Мехатроника и динамика мини-роботов

Кольца читаются с помощью излучения света через расположение (конфигурацию) световых колец. Количество колец определяет точность передатчика. С помощью n колец можно закодировать 2n состояний.

Индуктивный передатчик применяется для определения угла между статором и ротором, а также анализа фазовой разницы между полем возбуждения (статор) и одним или несколькими индуцированными полями (витки катушек ротора). Подключение электроники позволяет проводить интерполяцию фазового угла.

Инкрементальные методы измерений

Все вышерассмотренные методы измерения пути имеют один общий признак. На выходе выдается абсолютное значение, которое является мерой измеряемого пути. В момент измерения сенсор и объект измерения не могут взаимно перемещаться.

Инкрементальные методы измерений действуют иначе. По своей сущности они не регистрируют путь или угол между измерительной системой и измеряемым объектом, а измерения проводят по вычислению отдельных отсчетов (в общем случае – электрических импульсов).

Наиболее широко используется оптический декодер, конструктивная схема которого изображена на рис. 5.14.

171

противоположные принципы функционирования: если вал вращается с угловой скоростью , то индуцированное напряжение

Uт k ,

где k – постоянная, зависящая от характера конструкции. Конструкция, состоящая из двигателя, датчика угла, тахогенера-

тора называется сервомотором.

Для бесконтактного измерения скорости применяются оптические системы измерения корреляции. Принцип их действия показан на рис. 5.15, где I – интенсивность света, ФКК – функция круговой корреляции.

Рис. 5.15. Схема оптической системы измерения корреляции

Согласно рис. 5.15

ФКК R s 1 TI1 t I2 t s dt. T 0

173

5.2.3. Системы измерения ускорения механическими датчиками

Измерение ускорения основано на том, что если на массу m, подвешенную на пружине жесткости c, действует ускорение a, колебания устройства описываются соотношением

w mc a,

где w – амплитуда колебаний массы.

5.2.4. Пьезоэлектрические сенсоры ускорения

На рис. 5.16 изображена модель возникновения сжимающих напряжений (пьезонапряжений).

В ненагруженном состоянии пьезокристалл, рассматриваемый макроскопически, является электрически нейтральным, рис. 5.16, а.

а

б

Рис. 5.16. Схема возникновения пьезонапряжений

Во время нагружения элементы кристаллической решетки нагружены дополнительно и отрицательно и перемещены соответственно так, что на внешних поверхностях обнаруживается разница потенциалов.

174

Для измерений необходимо использовать усилитель, который позволяет на выходе усиливать сигнал согласно формуле

Uвых 1с i t dt Qc ; ddQt i t .

Схема усилителя изображена на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Схема усилителя

5.2.5. Микромеханические сенсоры ускорения

Для регистрации деформации используются два способа. На рис. 18, а изображена схема конструкции тензометра пьезосопротивления (рассмотренного дальше). На рис. 5.18, б изображена конструктивная схема на основе конденсаторов, когда колеблющаяся масса расположена между двумя неподвижными электродами.

Рис. 5.18. Схемы регистрации деформации

175

Одноосное измерение силы и момента основано на законе Гу-

ка, который в простой форме имеет вид

FA E ,

где F – сила;

A – площадь сечения;

E– модуль Юнга;

– деформация удлинения.

5.2.6. Тензометрические датчики силы и момента

Функционирование тензометров основано на физическом явлении, когда электрический проводник вследствие изменения длины изменяет свое сопротивление. Имеет место зависимость

R Al ,

где – собственное сопротивление;

l – длина проводника; A – площадь сечения.

На рис. 5.19 изображены схемы тензометров: а – волнового; б – полупроводникового кристалла кремния.

Рис. 5.19. Схемы тензометров

176

Зависимость между измерением и относительным изменением сопротивления записывается через коэффициент k, причем для единичного тензометра имеет место связь

В обоих устройствах реализуются технологии, основанные на применении кремния.

Одностороннее удлинение заделанной балки на расстояние l от точки приложения силы определяется по формуле

E6bhFl2 .

Для измерения моментов применяются датчики изогнутые. Состоят они из стержня, рис. 5.20, или трубки, рис. 5.21, на которой

прикреплены два или четыре тензометра под углом 45o к оси тензометра.

Рис. 5.20. Схемы стержневых датчиков

Удлинение стержня, рис. 5.21, а, под действием момента Mt

где G – модуль изгиба; r – радиус цилиндра.

177

Глава 6. АВТОМАТЫ

6.1. Конечные автоматы подсистем управления для мехатронных систем

Управляющие подсистемы мехатронной системы представляют собой звенья цепи, в которые поступает информация о состоянии системы и окружающей среды, обрабатываются и вырабатываются управляющие (регулирующие) сигналы, поступающие к исполнительным органам системы. Обработка сигналов, поступающих на вход звеньев, может происходить чисто функционально, когда вход

X t и выход Y t связаны зависимостью

где k – дискретный момент времени.

Функциональное звено не хранит память о том, что было с системой в момент t или (k m k). Если выход Y t зависит не

только от X t в момент времени t, но и от состояний S системы

в прошедшие моменты времени, т. е. на выходе схемы рис. 6.1, а черного ящика (функционального преобразователя), необходимо ввести информацию о некоторой структуре звена, рис. 6.1, б, включив блок памяти БП и обратную связь.

рекуррентные зависимости вида

179