книги из ГПНТБ / Ковалев М.П. Динамическое и статическое уравновешивание гироскопических устройств

Емкостный датчик может быть включен и в резонансный кон­ тур, как это показано на рис. 8.10,-а. Изменение емкости Сх бу­ дет вызывать изменение собственной частоты контура. Контур питается от генератора незатухающих колебаний со стабилизиро­ ванной частотой fo. Модулированное напряжение детектируется диодом Д и фильтруется конденсатором Сф. Выходное напряже­ ние «1 будет иметь форму, показанную на рис. 8.9.

Иногда емкостный датчик включают в сеточный контур гене­ ратора (см. рис. 8.10, б). Изменения емкости Сх вызывают изме­ нения резонансной частоты контура, что приводит к изменениям анодного тока лампы. В результате этого на выходе схемы на­ пряжение «2 будет изменяться, как показано на рис. 8.9.

Период изменения напряжения и2 будет определяться перио­ дом изменения емкости Сх, а амплитуда — величиной этого из­ менения.

Нелинейность емкостных датчиков

Нелинейности емкостных преобразователей перемещения оп­ ределяются тремя основными причинами:

1) Краевым эффектом электрического поля между обкладка­ ми конденсатора;

2 ) гиперболической зависимостью емкости конденсатора в за­

висимости от расстояния между обкладками; 3) влиянием электрической цепи преобразователя.

Представляет интерес оценка величины нелинейности, возни­ кающей в результате действия одного из упомянутых факторов.

Допустим, расстояние между обкладками конденсатора из­ меняется по закону

Условия линейности емкостного преобразователя определяют­ ся условием

шить искажения можно применением компенсационных методов измерения, а также использованием специальных схем включе­ ния переменной емкости.

Емкостный датчик в цепи обратной связи усили­ теля

Появление стабильных полупроводниковых операционных усилителей с большим коэффициентом усиления открывает боль­ шие возможности их применения в измерительной технике. На рис. 8 .1 2 , а изображена схема использования операционного уси­

лителя с емкостным датчиком в цепи обратной связи. Конденса­ тор, являющийся датчиком, включен между выходными и входны­ ми клеммами усилителя. Переменное напряжение от независимо­ го генератора подается через конденсатор Сі на вход усилителя. Соотношение емкостей С\ и С2 подбирается таким образом, что­ бы в начальный момент ток резистора г равнялся нулю, что обес­ печивает нулевое выходное напряжение. Изменение емкости С2

178

вызывает ток в резисторе г, и на выходе усилителя появляется напряжение, пропорциональное току.

Основные соотношения можно получить из анализа эквива­ лентной схемы, приведенной на рис. 8 .1 2 , б.

Величина токов І\ и h определяется выражениями

где В — постоянный коэффициент.

Таким образом, выходное напряжение емкостного датчика в данном случае линейно, зависит от зазора между пластинами. Преимущества такого датчика очевидны. Его с успехом можно применять не только для целей измерения неуравновешенности, но и для анализа отклонений формы ротора от идеальной сферы.

Линейный емкостный преобразователь

Схема емкостного преобразователя, обеспечивающая линей­ ную зависимость выходного напряжения от емкости, изображена на рис. 8.13. Операционный усилитель питается по неинвертирую­

щему входу от генератора синусоидального напряжения Üь Ем­ костный датчик Сх и шунтирующее сопротивление г включены на

Рис. 8.13. Линейный емкостный пре­ Рис. 8.14. Схема компенсации емко­ образователь сти соединительного кабеля

инвертирующий вход. Обратная связь осуществляется через ре­ зистор R. Можно показать, что выходное напряжение при неиз­

менном 0 г будет пропорционально току датчика

0 2= 0 Х^1 -|— Ü xj®RCx. (8.34)

Если измерять только квадратурную составляющую напряжения на выходе, то она будет равна

хронного детектора. Для получения линейной зависимости необ­ ходимо поддерживать постоянными 0 Хи со.

