ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

Лабораторная работа № 3б

ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА УГЛА ПОВОРОТА

Цель работы: изучение конструкций датчиков угла поворота, схем их включения и статических характеристик, связывающих выходной сигнал с входным углом перемещения.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Датчики угла поворота нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в том числе и в горной, для определения углов поворота, например, режущих органов добычных и проходческих машин, барабанов для навивки тросов скиповых и клетьевых подъемных машин и т.д.

В данной работе исследуется емкостный датчик угловых перемещений. Емкостный датчик угла поворота представляет собой многопластинчатый переменный конденсатор, позволяющий измерять входное угловое воздействие в пределах 0-180⁰. В основе его работы положено изменение емкости под воздействием изменяющейся площади перекрытия пластин.

Принцип работы датчика поясняется рисунком, расположенным на лицевой панели щита лабораторной работы. Многопластинчатый статор датчика закреплен неподвижно, а многопластинчатый ротор может поворачиваться, изменяя площадь перекрытия пластин от нуля до полного вхождения пластин ротора в пластины статора.

Емкость С такого датчика изменяется в соответствии с выражением

, (1)

где С₀ – начальная емкость преобразователя;  - относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами датчика (для воздуха 1);  - угол поворота подвижных пластин датчика относительно неподвижных (входное воздействие);  - изменение площади перекрытия пластин на единицу угла поворота; d – расстояние между пластинами (или толщина диэлектрика).

Емкость С₀ определяется из выражения

, пФ (2)

где S₀ – действующая площадь пластин конденсатора при угле поворота многопластинчатого ротора, равном нулю, см².

Относительное изменение емкости, характеризующее коэффициент преобразования датчика, составит

, (3)

где S =  (n-1) – приращение действующей площади пластины конденсатора, см².

Величины С₀ и С измеряются в пикофарадах (1пф=10^-12Ф). Выходное сопротивление датчика, определяемое как 1/С, где  = 2f, даже на высоких частотах f достаточно велико (порядка 50-100 кОм), а выходная мощность настолько мала, что на нем не возможно без применения усилителя измерить падение напряжения даже вольтметром с очень большим входным сопротивлением. Поэтому емкостные датчики подобного типа используются, как правило, в комплекте с усилителем и соединяются с ним во избежание наводок экранированным проводом или коаксиальным кабелем.

Достоинства емкостных датчиков угла поворота: высокая чувствительность; простота конструкции и возможность за счет соответствующего выбора формы подвижной и неподвижной частей получать заданную функциональную зависимость между изменением емкости и входным угловым перемещением; малая инерционность.

Недостатки датчика: большое внутреннее сопротивление и необходимость питания током высокой частоты; необходимость тщательной экранировки для уменьшения влияния внешних электрических полей паразитных ёмкостей.

Для исследования в лабораторной работе представлен емкостной датчик со следующими параметрами: n = 15; d = 0,3;  = 1. Величины С₀, С,  определяются экспериментально.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Исследовать параметры емкостного датчика угла поворота.

1.1. Собрать схему в соответствии с рис. 1. В качестве вольтметра можно использовать вольтметр В3/33, а в качестве генератора – генератор ГНЧ.

1.2. Установить на генераторе выходное напряжение 10В частотой 10 кГц.

1.3. Вращением ротора конденсатора (с помощью ручки на стенде) от 0 до 180⁰ через 15⁰ (через 10 делений по вращающейся шкале) снять зависимость падения напряжения на резисторе R от угла поворота ротора, т.е. U_R = f(). Для измерения установить на вольтметре диапазон 100мВ.

1.4. Рассчитать параметры емкостного датчика угла поворота: C = f(), С₀, С, S₀, S, . Расчет выполнять в следующей последовательности:

• определить ток I_c, протекающий через конденсатор, I_c = U_R /R. Величина R = 308 Ом;

• рассчитать значение емкости С при каждом измерении величины U_R

, пФ

где U_г = 10В, f = 10⁴ Гц – амплитуда и частота питающего напряжения генератора ГНЧ;

• рассчитать по выражению (2) величину S₀, учитывая, что при  = 0 С = С₀. Значение d = 0,03 см.

• вычислить значения С как разность между последующим и предыдущим значением рассчитанных величин емкости С. Например:

• рассчитать приращение действующей площади пластин S конденсатора из выражения

, см²;

• вычислить изменение площади перекрытия пластин конденсатора на единицу угла поворота ротора, пользуясь выражением

,

где d = 0,03 см,  = 15⁰, n = 15.

Данные измерений занести в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

измерить		рассчитать
, град	UR, В	Ic, мА	С, пФ	С, пФ	S, см2	S, см2	, см2/град
0
15
...
180

2. Исследовать мостовую схему включения емкостного датчика угла поворота.

2.1. Собрать схему в соответствии с рис. 2. Подключение датчика С с резистором к схеме моста выполнить короткими проводами.

2.2. Напряжение питания мостовой схемы – 10В частотой 10кГц. Диапазон измерения вольтметра – 100мВ.

2.3. Вращая ротор конденсатора от 0 до 180⁰ через 15⁰ снять зависимость выходного напряжения моста от угла поворота ротора U_в = f().

2.4. Увеличить на генераторе на 1%, т.е. на 100 Гц, частоту питающего напряжения мостовой схемы и вновь снять характеристику U_в = f(), действуя в соответствии с п. 2.3.

Все данные занести в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

измерить				рассчитать
, град	Uв = f(), мВ, при Uг = 10В, f = 10кГц	Uв/ = f(), мВ, при Uг = 10В, f = 10,1кГц	Uв// = f(), мВ, при Uг = 9,9В, f = 10кГц	y, мВ/град	f, %	U, %
0
15
...
180

Чувствительность мостовой схемы y и относительные погрешности при изменении частоты f и амплитуды U питающего напряжения вычислить по формулам

,

где U_в2 и U_в1 - последующее и предыдущее значения U_в при изменении  на 15⁰.  = 15⁰;

100, %;

100, %.

2.5. Выключить вольтметр и генератор. Разобрать схему.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Схемы включения датчика.

2. Таблицы экеспериментальных и расчетных данных.

3. Характеристики U_R = f();С = f() и S = f() для емкостного датчика угла поворота.

4. Характеристики U_в = f();U_в^/ = f() и U_в^// = f() для мостовой схемы включения емкостного датчика угла поворота.