ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

Переменные (синусоидальные) потоки Ф1 и Ф2 наводят в обмотках W1 и

W2 ЭДС

E1 = W1 ×ω × F1 × Sin(ωt) = K (a00 - x)Sin(ωt)

E2 = W2 ×ω × F2 × Sin(ωt) = K (a00 + x)Sin(ωt)

В качестве выходного сигнала датчика принимаем разность Е2-Е1, для чего сигнальные обмотки включаем встречно:

Статическая характеристика датчика показана на рис.53. Чтобы оставались справедливыми допущения 2,3,4 перемещение х не должно превышать а00.

ЕВЫХ

х

Рис. 53

Статическая характеристика трансформаторного датчика.

Если сопротивление нагрузки конечное, то по сигнальным обмоткам будет протекать ток нагрузки и его надо учитывать при расчете характеристики датчи-

ка.

Трансформаторные датчики могут иметь разнообразные магнитные схемы в зависимости от решаемой задачи – величины и вида перемещения (линейное или угловое).

91

При конструировании индуктивных датчиков необходимо принимать спе-

циальные меры, уменьшающие величину активных потерь в магнитопроводе,

вызываемых токами Фуко, поскольку магнитный поток переменный. Для этого магнитопроводы индуктивных датчиков выполняют шихтованными (набранны-

ми из тонких листов или стержней ферромагнитного материала электрически изолированных друг от друга) или применяют специальные ферромагнитные ма-

териалы с большим удельным электрическим сопротивлением (ферриты, карбо-

нильное железо и т.п.).

Достоинства индуктивных датчиков

- отсутствие электрических цепей на подвижной части датчика и скользя-

щих контактов, что обеспечивает высокую надежность и срок службы;

-большая амплитуда и мощность выходного сигнала;

-конструктивная гибкость, позволяющая создавать датчики для измерения как малых, так и больших линейных и угловых перемещений;

-высокая устойчивость к перегрузкам, вибрации и ударам;

-устойчивость к климатическим воздействиям – температуре, давлению и влажности среды;

-устойчивость к воздействию проникающей радиации.

Недостатки индуктивных датчиков

-большой вес и габариты;

-существенное обратное воздействие;

-работа только на переменном токе.

4.4 Индукционные рамочные датчики перемещений

Если величина обратного воздействия в проектируемом датчике должна быть минимальной, эффективными могут оказаться индукционные рамочные

92

датчики перемещений. Простейшая схема рамочного датчика показана на рис.54а.

а

Eх

х

b

в

Рис. 54.

Индукционный рамочный датчик с одной сигнальной обмоткой.

Принцип действия рамочного датчика основан на том, что в рабочем воз-

душном зазоре, в котором возбуждено переменное магнитное поле, перемещает-

ся вторичная обмотка в виде рамки. Величина ЭДС, наводимая в рамке, опреде-

ляется потоком, проникающим в эту рамку:

где В=В(t)=ВmSin(ωt), W – число витков обмотки, S – часть площади рамки, про-

низываемая магнитным потоком. На рис.54б видно, что при перемещении рамки в направлении ±х величина площади магнитного потока, захватываемая рамкой

S = a × x

93

В рамке наводится ЭДС E(t) = -WBm × a × x × Sin(ωt) , амплитуда которой зависит от перемещения х.

Поскольку фаза наводящейся в обмотке ЭДС остается неизменной при пе-

ремещениях рамки статическая характеристика рассмотренного варианта датчи-

ка (рис.54в) является однотактной (нереверсивной).

Обеспечение двухтактности (реверсивности) статической характеристики возможно двумя способами. Первый способ заключается в размещении в одном рабочем воздушном зазоре двух жестко связанных между собой рамок (рис.55а).

В нейтральном положении подвижной системы площадь рамок, пронизываемая магнитным потоком S1 и S2, одинакова. При смещении рамок в направлении ±х

величина магнитного потока через рамки дифференциально изменяется, что приводит к изменению наводимых в них ЭДС Е1 и Е2. Поскольку фазы ЭДС в обоих обмотках совпадают, для получения двухтактной статической характери-

стики входной сигнал датчика формируется как разность генерируемых в обмот-

ках ЭДС (рис.55б).

х

Рис.55

Индукционный рамочный датчик с двумя сигнальными обмотками.

По второму способу магнитопровод имеет два рабочих воздушных зазора,

в которых располагается одна обмотка в виде рамки (рис.56а). В нейтральном положении величины магнитных потоков, проходящих через рамку в левом и

94

правом воздушных зазорах одинаковы. Следовательно, одинаковы будут ампли-

туды наводимых в рамке ЭДС от правого и левого потока. Поскольку потоки,

проходящие через рамку в левом и правом воздушных зазорах, всегда направле-

ны встречно, две ЭДС в рамке будут генерироваться в противофазе (со сдвигом фаз равном 1800) (рис.56б). При смещении рамки одна из ЭДС будет преобладать по величине, что обеспечивает формирование двухтактной статической характе-

ристики.

х

S1 S2

Рис. 56.

Двухтактный индукционный рамочный датчик с одной сигнальной обмоткой.

При расчете конструктивных параметров датчика необходимо учитывать,

что для свободного перемещения рамки между рамкой и поверхностями магни-

топровода образующими рабочий воздушный необходимо предусматривать тех-

нологический зазор не менее 0,1 – 0,2 мм с каждой стороны. Это увеличивает

95

воздушный зазор и требует более мощного возбуждения для создания магнитно-

го поля.

