соответствующими фотоприемниками – лучи попеременно засвечивают фотоприёмники при перемещении.

Фотоприёмники попеременно освещаемые при перемещении на своём выходе выдают сигнал, показанный на рис. П2.2.

49

Рис. П2.2. Импульсы A и B на выходах фотодатчиков

и результирующий сигнал приращения пройденного расстояния

Полученный сигнал представляет собой прямоугольные импульсы, сдвинутые на 90°. Сдвиг получен конструктивным расположением излучателей – когда свет от одного проходит к фотоприёмнику, второй закрывает полоса на растровой шкале, и наоборот. Такой конструктив выбран, чтобы определять не только перемещение, но и направление перемещения – прямая последовательность импульсов приходит при перемещении вперёд, обратная - при перемещении назад.

Расшифровка направления перемещения производится – квадратурным энкодером. Его задача, из двух сигналов фотоприёмников получить импульсы приращения пройденного расстояния и сигнал направления перемещения. Направление перемещения можно определить по фазовому соотношению двух каналов. Кроме того, с помощью двухканального энкодера можно добиться четырехкратного улучшения разрешения посредством системы подсчета задних и передних фронтов каждого канала (А и В).

Современные квадратурные энкодеры, кроме указанных задач, выполняют цифровое шумоподавление и фильтрацию входных сигналов, счёт абсолютного положения измерительной головки, обнуление и коррекцию положения при проходе через специальные оптические метки, формирование информационных пакетов о текущем положении по различным промышленным интерфейсам.

Рассмотрим линейные инкрементальные преобразователи перемещения магнитного типа. Устройство считывающей головки показано на рис. П2.3.

Из рис. П2.3 видно, что датчик состоит из металлической ленты с намагниченными участками, и расположенными напротив неё двумя датчиками Холла. Датчики Холла чувствительны к напряжённости и направлению магнитного поля. Датчики Холла изменяют своё состояние при изменении магнитного поля на противоположно направленное при движении измерительной головки вдоль ленты.

Сигналы на выходах каналов А и B сдвинуты на 90o, что позволяет как и в оптических датчиках получать значение не только положения но и направления движения. Сигналы с каналов А и B подают на соответствующие входы квадратурного энкодера для получения количества пройденных шагов и значений абсолютных координат считывающей головки.

50