ЭиУСУ / ЛИТЕРАТУРА_ЭиУСУ / Маханько_Элементы и устройства систем управления

Тема 16. Датчики крутящего момента

Измерение крутящего момента MKP необходимо для определения мощно-

сти передаваемой валом от привода к нагрузке N = M KP ×ω , где ω – круговая ча-

стота (скорость вращения вала) в рад/с при исследовании, а в некоторых случаях и при эксплуатации, механизмов.

Измерение крутящего момента на валу основывается на том, что при пере-

даче момента вал деформируется (скручивается). Угол закрутки вала

/9/.

Фактически измерение крутящего момента сводится к измерению угла за-

крутки вала. Обычно валы проектируются достаточно жесткими и углы закрутки для реальных валов составляют единицы и доли угловой минуты. Измерение та-

ких малых деформаций представляет собой сложную техническую задачу. До-

полнительная существенная сложность состоит в том, что измерять необходимо деформацию вращающегося вала, а информация о ней должна быть передана на аппаратуру, установленную на корпусе машины.

Измерение малых деформаций может быть реализовано с помощью тензо-

метрических датчиков (см. рис 143 д) наклеиваемых на вал. Остается сложная проблема подачи питания на вращающийся вал и, особенно, передачи измери-

тельных сигналов с вращающегося вала на корпус машины. Для решения этой проблемы, используя возможности современной микроэлектронной базы, можно на вращающемся валу разместить предусилители информационного сигнала и средства передачи питания на вал и передачи сигнала на корпус машины (рис. 146).

212

2

1

2

4

В

Рис. 147.

Индуктивный датчик крутящего момента.

ферромагнитного материала, есть зубцы, расположенные в осевом направ-

лении. При повороте роторного кольца воздушные зазоры между зубцами ста-

торного и роторного колец изменяются, что приводит к дифференциальному из-

менению магнитного сопротивления между роторным кольцом и каждым из ста-

торных колец.

На основании механизма соосно с валом установлен неподвижный магни-

топровод 6, в кольцевых пазах которого размещены две обмотки 7 и 8. Магнит-

ный поток, создаваемый обмоткой 7, проходит через левую часть неподвижного магнитопровода, через левый кольцевой воздушный зазор на левое статорное кольцо, через воздушные зазоры между зубцами статорного и роторного колец и замыкается через средний кольцевой воздушный зазор между роторным кольцом и неподвижным магнитопроводом. Магнитный поток, создаваемый обмоткой 8,

214

проходит через правую часть неподвижного магнитопровода, через правый кольцевой воздушный зазор на правое статорное кольцо, через воздушные зазо-

ры между зубцами статорного и роторного колец и замыкается через средний кольцевой воздушный зазор между роторным кольцом и неподвижным магнито-

проводом.

По магнитной схеме этот датчик аналогичен двухтактному индуктивному датчику, рассмотренному в соответствующей главе.

Заключение

В пособии рассмотрены только датчики механических величин – переме-

щения, скорости, ускорения, усилия и крутящего момента. Кроме датчиков об-

щего применения представлены некоторые виды датчиков применяемых в си-

стемах управления подвижными объектами, в частности летательными аппара-

тами. В работе рассматриваемых датчиков использованы хорошо исследованные физические явления, конструкция традиционных датчиков много лет совершен-

ствуется, они давно освоены промышленностью и поэтому широко применяют-

ся.

В связи с развитием техники, в первую очередь микроэлектроники, появ-

ляются датчики, использующие другие физические явления для получения ин-

формации о перемещениях. Все более широкое распространение получают дат-

чики с использованием эффекта Холла и магниторезисторы /13/. В этих датчиках исключаются подвижные контакты, возможна эффективная миниатюризация.

Такие датчики снабжаются встроенными электронными схемами усилителей,

поскольку первичные сигналы имеют малую величину. Современное состояние микроэлектроники позволяет включать в конструкцию датчиков преобразовате-

ли сигналов в цифровую форму, что облегчает их применение в цифровых си-

стемах управления.