Основное достоинство рамочных датчиков – возможность обеспечить ма-

лую величину обратного воздействия датчика. Сила обратного воздействия определяется величиной тока в сигнальной обмотке (в рамке) и если использо-

вать в качестве приемника сигнала устройство с большим входным сопротивле-

нием, можно существенно уменьшить ток сигнальной обмотки и, соответствен-

но, силу обратного воздействия.

К недостаткам рамочных датчиков следует отнести наличие электрических цепей на подвижной части датчика, что усложняет его применение и может при-

водить к снижению надежности.

Тема 5. Емкостный датчик перемещения

В емкостных датчиках используется зависимость электрического парамет-

ра - емкости конденсатора от механических и других факторов. Для плоского конденсатора с параллельными пластинами предположим, что поле равномерное и сосредоточено между пластинами (рис.57). При этом пренебрегаем полями рассеяния и выпучиванием поля на границах пластин (аналогично допущениям о характере магнитного поля при рассмотрении индуктивного датчика (рис.39, 40, 41)). В этом случае емкость конденсатора вычисляется по формуле

96

Для получения информации о перемещении можно использовать измене-

ние расстояния между пластинами, площади перекрытия пластин или изменение свойств среды /13/.

d

S

Рис. 57.

Плоский конденсатор.

Получение электрического выходного сигнала при изменении емкости конденсатора (что приводит к изменению реактивного сопротивления) можно обеспечить с помощью схем, аналогичным схемам, использованным в индуктив-

ных датчиках (рис. 38, 44, 46).

Рассмотрим датчик уровня топлива в баке на основе емкостного дат-

чика. В топливном баке вертикально установлен конденсатор, обкладками которого являются две концентрические тонкостенные трубки (рис. 58).

2 ln(r1 / r2 )

Здесь L – длина цилиндра, r1 и r2 – радиусы внешней и внутренней трубки соответственно.

Пространство между трубками до высоты Н занимает жидкость, а

остальную часть воздух и пары жидкости. Жидкое авиационное топливо

(керосин) имеет относительную диэлектрическую проницаемость εТ ≈ 20, а

97

U~

Рис. 58.

Система измерения уровня топлива с емкостным датчиком.

воздух εВ = 1. Таким образом, датчик представляет собой два параллельно

включенных цилиндрических конденсатора: длиной Н с жидким диэлектриком

(топливом) и длиной L-H c воздушным диэлектриком.

Суммарная емкость этих конденсаторов

линейно зависит от уровня топлива в баке Н.

Датчик включен в мостовую схему, в которой присутствует конденса-

тор переменной емкости Cα. Сигнал с диагонали моста через усилитель пода-

ется на двигатель, поворачивающий ротор конденсатора переменной емко-

сти и постоянно балансирующий мост. В результате угол поворота ротора α конденсатора переменной емкости соответствует уровню топлива в баке.

Поскольку практический интерес представляет информация не об уровне топлива, а о количестве (объеме) топлива в баке, то для баков слож-

ной формы используют датчики, у которых зависимость емкости СН от уровня топлива специально сделана нелинейной с таким расчетом, чтобы

угол поворота ротора конденсатора переменной емкости соответствовал

98

количеству топлива. Для этого в цилиндрических трубках (обкладках конден-

сатора) изготавливаются определенным образом рассчитанные вырезы,

обеспечивающие необходимую нелинейность.

Основное достоинство емкостных датчиков – малая величина обратного воздействия, возможность измерения малых перемещений (до единиц и долей микрометра).

Основной недостаток – малая номинальная величина емкости (до сотен пикофарад), что требует применения повышенной частоты питания, увеличивает влияние паразитных емкостей (например, емкости монтажа) на процесс измере-

ния.

Тема 6. Оптоэлектронный аналоговый датчик перемещения

Принцип действия оптоэлектронного аналогового датчика перемещения основан на изменении светового потока, поступающего на фотоприемник, при перемещении входного элемента (штока или вала) датчика. Схема датчика пока-

зана на рис.59.

x

x

2

1

b

Рис.59

Схема аналогового оптоэлектронного датчика перемещения.

99

Датчик включает в себя источник света 1, фотоприемник 2, неподвижную диафрагму 3 и подвижную шторку 4. Излучение от источника света поступает на фотоприемник через окно образованное неподвижной диафрагмой и подвижной шторкой. При перемещении подвижной шторки площадь открытой части окна изменяется, что приводит к изменению светового потока достигающего фото-

приемника. Фотоприемник преобразует полученный световой поток в электри-

ческий сигнал. Чем больше световой энергии достигает фотоприемника, тем больше величина сигнала. Для датчика показанного на рисунке 59 статическая характеристика будет иметь вид близкий к линейному (рис.60).

UВЫХ

х

а

Рис.60

Статическая характеристика аналогового оптоэлектронного датчика перемещения.

Количество световой энергии поступившей на фотоприемник определяется площадью проходного окна равной b × x (рис.59) и свойствами источника излуче-

ния.

В качестве источников излучения в настоящее время наиболее широко ис-

пользуются ИК-светодиоды, обеспечивающие достаточно мощное излучение при малых габаритах и высокой экономичности /10/.

В качестве фотоприемников для рассматриваемого вида датчиков наиболее часто используются фотодиоды и фототранзисторы. /11/

Фотодиоды могут использоваться в генераторном или в вентильном режи-

ме включения.

100