1. Токовихревые датчики.

Датчики этого типа используют эффект взаимодействия вихревых токов с основным электромагнитным элементом датчика. Поэтому, схемы их включения и основные параметры аналогичны датчикам индуктивного типа, за исключением рабочего диапазона измеряемых перемещений и несущей частоты. Измеряемые перемещения составляют обычно всего 3-5 мм а несущая частота выбирается в пределах 10...100 Кгц. В связи с этим частотный диапазон вторичного преобразователя такого датчика расширяется до десятков кГц, то есть существенно превышает рабочий диапазон частот исполнительных элементов системы.

2. Тензорезисторные датчики.

Первичный преобразователь такого датчика измеряет непосредственно лишь деформацию поверхности, на которую он наклеен, поэтому, как правило, такие датчики в электромеханических системах регулирования применяются в качестве датчиков усилия или крутящего момента. Питание датчика может производиться либо постоянным напряжением в пределах 1...24 В, либо напряжением с несущей частотой 50...5000 Гц. Собственно тензорезисторный преобразователь имеет очень высокую частоту линейного преобразования, доходящую до сотен Кгц, однако, при использовании такого преобразователя в составе датчика усилия или момента, его максимальная рабочая частота определяется частотой механических колебаний упругого элемента, на который наклеен датчик. Эта частота существенно ниже, чем у собственно преобразователя и обычно находится в пределах от десятков до сотен Гц. Кроме того, при питании датчика переменным напряжением его усилитель (фазочувствительный выпрямитель) должен иметь на выходе фильтр с постоянной времени, равной 3-5 периодам несущей частоты [52].

3. Пьезоэлектрические датчики.

Пьезоэлектрический датчик является в значительной степени универсальным, позволяющим с помощью одного и того же вторичного преобразователя проводить измерения механических ускорений, скоростей, перемещений и усилий. Диапазон измерений этих параметров может быть очень широким при применении различных типов пьезодатчиков. В качестве выходного сигнала такого датчика используется значение заряда, возникающего на электродах при возникновении напряжений в теле пьезоэлемента или, реже, напряжение на электродах. Поскольку пьезоэлемент обладает высокой жесткостью, частотные характеристики таких датчиков могут быть весьма высокими. Так, датчики ускорения имеют диапазон частот, в котором их амплитудно-частотная характеристика линейна, вплоть до нескольких десятков Кгц. Значения нижней измеряемой частоты определяются входным сопротивлением вторичного преобразователя и электрической цепи пьезоэлемента и могут достигать значений 0,01 Гц и ниже.

При использовании в качестве вторичного (нормирующего) преобразователя усилителя с интегратором, с помощью таких датчиков возможно измерение виброскоростей и виброперемещений в широких пределах.

Пьезоэлектрические датчики усилия, вследствие высокой жесткости пьезоэлемента, также имеют очень высокую верхнюю частоту измерений, достигающую десятка Кгц для датчиков малых усилий (до 5000 Н) [10, 51 ].

Пьезоэлектрический датчик, в отличии от перечисленных выше, является датчиком активного типа

1. Оптические датчики.

Оптические датчики, включающие светоизлучающий элемент (светодиод, полупроводниковый лазер) и светоприемник (фотодиод, фототранзистор), могут применяться как для измерений малых перемещений, так и для измерений угла поворота.

При измерении малых перемещений, между светоизлучателем и светоприемником располагается экран, связанный с непосредственно движущейся частью системы. При перемещении элементов системы изменяется световой поток, воспринимаемый приемником и соответственно его выходной ток или напряжение. Рабочий диапазон измерений такого датчика не превышает обычно нескольких миллиметров, а его динамические свойства целиком определяются динамическими свойствами светоприемника. В зависимости от типа применяемого приемника, постоянная времени такого датчика имеет значения в пределах единиц миллисекунд и менее. Вторичный преобразователь такого датчика представляет собой усилитель, как правило, не ограничивающий быстродействие датчиковой системы.

Оптические датчики угла поворота или скорости, которые широко применяются для регулирования скорости электропривода, фактически представляют собой преобразователи угол-код и используются, в основном, в цифровых системах обработки сигналов.

При использовании такого датчика в аналоговой системе регулирования скорости он должен иметь вторичный преобразователь, постоянная времени которого, в основном и определяет быстродействие датчиковой системы. Эта постоянная времени зависит от вида кодирования и требуемой минимальной частоты вращения вала, причем ее наименьшее значение может определяться как

T=(3...5)*N/f, где N - число делений фотооптического диска;

f - частота вращения вала [38].

