книги из ГПНТБ / Шульц, Е. Ф. Индуктивные приборы контроля размеров в машиностроении

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

При активном контроле шлицевых валов измеритель­ ным устройством с бесконтактным индуктивным датчи­ ком на выходе моста переменного тока во всех случаях последовательно появляется сигнал помехи (от впади­ ны) и сигнал измерения (от зуба). Амплитуда сигнала помехи во много раз больше амплитуды наибольшего сигнала измерения, а фаза обратна фазе напряжения измерения.

Р и с. 66 . С х е м а а м п л и т у д н о го п р е о б р а з о в а т е л я с е м к о с т н о й п а м я т ь ю

Схема, обеспечивающая исключение сигнала поме­ хи, представлена на рис. 66. Она имеет фазочувстви­ тельный выпрямитель и амплитудный преобразователь с емкостной памятью. Фаза напряжения управления вы­ бирается так, что сигнал помехи на выходе выпрямителя имеет положительную полярность, а сигнал измерения отрицательную. Открывая триод 77, измерительный сиг­ нал заряжает конденсатор памяти СЗ до амплитудного значения. Во время действия сигнала помехи триод 77 закрыт и конденсатор СЗ разряжается через входное

следить за изменением напряжения на выпрямителе в со­ ответствии с величиной припуска при любой скорости его изменения. Постоянная времени заряда этого конденса­ тора должна обеспечивать минимальную погрешность

100

фовкн, определим необходимую величину постоянной времени разряда конденсатора памяти СЗ, обеспечиваю­ щей точный контроль напряжения на выходе фазочув­ ствительного выпрямителя. Для примера рассмотрим случай, когда припуск величиной 0,5 мм снимается при подаче 2 мм/с. Время, за которое он будет снят, составит t = 0,25 с. Напряжение на выходе выпрямителя по мере снятия припуска спадет по линейному закону, а на кон­ денсаторе СЗ по экспоненциальному. Чтобы эти напря­ жения в любой момент отличались не более чем на 5%, постоянная времени цепи разряда С должна составлять

ной величине С определим сопротивление цепи разряда:

т р о л е ш л и ц е в о г о в а л а с ч и сл о м з у б ь е в 24 (ш и р и н а з у б а 3 м м , ш и р и н а к а н а вк и 5 м м ). Д л я о п т и м а л ь н о г о р е ж и м а ш л и ф ов к и л и н ей н а я с к о ­ р о с т ь л ю б о й точ к и о б р а б а т ы в а е м о й п о в е р х н о ст и в р а щ а ю щ е й с я д ета л и

д о л ж н а н а х о д и т ь с я в п р е д е л а х v = 20 Ч- 25 м /м и н . О п р е д е л и м в р е м я п р о х о ж д е н и я з у б а и к а н а в к и о к о л о и зм е р и т е л ь н о г о б а ш м а к а д а тч и к а . П р и v = 24 м /м и н

101

ГЛАВА VI

ПРИБОРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И СОРТИРОВКИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ

1. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИНДУКТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ТОЧНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

В предыдущих главах были описаны приборы актив­ ного контроля для различных финишных операций, статическая точность которых составляет единицы ми­ крометра. Однако в ряде отраслей промышленности и в лабораторной практике необходимы измерительные средства более высокой точности. Например, для селек­ тивной сборки прецизионных подшипников или преци­ зионных пар деталей топливной аппаратуры погреш­ ность измерения при сортировке на группы не должна превышать десятых долей микрометра. В силу повышен­ ных требований приборы для прецизионных измерений имеют ряд конструктивных и схемных особенностей.

Индуктивный датчик является преобразователем электромеханического типа, поэтому его погрешность может обусловливаться явлениями, имеющими как ме­ ханическую, так и электрическую природу. Для умень­ шения механических погрешностей датчика необходимо обеспечить достаточную жесткость его конструкции, надежное крепление элементов, отсутствие зазора в на­ правляющих измерительного стержня, например, с помощью подвеса последнего на фасонных пластинча­ тых пружинах.