Для .компенсации емкости кабеля С0 можно применить схему

рис. 8.14.

Квадратурная составляющая напряжения U0 будет равна ну­

где С1 и С2 — емкостный делитель напряжения. Емкостный дели­

тель можно заменить резистивным.

Емкостный преобразователь с частотной модуля­ цией

Развитие и достижения цифровых измерительных систем тре­ буют применения датчиков с непосредственным преобразовани­

180

ем перемещения в частоту. Одним из наиболее перспективных типов таких датчиков является емкостный преобразователь-гене­ ратор. Работу такого преобразователя можно проследить по схе­ ме, изображенной на рис. 8.15, а. Изменяющаяся емкость АС= = С1—С2 вызывает отклонения частоты генерируемых колебаний

от номинальной соо, определяемой частотно-избирательной цепью W\(p). Делитель К в цепи обратной связи генератора определяет

Рис. 8.15. Емкостный преобразователь с частотной модуля­ цией

степень зависимости частоты от изменений емкости. В случае, ес­ ли. емкостный преобразователь состоит из одного конденсатора, то его емкость представляется емкостями С\ и С2, равными нулю.

При /С = 1 и Сі = С2—0 схема работает как обычный генера­ тор. Как показано на рис. 8.15, б, емкости Сі и С2 можно заме­ нить эквивалентной емкостью Сэ, которая включена на входе усилителя.

Величина этой емкости определяется выражением

Сэ = ( 1 - Д ) С 1 + ( 1 + Л) С 2= С 1 + С2- Л д С . ■

Эквивалентная емкость Сэ шунтирует выход частотно-изби­ рательной цепи Wi (р) и вызывает отклонения периода колеба­ ний от номинального значения. Для получения высокой чувстви­ тельности периода .колебаний к изменениям емкости необходимо увеличить коэффициент усиления усилителя А. Таким образом, изменения периода колебаний будут выражаться зависимостью

ДГ0= £ > д С ,

где АТ0— изменение периода колебаний; D — постоянный коэффициент;

АС — приращение емкости датчика. Генераторы-преобразователи могут работать как с дифферен­

циальными, так и с одиночными емкостными датчиками. Они да­ ют возможность получить большие изменения периода колебаний (частоты) при малых изменениях емкости.

Собственную частоту можно получить очень низкой, что да­ ет возможность исключить влияние паразитных емкостей.

181

8.6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСТРОЙСТВ ДЛЯ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ШАРОВЫХ РОТОРОВ

Блок-схема простого измерительного устройства, дающего ин­ формацию о величине и месте неуравновешенности ротора, изоб­ ражена на рис. 8.16, а. В ней использован стробоскопический эф-

а)

ф ф ф- ф-ф ф ф-ф-ф

Рис. 8.16. Стробоскопическая схема измерения места неуравнове-

іііивания

фект для определения места неуравновешенности, а величина не­ уравновешенности определяется по амплитуде изменений зазора между ротором и чашей.

• Принцип действия этого измерительного устройства разберем но диаграммам,-изображенным на рис. 8.16, б, в, г. Допустим, что в точку d идеально уравновешенного ротора добавили массу Ат. Это приведет к смещению центра масс ротора относительно точ­ ки подвеса на величину ,

т

182

Если по оси ротора ОХ поставить датчик перемещений ДП, то зазор между датчиком и ротором будет изменяться по синусо­ идальному закону с амплитудой, равной б. Напряжение их, сни­ маемое с датчика перемещений, будет иметь такой же вид, .как

Рис. 8.17. Формирователи управляющих импульсов

и изменение зазора. На графике (см. рис. 8.16, б) показаны по­ ложения ротора, соответствующие определенным фазам измене­ ния зазора. Если в моменты времени 0; Т\ 2Т и т. д. сформировать напряжение «Вых і и подать на импульсную лампу, то ротор, осве­ щенный импульсами света, будет виден неподвижным в положе­ нии, показанном на рис. 8.16, б. Если же эти световые вспышки будут совпадать с максимумом сигнала, то, ротор будет виден не­ подвижным в другом положении, отличающемся от первого на 90°. Это дает возможность определить место неуравновешенности по положению ротора. Этот же импульс можно использовать для управления работой исполнительного органа или для отметки на роторе электрической искрой.