Оптический датчик, включающий в качестве светоприемника фотодиод или транзистор, может работать как в активном, так и в пассивном режиме [33].

2. Электромашинные датчики.

Электромашинные датчики (тахометры) применяются для измерения скорости вращения валов систем электропривода. Чаще всего встречаются датчики двух основных типов: датчик на основе электрической машины постоянного тока с постоянными магнитами и на основе такой же машины переменного тока. Эти датчики оказываются удобными для применения в системах регулирования, поскольку они, как правило, не требуют вторичных преобразователей. Величина выходного сигнала такого датчика достигает сотни Вольт (и более), а собственные постоянные времени такого элемента составляют единицы миллисекунд [34].

Датчики таких типов являются активными и могут быть отнесены к датчикам индукционного типа.

4. Потенциометрические датчики.

Датчики этого типа также, как правило, не требуют применения вторичных преобразователей. Эти датчики имеют существенный недостаток, заключающийся в низкой износостойкости, поэтому они применяются на рабочих частотах, не превышающих нескольких Гц, в то время как собственные динамические характеристики датчика позволяют им работать на частотах в сотни Гц.

Выходной сигнал таких датчиков может иметь значения от единиц до десятков Вольт при токах до десятков миллиампер [33].

В таблице 1.3 приведены основные параметры датчиков, применяемых обычно в электромеханических системах, по данным [1,10,48,49,51,52].

Таблица 1.3.

Тип Первичного преобразова­теля	Значения измряемой величи­ны	Выходной сигнал датчика и его значения		Частотный диапазон ли­нейности про­ходной харак­теристики или постоянные времени		Тип Нормирующего преобразова­теля
Индуктивный и индуктивно- трансформа­торный дат­чики переме­няя	10*10'3...100 мм	несущая частота- 50...5000 Гц; 10 мВ...10 В		От 0...20 до 0...1000 Гц (с нормирую­щим преобра­зователем);		Генератор не­сущей частоты и фазочувтвительный вы­прямитель с фильтром
Токовихревой перемещения	0,1...5 мм	несущая частота- 10...100 Кгц; 10 мВ...10 В		0...1 Кгц и более		генератор не­сущей частоты и фазочувтви- тельный вы­прямитель с фильтром
Тензорезис- торный датчик деформации (перемещения)	е=10"4...10'2 (10"3... 50*10"’ мм)	сигнал рабочей или несущей частоты 10...100 мВ;		0...(1...10 КГц)		источник пи­тающего на­пряжения и усилитель или фазочувстви­тельный вы­прямитель
Тензорезистор- ный датчик усилия	0,1..Л06Н	сигнал рабочей или несущей частоты 10...100 мВ;		0...(20.. 1000 Гц)		источник пи­тающего на- | пряжения и усилитель или фазочувстви­тельный вы­прямитель
Тензорезис- торный датчик момента	0Д...104 Н*м	сигнал рабочей или несущей частоты 10...100 мВ;		нет данных		источник пи­тающего на­пряжения и усилитель или фазочувстви­тельный вы­прямитель
Пьезоэлектри­ческий датчик ускорения (ско­рости/переме­щения)	(10‘6...10'3)g 10'3...Ю2 м/с 0,01...100 мм	Электрический заряд 0,3...100 pq		0,1... (1000...5000) Гц		усилитель заряда (с одно­кратным/дву­кратным интег­рированием)
Пьезоэлектри­ческий датчик усилия	ЮН...10000 Н		Электрический заряд 0,3..,100 pq		0,1... (100...5000) Гц		усилитель заряда
Оптический датчик перемещения	10”...1 мм		(раб. частота) . 100 мкА .Ю0 мВ		Т=10'6... 10‘4 с		усилитель фототока
Оптический датчик угла/скорости	Разрешающая способность 0,1 град., 1...105 1/с		(имп. напряже­ние) .100 мкА .100 мВ		постоянная времени зави­сит от нижней частоты f диа­пазона измере­ния Т=( 10” 10'2)l/f		усилитель фототока, преобразова­тель, фильтр
Электрома­шинные датчики угло­вой скорости	ОД...1000 Гц		(раб. частота) 1...100В (нес. частота) N*fBp, 1...100В		Т=0,01...0,001 с (условно)		не требует (выпрямитель)
Потенциомет­рический пере­мещения/угла поворота	ОД...100 мм 0,5...360 град.		(раб. частота) 1...20 В		0...(10...200) Гц		не требует

1.6 Логико-вычислительные устройства.

