Емкостные и магнитострикционные первичные преобразователи перемещении

4.1. Емкостные преобразователи перемещении

Ёмкостные преобразователи основаны на зависимости емкости конденса­тора от размеров и взаимного расположения его обкладок. По структуре по-строения емкостные преобразователи можно разделить на дифференциальные и недифференциальные. Преобразователи второй группы имеют подвижную и не-подвижную обкладки, разделенные воздушным зазором. Перемещение подвиж­ной обкладки приводит к изменению полезной площади обкладок или воздуш­ного зазора между ними. Дифференциальные преобразователи содержат два конденсатора, емкости которых изменяются с разным знаком при перемещении подвижной обкладки. Несмотря на некоторое усложнение конструкции такие схемы обладают более высокой чувствительностью и линейностью характерис­тики, а также имеют меньшую зависимость точности измерений от источника питания и изменения влажности и температуры окружающей среды [2, 32]. Структуры недифференциальных и дифференциальных преобразователей и принцип их действия аналогичны рассмотренным схемам ФПП (см. гл. 2).

Емкость дифференциального преобразователя, действие которого основано на изменении зазора между параллельными обкладками, определяется выраже­нием

где С — емкость, — диэлектрическая проницаемость;S — полезная площадь обкладок; —зазор между ними. Емкостное сопротивление в этом случае

где— круговая частота питающего напряжения переменного тока. Из срав­нения (4.1) и (4.2) следует, .что емкость преобразователя является нелинейной,а эквивалентное сопротивление — линейной функцией зазорамежду обклад­ками конденсатора преобразователя, а значит, и измеряемого перемещения. Различные варианты построения емкостных преобразователей перемещений,

работающих в соответствии с рассмотренными принципами действия, в доста­точной степени просты, обладают известными достоинствами и недостатками, широко освещенными в многочисленной литературе [1—7, 32, 33], и в дальней­шем рассматриваться не будут.

Более широкое применение в устройствах автоматики и вычислительной тех­ники благодаря своей высокой точности и стабильности, а также линейности выходной характеристики находят фазовые емкостные преобразователи пере­мещений или, иначе, емкостные фазовращатели (ЕФВ).

Конструктивно ЕФВ состоят из электромеханического узла, воспринимаю­щего и преобразующего входное перемещение, и электронной схемы. Электро­механический узел ЕФВ представляет собой совокупность как минимум двух или, в общем случае, п одинаковых электростатических генераторов (модуля­торных звеньев), роторы которых конструктивно объединены между собой. В каждом электростатическом генераторе на смежных, обращенных друг к другу поверхностях соосных цилиндров нарезано одинаковое число зубцов и впадин (могут чередоваться электропроводные участки и участки из диэлектрика) [33, 32]. Ротор и статор каждого генератора разделены воздушным промежут­ком и образуют конденсатор, емкость которого зависит от взаимного располо­жения зубцов. При перемещении ротора происходит периодическое изменение емкости преобразователя (по закону амплитудной модуляции перемещением).

Амплитуда этих изменений составляет, как правило, несколько пикофарад Для преобразования модуляции емкости в электрическое напряжение ротор электрически соединен с корпусом преобразователя, а к ста­тору через резистор подведено постоянное напряжение. Такого рода система и представляет собой электростатический генератор.

Генератор, статор которого неподвижен, служит для формирования сигнала опорной фазы. При повороте подвижного статора на некоторый угол относи­тельно неподвижного происходит сдвиг фазы напряжения. Пространственный сдвиг фаз статоров отражается в фазовом сдвиге двух или нескольких синусо­идальных напряжений [2, 4, 32, 33].

Конструктивно ЕФВ может быть выполнен не только цилиндрическим, но и плоским. В плоском преобразователе пластины статора расположены в одной плоскости. Число их и соединение аналогичны цилиндрическому. Ротор выпол­нен в виде фигурной пластины и расположен соосно и параллельно статору. Профиль ротора выполняется фигурным для соблюдения закона изменения емкости.

В зависимости от числа фаз питания различают ЕФВ с многофазным и однофазным питанием.

Одним из вариантов построения ЕФВ с многофазным питанием является представленная на рис. 4.1 схема ЕФВ с трехфазным питанием, где первичный преобразователь подключается непосредственно к источнику питания.

Сигнал от источника питания ГНЧ поступает на фазорасщепитель ФРН, с выхода которого снимаются три на­пряжения вида (2.3). Эти напряжения подаются на роторные пластины.

Емкости между пластинами стато­ра и ротора преобразователя определи-

ются выражениями, аналогичными (2,2), т. е.

Выходное напряжение преобразователя после несложных преобразований нетрудно привести к виду

Следовательно, амплитуда выходного сигнала преобразователя постоянна, а фаза линейно зависит от перемещения 0.

Нетрудно видеть, что с учетом изложенного можно построить достаточное количество вариантов ЕФВ, структурные схемы которых будут аналогичны приведенным в гл. 2.

Для повышения точности преобразования ЕФВ вводится электрическая ре­дукция. Существует два способа ее получения: путем увеличения количества пластин статора и соответственно числа периодов синусоиды ротора и путем увеличения только числа периодов синусоиды ротора.

При первом способе число пластин статора берут таким, чтобы его отно­шение к числу периодов синусоиды ротора было кратным 3/2 или 3, если объ­единить пластины в группы. Электрическая редукция определяется как

исходя из условия, что при заданном максимальном угле поворота ротора Q_тах электрический угол не должен превышатьЭто условие следует из не­обходимости обеспечения синхронизма работы ЕФВ. Так, если задано=30°, то н ротор должен содержать шесть периодов синусоиды, а статор

должен иметь девять пластин, соединенных в три группы по три пластины.

Применение второго способа повышает редукцию только в 2 раза, так как дальнейшее увеличение числа периодов синусоиды ротора приводят к уменьше­нию амплитуды выходного сигнала. При этом надо помнить, что для трехфаз­ных ЕФВ число периодов синусоиды ротора не должно быть кратным трем, поскольку иначе ротор становится симметричным статору и выходной сигнал будет равен нулю.

Применяя первый способ, например, для трехфазной схемы ЕФВ (см. рис. 4.1), получим выходной сигнал вида

т. е. фаза выходного напряжения линейно зависит от угла поворота ротора, увеличенного в л раз, причем электрическая редукция может достигать не­скольких десятков. Но следует помнить, что увеличение электрической редукции приводит к снижению предела изменения углового перемещения 6 и, следова­тельно, такой ЕФВ может использоваться для преобразования небольших угло­вых перемещений или как точный отсчет в многоотсчетных преобразователях.