215

Возможность широкого внедрения в состав конструкции миниатюрных электронных схем позволяет реализовать идею «интеллектуальных датчиков»,

которые кроме операций измерения заданного параметра могут производить:

- первичную обработку сигнала – фильтрацию, нормализацию, статистиче-

скую обработку, - коррекцию статической характеристики, в частности линеаризацию, в со-

ответствии с хранящейся в памяти зависимостью, - содержат специальные средства для выполнения самоконтроля, тестиро-

вания, с выдачей сигнала готовности или сигнала неисправности в управляю-

щую ЭВМ системы,

-защиту датчика при отклонении от номинальных значений параметров источника питания и от короткого замыкания по выходу,

-реализации стандартных портов ввода-вывода данных (USB, CAN, RS232 и другие).

Для реализации этих возможностей в состав интеллектуального датчика входит микроконтроллер. Новое поколение датчиков отличается высокой надежностью и большим сроком службы. Изготовление датчиков с использова-

нием технологии микроэлектроники существенно снижает их стоимость при массовом производстве.

При включении в систему управления интеллектуальных датчиков упро-

щается создание системы, появляется возможность повысить точность и надеж-

ность системы, реализовать дополнительные функции (самоконтроль, защиту).

Но при использовании интеллектуальных датчиков может возникнуть проблема,

связанная с тем, что реализация дополнительных возможностей дает задержку выдачи информации. Поэтому при создании динамичных, быстродействующих систем необходима оценка соответствующими методами теории автоматическо-

го управления влияние этого запаздывания на устойчивость и качество системы.

216

Для успешного использования интеллектуальных датчиков необходимо обладать определенными знаниями по микропроцессорной технике в дополне-

ние к той информации, которая представлена в настоящем пособии.

Кроме рассмотренных в пособии датчиков механических величин в техни-

ке находят применение датчики для получения информации о самых разнооб-

разных немеханических процессах: давления, расхода жидкости или газа, темпе-

ратуры, освещенности, параметров радиоактивного излучения, состава вещества,

концентрации вещества в составе среды и многие другие. Часто в конструкции подобных датчиков в качестве составной части применяются датчики перемеще-

ния. Так в датчиках давления деформация под действием давления упругого элемента конструкции (мембраны, сильфона) преобразуется в электрический сигнал с помощью датчика перемещения, являющегося таким образом частью датчика давления.

Для знакомства с этими датчиками и их изучения следует использовать со-

временную техническую литературу и возможности Интернета.

217

Список литературы

1 Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления. Учебник для сред. проф. образования.- М.: Издательский центр

«Академия»,2004.

2 Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами.

М., «Машиностроение», 1973.

3Постоянные магниты. Справочник под редакцией Пятина Ю.М. М., «Энергия», 1980.

4Кухлинг Х. Справочник по физике: пер с нем. – М.: Мир, 1982.

5Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для инженеров и научных работников. М., «Наука», 1968.

6Келим Ю.М. Электромеханические и магнитные элементы си-

стем автоматики. – М., «Высшая школа», 1991.

7 Левшина Е.С., Новицкий П.В., Электрические измерения фи-

зических величин: (Измерительные преобразователи). Учебное пособие для вузов. – Л.; Энергоиздат. Ленигр. отд-ние, 1983.

8Бабаева Н.Ф., Ерофеев В.М. и др. Расчет и проектирование элементов гироскопических устройств. Л., «Машиностроение», 1967.

9Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, «Наукова думка», 1975.

10Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.П., Польщиков Г.В. Ис-

точники и приемники излучения – СПб.: Политехника, 1991.

11Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. приемники оптического излучения. Справочник.- М.: Радио и связь, 1987.

12Парволюсов Ю.Б., Родионов В.П., Солдатов В.П. Проектиро-

вание оптико-электронных приборов.- М.: Логос, 2000.

13 Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техно-

сфера 2005.

14 Кулик А.С. Основы теории и расчета потенциометрических датчиков. Харьков: ХАИ, 1983.

218