Логико-вычислительные устройства электромеханических САР применяются, в основном, двух типов:

-устройство на аналоговых элементах формирования закона регулирования (операционные усилители, аналоговые перемножители, функциональные преобразователи и т.д.;

-устройство на базе микропроцессоров с применением входных аналогово-цифровых и выходных цифро-аналоговых преобразователей, причем во многих случаях выходной сигнал логико-вычислительного устройства может также являться просто цифровым (импульсным).

Для аналоговых устройств в настоящее время фактическим стандартом является применение входных и выходных уровней сигналов, соответствующих сигналам стандартных операционных усилителей, то есть Ubx, 11вых=± 10 В, I вх, 1вых-1...Ю мА [33,46].

Для цифровых логико-вычислительных устройств, включающих АЦП и ЦАП, в настоящее время не существует общепринятого стандарта на параметры входных и выходных сигналов, однако в большинстве случаев их значения приблизительно соответствуют значениям входных и выходных сигналов аналоговых логико-­вычислительных систем.

По результатам анализа характеристик элементов исполнительных, информационных и логико-вычислительных подсистем, проведенному выше, можно сказать следующее.

Выше приведенный анализ дает представление о средних значениях параметров, характерных для наиболее часто встречающихся элементов электромеханических систем.

Однако, этот анализ позволяет сделать некоторые выводы, на основании которых можно сформулировать группу общих принципов построения системы измерения динамических характеристик таких элементов.

Во-первых, диапазон изменения коэффициентов передачи и постоянных времени элементов, применяемых в электромеханических системах очень широк. Различия в значениях этих параметрах достигают нескольких порядков (типичные значения - 0,01..Л Ос). Диапазон изменения величин входных и выходных сигналов также очень широк (входные токи - 10°,.ЛО2 А, входные напряжения - 0,01...100 В, выходные перемещения 10 ... 102 мм, усилия - 0,1.. Л 0000 Н).

Во-вторых, передаточная функция большинства электромеханических исполнительных устройств описывается полными уравнениями четырехполюсника. Передаточные функции датчиковых систем и элементов логико-вычислительных подсистем описываются, обычно, в виде типовых звеньев САР, имеющих однонаправленную передачу сигнала от входа к выходу.

В третьих, практически все элементы исполнительной подсистемы имеют более или менее выраженную нелинейность проходной характеристики. Характеристики элементов измерительных и логико-вычислительных подсистем, в большинстве случаев, можно считать линейными.

Выводы:

По результатам анализа, проведенного в этой главе, определены параметры основных групп элементов, применяемых в электромеханических системах регулирования, что позволило сформулировать группу общих принципов построения системы (устройства) определения динамических характеристик.

Для обеспечения универсальности такого устройства оно должно удовлетворять следующим основным требованиям.

Устройство должно быть выполнено по агрегатно-блочному принципу и должно включать:

-измерительную часть, имеющую в своем составе генератор сигналов (функциональный генератор), измерительно-вычислительный блок и устройство отображения информации;

-датчики и вторичные преобразователи для приведения выходных сигналов элементов к виду и значениям, воспринимаемым измерительной частью;

-усилительные устройства для согласования выходного сигнала генератора измерительной части со входом испытуемого элемента. В ряде случаев может потребоваться также наличие датчиков тока или напряжения для согласования уровней входных сигналов элемента со входами измерительной части устройства.

Для обеспечения согласования датчиковых и усилительных устройств с измерительной частью, уровни ее входных и выходных сигналов должны соответствовать фактическим и нормативным стандартам на информационные сигналы измерительных систем. Выполнение этого требования дает возможность использовать измерительную часть устройства для работы с большинством промышленных измерительных преобразователей, а также включать в состав всей системы промышленные измерительные устройства (генераторы, фильтры, самописцы), имеющие стандартные входные и выходные сигналы.

Для определения коэффициентов четырехполюсников, представляющих передаточные функции большинства электромеханических исполнительных элементов, измерительная устройство должно иметь не менее трех раздельных входов [4,11].Для определения характеристик измерительных и логико-вычислительных подсистем желательно иметь два независимых входа измерительного устройства.

Для определения дифференциальных коэффициентов передачи элементов с нелинейными проходными характеристиками, функциональный генератор устройства должен иметь возможность формирования выходного сигнала с регулируемыми раздельно постоянной и переменной составляющими