книги из ГПНТБ / Основы авиационной автоматики учеб. пособие

Для выявления динамических свойств потенциометрического датчика можно воспользоваться формулой (2.8)

«вых = К --------- - •

Здесь зависимость мвых = f ( x ) для нагруженного датчика яв­ ляется нелинейной функцией, поэтому она не может быть в об­ щем случае описана передаточной функцией. Однако при некото­ рых упрощениях передаточная функция может быть получена.

При малых перемещениях щетки х I, чисто активной на-

ц

грузке и ---- < 1 эту формулу можно заменить приближенной Рн

Передаточная функция равна постоянной величине, и потенцио­ метрический датчик представляет собой усилительное или безы­ нерционное звено.

Если нагрузка датчика является реактивной, то его динам,ические свойства могут быть описаны более сложной передаточной функцией. Но обычно запаздывание, обусловленное такой наг­ рузкой, относят не к нагружённому датчику, а к входной цепи элемента, подключаемого на выход датчика. При таком подходе потенциометрический датчик во всех случаях рассматривается как безынерционный элемент.

Основным недостатком потенциометрических датчиков являет­ ся наличие скользящего контакта, снижающего надежность ра­ боты датчиков. Другим недостатком является невысокий коэф.- фициент усиления, не превышающий 3—5 В/мм.

Несмотря на отмеченные недостатки, потенциометрические датчики получили широкое распространение в автоматических устройствах благодаря универсальности и простоте.

87

И н д у к т и в н ы е д а т ч и к и

Индуктивные датчики представляют собой устройства, в ко­ торых измеряемое перемещение преобразуется в изменение ин­ дуктивности или взаимной индуктивности обмоток, а потом в на­ пряжение переменного тока. Для получения сигнала в виде элек­ трического напряжения индуктивные датчики, как и датчики со­ противления, включаются в электрическую схему.

Принципиальная схема простейшего индуктивного датчика приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Принципиальная схема про­ стейшего индуктивного датчика

Датчик представляет собой катушку индуктивности J, располо­ женную на магнптопроводе 2 с якорем 3 и изменяющимся воз­ душным зазором л". К обмотке 1 через сопротивление /?„ подклю­ чается источник питания переменного тока с напряжением Un.

Индуктивные датчики, используемые в авиационной технике, работают на переменном токе частоты 400 Гц, но в ряде случаев может использоваться более высокая частота.

Входной величиной в датчике является перемещение якоря х, а выходной — ток в нагрузке или -.падение напряжения на сопро­ тивлении RH. При перемещении якоря .происходит изменение ин­ дуктивного сопротивления обмотки датчика, а следовательно, и тока в нагрузке /.

Найдем зависимость }=f(x) или статическую характеристику датчика.

Индуктивность обмотки датчика определяется формулой

где w — число витков обмотки;

Ф — рабочий магнитный поток обмотки;

/— ток катушки.

Вформуле (2.12) учитывается лишь рабочий поток обмотки, так как при малых воздушных зазорах мы можем пренебречь по­ током рассеяния.

88

По заколу Ома для магнитной цепи будем иметь

- т а

X

Здесь S — м2; .ѵ —м.

При синусоидальном напряжении питания датчика и нена­ сыщенном магнптопроводе ток в обмотке практически также си­ нусоидален. Тогда эффективное значение тока в нагрузке будет

где R — активное сопротивление нагрузки и обмотки.

Обычно при среднем положении якоря индуктивное сопротив­

0,2icl0-8«>2Sa>

чика по току (к имеет порядок нескольких сотен мА/мм).

89

Статическая характеристика датчика — линейная. Однако в области малых воздушных зазоров начинает сказываться магнитное сопротивление стали,

Недостатком рассмотренного датчика является то, что он яв­ ляется однотактньш. Фаза тока в нагрузке не меняется во всем диапазоне изменения входной величины х. Кроме того, у датчика такой конструкции силы электромагнитного притяжения оказы­ ваются значительными, а его входное усилие большим.

w m F ,

Р и с. 2.9. Схема двухтактного индуктивно­ го датчика

Указанных недостатков не имеют двухтактные индуктивные датчики. Схема двухтактного датчика, собранного по так назы­ ваемой дифференциальной схеме, приведена на рис. 2.9.