Измерительные устройства, собранные по блок-схеме, приве­ денной на рис. 8.16, а, широко применяются в балансировочных машинах [15]. Датчик перемещений емкостного типа. Поэтому усилитель-преобразователь^содержит или мостовую схему с гене­ ратором или генератор, в колебательный контур которого вклю­

183

чен емкостный датчик. В качестве измерительного* прибора Ат применяют стрелочный прибор или осциллограф.

Для формирования управляющего импульса напряжения, сов­ падающего по фазе с нулем синусоиды (см. рис. 8.16, в), можно применить формирователь, блок-схема которого показана на рис. 8.17, а. Диаграмма напряжений, изображенная на рис. 8.17, бТ поясняет физику происходящих в формирователе процессов. Для формирования импульсов, совпадающих по фазе с максимумом синусоиды (см. рис. 8.16, г) можно применить формирователь, блок-схема которого представлена на рис. 8.17, в. Фазосдвигаю­ щим устройством может быть интегрирующий каскад.

Усилитель импульсов в схеме на рис. 8.16, а является усили­ телем мощности. Мощность на выходе этого усилителя задает потребитель — импульсная лампа ИЛ. Вместо импульсной лам­ пы может быть исполнительный орган в виде лазера или мощно­ го импульсного источника световых или тепловых лучей.

Схему на рис. 8.16, а можно применять при лабораторных ис­ следованиях и для автоматизации процесса уравновешивания. Однако получить высокую точность довольно трудно из-за боль­ шого уровня помех, имеющих место в реальных условиях.

При рассмотрении этого измерительного устройства предпо­ лагалось, что ротор-— идеальная сфера с идеальной поверх­ ностью. В действительности у всех роторов будут отклонения or сферы и шероховатости обработки поверхности. Это приведет к тому, что сигнал после преобразователя будет содержать и дру­ гие гармоники, а не только основную. Поэтому измерительная схема должна содержать фильтрующее устройство, которое бы обеспечивало выделение основной гармоники.

В большинстве случаев оптимальным считается такой фильтр, который обеспечивает наибольшее отношение сигнала к помехе. Такой критерий вполне оправдан в радиоприемных устройствах. Когда же речь идет об измерении амплитуды и фазы сигнала, та к фильтру предъявляют дополнительные требования. Эти допол­ нительные требования обусловлены нестабильностью частоты измеряемого сигнала, приводящей к большим фазовым погреш­ ностям. Поэтому фильтр не должен вносить фазовых сдвигов при допустимых изменениях входного сигнала.

Как уже упоминалось, системы измерения неуравновешенно­ сти роторов могут быть без опорного сигнала и с опорным сигна­ лом, синхронным и синфазным вращению ротора. На самом ро­ торе в любом случае необходимо делать опорные отметки, позво­ ляющие определять угловую .координату неуравновешенности.

Если с ротора при помощи фотодатчика снимается опорный сигнал, то его можно использовать и для определения места не­ уравновешенности и для формирования сигнала, управляющего работой синхронного детектора.

Таким образом, избирательный фильтр измерительной систе­ мы может быть построен по двум схемам:

— по схеме с резонансными усилителями;

184

— по схеме, использующей избирательные свойства синхрон­ ного детектора.

Обе эти схемы нашли широкое применение в измерительной технике балансировочных машин и с успехом применяются для измерения неуравновешенности шаровых роторов.