Известно, что при применении дифференциального индуктивного датчика в цепи равновесного моста с идеальной симметрией обеих половин датчика, погреш­ ности, обусловленные внешними факторами, отсут­ ствуют.

В связи с тем, что идеальной симметрии половин датчика добиться невозможно, применяется несколько способов уменьшения его погрешности от влияния внеш­ них факторов: способ уменьшения начального воздуш­ ного зазора [25] и улучшение симметрии датчика.

103

Уменьшение начального зазора приводит к увеличе­ нию крутизны преобразования (чувствительности) дат­ чика и ослаблению влияния внешних факторов. Суть способа заключается в том, что благодаря включению в мост половин обмоток трансформатора питания и низ­ кому сопротивлению нагрузки в измерительной диаго­ нали, катушки датчика соединены с источником напря­ жения, обладающим низким выходным сопротивлением. Поэтому напряжение на катушках датчика не зависит от положения якоря. В этом случае ток в измерительной

ности токов отдельных ветвей и датчик дифференциаль­ ный, приращения проводимостей имеют разные знаки и суммарный ток

/ — / 1 — 12 = UAyx U(— Ays) = U(Аух+ Ау2) ■

Полная электрическая проводимость катушки дат­ чика обратно пропорциональна ее полному сопротивле­ нию и является линейной функцией воздушного зазора [25]. Поэтому характеристика датчика линейна почти во всем диапазоне перемещений якоря. При обычном режиме работы область линейного преобразования в зависимости от необходимой степени линейности ко­ леблется от 0,05 до 0,5 полного зазора. Помимо умень­ шения погрешностей режим заданного напряжения позволяет улучшить линейность характеристики датчика, что необходимо для работы двух датчиков с суммиро­ ванием выходного сигнала.

Улучшение симметрии половин датчика является также весьма эффективной мерой уменьшения погреш­ ностей. Остановимся па понятии симметрии и опреде­ лим, какие именно параметры половин датчика должны быть одинаковыми.

Полное электрическое сопротивление одной катушки датчика

Z = г + /co(L + Ls),

где г — сопротивление катушки постоянному току; со — угловая частота;

104

L — индуктивность катушки, обусловленная маг­ нитным потоком в сердечнике;

Ls — индуктивность, обусловленная магнитным по­ током рассеивания.

Индуктивность L для удобства дальнейших рассуж­ дений считаем комплексной величиной:

R s м

ляющая электрического сопротивления катушки, обу­ словленная магнитным потоком рассеивания.

Определим влияние внешних факторов на состав­ ляющие комплекса полного электрического сопротивле­ ния катушки. Рассмотрим влияние температуры окру­ жающей среды t°, напряжения питания U датчика,, частоты f напряжения питания и близко расположенных электропроводящих и ферромагнитных масс. Сопротив­ ление постоянному току катушки зависит только от температуры:

1QS

—72

словленное потоком в сердечнике X = ---- -—- зависят

^и

от температуры t°, напряжения U и частоты f. Опреде­ лим влияние этих факторов на компоненты rt и X в слу­

Ам зависят от напряжения и частоты. Кроме того, зави­ симость этих величин от частоты вытекает из наличия угловой частоты в формулах (21) и (22). Влияние тем­ пературы обусловливается наличием в этих формулах удельного сопротивления стали, которое зависит от тем-

пературы: рст = 0,0057 -4- 0,0062.

106

На величину Ls оказывает влияние расположение ка­ тушки относительно сердечника и близко расположенные электропроводящие и ферромагнитные массы.

Из приведенных рассуждений вытекает, что компо­ ненты полного электрического сопротивления катушки датчика имеют выраженную функциональную зависи­ мость от t°, U, f. Поэтому в состоянии равновесия моста с дифференциальным датчиком при среднем положении якоря последнего должно быть не только равенство

При наличии этого равенства можно сказать, что датчик обладает симметрией и при условии одинакового

воздействия внешних факторов на обе его половины за­ щищен от воздействия последних.