Датчик состоит из двух одинаковых однотактных датчиков с общим якорем. Обмотки датчика совместно с сопротивлениями R образуют две независимые электрические цепи. Входным сигна­

90

лом является малое перемещение х якоря, отсчитываемое от не­

Индуктивность катушки обратно пропорциональна величине воз­ душного зазора

91

При нейтральном положении якоря L0 = — , а при перемеще­

нии якоря появляется приращение индуктивности

[ X по сравнению с ,ѵ0

достигать нескольких сотен вольт на миллиметр. Порог чувстви­ тельности индуктивных датчиков довольно низок. С помощью индуктивных датчиков возможно измерять перемещения порядка микрон.

Нагрузка /?„ искажает линейную зависимость пШі1х —/(х), как и у потенциометрических датчиков.

Схемы с индуктивными датчиками питаются от сети перемен­ ного тока. Поэтому при изменении знака перемещения изменя­ ется фаза напряжения в диагонали моста на 180°. Для определе­ ния знака перемещения усилитель, на вход которого поступает сигнал датчика, должен быть фазочувствительным..

Измерение угловых перемещений производится индуктивны­ ми датчиками с поворотным якорем. В этом датчике при угловом перемещении якоря меняется величина воздушного зазора и ин­ дуктивность датчика.

Помимо рассмотренных датчиков довольно широко применя­ ются так называемые трансформаторные индуктивные датчики, у которых при перемещении якоря изменяется взаимная индук­ тивность обмоток.

Схема трансформаторного индуктивного датчика приведена на рис. 2.10. В этой схеме при повороте якоря 1 на некоторый угол от среднего положения взаимоиндуктивности обмотки пи­ тания 2 с встречно включенными обмотками выходного сигнала 3 становятся неодинаковыми я на выходе появляется напряжение “выхпримерно пропорциональное углу поворота а.

■92

Фаза напряжения нВЫІ£ изменяется на противоположную при изменении знака угла поворота якоря. Внешний вид датчика приведен на рис. 2.11.

Основными достоинствами индуктивных датчиков являются отсутствие скользящих контактов, прочность конструкции и на­ дежность. Другим положительным качеством является большой коэффициент усиления и высокая разрешающая способность. Как уже указывалось, коэффициент усиления двухтактного дат­ чика может достигать нескольких сотен вольт на миллиметр. Разрешающая способность некоторых индуктивных датчиков из­ меряется сотыми долями микрона. Выходная мощность индук­ тивного датчика может быть довольно значительной. Имеются индуктивные датчики, обладающие мощностью на выходе в не­ сколько десятков ватт. Шумы индуктивных датчиков имеют зна­ чительно меньшую интенсивность, чем у потенциометрических датчиков. Это обусловлено тем, что шумы относительно высокой интенсивности, характерные именно для контактных устройств, в данном случае отсутствуют. Основная причина возникновения ■на выходе датчика помехи (шумов) — это уход нуля, обуслов­ ленный неидентичностыо обмоток и наводками э.д.с. за счет внешних электромагнитных полей.

Вследствие указанных преимуществ индуктивных датчиков их часто устанавливают на самолете и в особенности в местах, опасных в пожарном отношении. Так, например, индуктивный датчик попользуется как сигнализатор выработки горючего в баках.

Недостатками индуктивных датчиков являются;

— большое входное усилие, обусловленное действием на якорь сил электромагнитного притяжения;

— возможность работы только на переменном токе;

93

— сложность регулировки для получения нулевого напряже­ ния на выходе датчика. Это обусловлено тем, что напряжение на выходе датчика может быть равно нулю при равенстве амплитуд и фаз токов в двух ветвях схемы.

По динамическим свойствам индуктивные датчики мы отно­ сим к усилительным звеньям.

Сельсинные датчики (сельсины)

Сельсинные датчики (сельсины) в автоматических устройст­ вах используются для измерения угловых перемещений механи­ чески не связанных осей или валов или как элементы индикатор­ ной синхронной передачи. Особенно широкое применение сельсннные датчики получили в следящих системах для измерения сигнала ошибки или угла рассогласования между входной и вы­ ходной осями следящей системы. Слово «сельсин» означает самосинхронизирующееся устройство. Действительно, при использо­ вании сельсинов в системе индикаторной синхронной передачи роторы сельсинов автоматически принимают согласованное по­ ложение после включения питания.