И з м е р и т е л ь н а я с х е м а с р е з о н а н с н ы м

ус и л и т е л е м

Вэтой схеме (рис. 8.18) применен избирательный усилитель RC-типа.

На рис. 8.19 показана двойная Т-образная цепь и ее ампли­ тудно-частотная характеристика. Включение этой цепи в каче-

стве элемента прямой связи в усилителе с глубокой отрицатель­ ной обратной связью дает возможность получить частотную ха­ рактеристику, показанную на рищ 8.19, в, а при включении в цепь отрицательной обратной связи получается характеристика, изображенная на рис. 8.19, г.

Таким образом, одна и та же частотно зависимая цепь дает возможность получить «фильтр-пробку» и резонансный фильтр, настроенный на определенную частоту. Такое свойство усилителя обеспечивает измерение неуравновешенности и контроль каче­ ства изготовления сферы.

Резонансные усилители вносят значительные сдвиги по фазе в измеряемый сигнал при изменении частоты, что может привести к большим погрешностям в определении места неуравновешенно­ сти. Поэтому в таких схемах необходим контроль частоты вра­ щения ротора и компенсация фазовой погрешности.

Приведенная на рис. 8.18 схема может работать в режиме из­ мерения величины и места неуравновешенности и в режиме конт­

185

роля качества поверхности сферического ротора. В режиме из­ мерения величины неуравновешенности датчик перемещений 1 и преобразователь 2 преобразуют механические перемещения (из­ менения зазора) в электрический сигнал. Усилитель 3, катодный повторитель 4 и двойная Т-образная цепь 5 образуют усилитель,, в цепь отрицательной обратной связи которого включена двой­ ная Т-образная цепь (переключатель П в положении «1»).

Амплитудно-частотная характеристика этого усилителя будет иметь вид, изображенный на рис. 8.19, г. Частота настройки

усилителя “о = — , где соо — угловая скорость ротора. В этом

RC

режиме усилитель выделяет, из спектра частот только частоту сигнала, пропорционального нёуравновешенности. Измеритель­ ный прибор 6 (см. рис. 8.18) измеряет величину сигнала. Осцил­ лограф 7 дает возможность контролировать форму сигнала. Пос­ ле усилителя сигнал поступает на формирователь импульса, состоящий из ограничителя 5, дифференцирующей цепи 10, частот­ ного различителя 9, блока задержки импульсов 11 и усилителя импульсов 12. Газосветная импульсная лампа 13 дает возмож­ ность определить место неуравновешенности на роторе стробо­ скопическим способом. Этот же импульс можно использовать для управления работой исполнительного органа 14.

В режиме контроля качества поверхности ротора двойная Т-образная цепь включена в прямую связь (переключатель П в положении «2»), Усилитель работает как «фильтр-пробка»: он не пропускает сигнал с частотой вращения, но зато пропускает все другие частоты. Анализируя форму сигнала, можно определить характер и величину искажений поверхности ротора.

Рассмотренная измерительная схема может быть рекомендо­ вана для уравновешивания роторов массового выпуска без авто­ матизации процесса уравновешивания. Существенным недостат­ ком этой схемы с точки зрения автоматизации является увеличе­ ние фазовой погрешности управляющего импульса с уменьшением неуравновешенности, так как он формируется из сигнала неурав­ новешенности.

Более перспективными являются измерительные схемы, ис­ пользующие избирательные свойства ваттметров и фазовых различителей.

И з м е р и т е л ь н а я с х е м а с с и н х р о н н ы м д е т е к т о р о м в б а л а н с и р о в о ч н о й

м а ш и н е - а в т о м а т е

Известны автоматические балансировочные машины, в кото­ рых исправление неуравновешенности ротора производится во время его вращения одновременно с измерением величины не­ уравновешенности. Исполнительный орган наносит или удаляет материал в соответствии с сигналом, подученным от измеритель­ ной схемы. В отличие от известных устройств была предложена

186