На рис. 67 показан чертеж датчика для особо точных измерений общего применения типа АНИТИМ3578. На примере конструкции этого датчика и технологии его изготовления покажем, каким путем можно достичь симметрии его половин.

Датчик состоит из корпуса 4, в котором гайками 5 и 10 закреплены чашечные магнитопроводы 12, в которых находятся катушки 8. Якорь 9 укреплен на стержне 7, который подвешен на плоских фасонных пружинах 6. Ход стержня ограничен упором 2. Полость датчика гер­ метизирована резиновой мембраной 11 и прокладкой 14.

107

Выводы проводов выполнены через герметичные стек­ лянные изоляторы 15. Измерительное усилие создается пружиной 3. Корпус 4 вставлен в гильзу 13, закреплен гайкой 1. Наружный диаметр гильзы унифицирован под общепринятый стандарт.

В настоящей работе не приводится электрический и конструктивный расчет датчика, так как этот вопрос хорошо освещен в литературе [15, 23, 25].

Известно [25], что полная мощность датчика не зави­ сит от числа витков. При наличии трансформатора, со­ гласующего сопротивление датчика с сопротивлением нагрузки, диаметр провода и число витков катушки вы­ бирается из следующих соображений. Активное сопро­ тивление катушки датчика содержит две компоненты: омическое сопротивление провода г и сопротивление ак­ тивных потерь в сердечнике гс. Уменьшение диаметра провода и увеличение числа витков приводит к возраста­ нию роли г в общем активном сопротивлении катушки. При намотке катушек на пластмассовые каркасы раз­ брос омических сопротивлений некоторых экземпляров составляет 3—5%. Следовательно, абсолютная величина разброса омических сопротивлений с уменьшением диа­ метра провода будет возрастать, а его влияние на тем­ пературную погрешность датчика увеличиваться. Но с ростом диаметра провода у малогабаритных датчиков заметно уменьшается коэффициент заполнения катуш­ ки. Для датчиков малых и средних габаритных размеров рекомендуется применять провод диаметром от 0,1 до 0,2 мм. При серийном производстве датчиков для особо

тивлений катушек датчика не должна превышать 0,1 Ом. В остальных случаях допустима разность 1 Ом.

Равенства гс, ~ гс, и L\ — Ь2 при среднем положе­ нии якоря датчика могут быть достигнуты путем зада­ ния технологических допусков на размеры сердечников. Допуски устанавливаются на все наружные и внутрен­

цессе механической обработки. Для улучшения и вырав­ нивания магнитных свойств сердечников их необходимо подвергать отжигу в безокислительной среде.

108

Достигаемая с помощью указанных мер степень сим­ метрии, оказывается достаточной для датчиков с по­ грешностью измерения ±0,5 мкм. Для особо точных датчиков с погрешностью ±0,05 мкм необходимо подби­ рать пары катушек с разностью индуктивностей не бо­

составляющих полного сопротивления катушек, пред­

потоком в сердечнике. Так как при этом якорь датчика не будет находиться в среднем положении, равенству индуктивных составляющих не будет соответствовать равенство активных составляющих полного сопротивле­ ния катушек. От этого на выходе моста появится квад­ ратурная составляющая, от которой зависит минималь­ ное напряжение разбаланса. Состояние полного равно­ весия моста по первой гармонике в этом случае будет достигнуто путем введения переменного активного со-

f противления, о чем уже говорилось в гл. I.

t Индуктивность рассеивания Ls может обусловливать­ ся магнитными потоками, проходящими по воздуху внутри чашек сердечников и снаружи как по воздуху, так и по конструктивным элементам самого датчика и

пусками, которыми обусловливалась бы толщина стенок каркасов, от которой зависит положение катушки отно­ сительно сердечника и, следовательно, величина Ls. Для устранения влияния окружающих электропрово­ дящих и ферромагнитных масс необходим эффективный

защищает от деформаций элементы конструкции и сер­ дечники датчика, делая его нечувствительным к усилиям зажима.

В конструкциях датчиков специальных применений для уменьшения габаритных размеров защитная гильза

109