В авиационной технике широко применяются сельсины типа КС (контактный сельсин) и СМ (сельсин малогабаритный).

Конструктивно сельсин представляет собой машину перемен­ ного тока (рис. 2.12).

Ротор 1 имеет одну обмотку 2. Статор 3 имеет три обмотки 4, оси которых расположены под углом 120° друг к другу. Подвод тока осуществляется через токосъемные кольца 5 и щетки 6.

94

Ротор крепится на осп 7, имеющей возможность поворачиваться

вподшипнике 8. Обычно ротор имеет явно выраженные полюса,

астатор выполняется с неявно выраженными полюсами Соис. 2.13).

Конструкция сельсинов, используемых в системе индикатор­ ной синхронной передачи и сельсинов — измерителей угла рас­ согласования в следящей системе, практически одинакова. Иск­

Трансформаторный режим сельсинного датчика используется для измерения угла рассогласования в следящей системе. Обыч­ но с входной осью следящей системы соединяется сельсин-датчик, а с выходной — сельсин-приемник. Входной величиной для сельсннного датчика является угол рассогласования е между командной п исполнительной осями следящей системы или, ина­ че, между осями роторов СД и СП; выходной — напряжение иііыхі снимаемое с роторной обмотки сельсина-приемника.

В индикаторном режиме работы сельсинов обеспечивается синхронный поворот двух механически не связанных осей или ва­ лов. В этом режиме работы ось ротора сельсина-датчика, как и в трансформаторном режиме, тесно связана с одной из осей си­ стемы, например, с командной осью. Ротор сельсина-приемника связан с индикаторной стрелкой или указательным индексом. Входной величиной здесь является угол поворота ротора сельси­ на-датчика, а выходной — угол поворота сельсина-приемника. ■

Рассмотрим работу сельсинного датчика в трансформатор­ ном режиме. Электрическая схема соединений датчика приведе­ на на рис. 2.14.

95

К обмотке ротора сельснна-датчпка подводится переменное напряжение питания датчика ~~Un. Статорные обмотки обоих сельсинов соединены по схеме «звезда—звезда». Концы обмоток статоров соединены между собой трехпроводной линией.

90°

Рис. 2.14. Схема соединений сельсинного датчика

Сельсин-датчик можно рассматривать как трансформатор, первичной обмоткой которого является обмотка ротора, а вто­ ричной — обмотки статора. Если к ротору сельсина-датчика под­ водится переменное напряжение .U„, то пульсирующий магнит­ ный поток ротора ФРд будет направлен вдоль оси полюсов об­ мотки ротора. По закону Ленца результирующий магнитный по­ ток статора Фсд равен по величине и противоположен по направ­ лению магнитному потоку ротора Фрд. Магнитный поток Фсд создается токами І\, / 2, h, протекающими в направлении от об­ щей точки к концам обмоток. При равных сопротивлениях ста­ торных обмоток сельсинов те же токи 1\, 1ч, /3 протекают и по обмоткам статора сельсина-приемника, но в противоположных направлениях (от концов обмоток к общей точке). Если средние точки сельсинов мысленно соединить четвертым проводом, то ток в этом проводе равен нулю, так как сумма проекций трех еди­ ничных векторов, образующих друг с другом 120°, равна нулю. Включение четвертого провода в схеме ничего не меняет. Сле­ довательно, результирующий магнитный поток статора сельсинаприемника Ф.п будет всегда направлен противоположно потоку Фсд и в одну сторону с потоком ротора сельсина-датчика Фрд. .

При повороте на некоторый угол ротора сельсина-датчика ме. няется направление магнитного потока Фрд, а вместе с ним пово­ рачивается на тот лее угол магнитный поток сельсина-приемника

ФспЕсли не учитывать потоки рассеяния и неизбежные потери, то

величина магнитного потока Фсп примерно равна величине Фрд Если разность относительных углов поворота роторов сель-' сина, отсчитываемых от осей, соединенных проводом статорных катушек, равна нулю, то весь поток, существующий в статоре сельсина-приемника, пронизывает его роторную обмотку. Напрялсение на выходе сельсинного датчика при этом максимально.

96