fopi / Лабораторная работа

Лабораторная работа «Параметрические индуктивные датчики для контроля малых перемещений»

Цель работы:

• ознакомится с принципом работы индуктивных датчиков;

• изучить устройство и принцип действия лабораторной установки;

• определить нелинейность характеристики датчиков;

• определить чувствительность датчиков.

1 Основные теоретические положения

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на изменении их индуктивности под влиянием механических перемещений ферромагнитного сердечника. Эти преобразователи применяются лишь на переменном токе, величина которого изменяется при изменении индуктивности преобразователя.

Без учета реактивного сопротивления, обусловленного потерями на вихревые токи и гистерезис, индуктивность катушки с сердечником равна:

,

где W – число витков катушки; Ф – магнитный поток; I – ток катушки.

Учитывая, что , получим . Известно, что магнитное сопротивление равно

,

где ,, – соответственно длина, магнитная проницаемость и сечение i-го участка магнитной цепи.

Комплексное сопротивление индуктивного преобразователя выражается формулой

Из этой формулы видно, что комплексное сопротивление Z связано с перемещением сердечника (измерением ) гиперболической зависимостью, т. е. характеристика преобразователя нелинейна. Это можно увидеть на рисунке 1 (Z₁, Z₂).

Рисунок – 1 Характеристики датчиков

Нелинейность характеристики значительно уменьшается, а чувствительность возрастает при использовании дифференциального преобразователя, в котором сердечник расположен симметрично относительно двух одинаковых катушек. Изменения магнитных сопротивлений, происходящие под воздействием измеряемой величины, имеет противоположные знаки для этих катушек. Это увеличивает линейный участок в 4 раза (Рис. 1).

2 Описание лабораторной установки

Функциональная схема лабораторной установки представлена на рисунке 2. Перемещение воспринимается измерительными штоками индуктивных датчиков 1. Датчики через коммутирующее устройство 2 подают сигналы измерительной информации на усилитель 3 с коэффициентом усиления равным К. С усилителя 3 сигнал измерительной информации поступает на фазочувствительный детектор 4, где преобразуется в постоянное напряжение, зависящее от перемещения штока индуктивных датчиков. Данное напряжение регистрируется при помощи цифровой измерительной панели напряжения 5. Питание индуктивных преобразователей и фазочувствительного детектора осуществляется от высокочастотного генератора 6. Питание усилителя, фазочувствительного детектора, измерительной панели и высокочастотного генератора осуществляется при помощи блока питания 7. Все блоки, кроме индуктивных датчиков размещены в едином корпусе.

Рисунок – 2 Функциональная схема лабораторной установки

Общий вид лабораторной установки представлен на рисунке 3.

Индуктивные преобразователи 2, 7 закрепляются в кронштейнах 1, 8 стоек 4 и 6 соответственно и соединяются гибкими проводами с измерительным блоком 9. Начальная установка преобразователя 2 выполняется при помощи гайки 5 (грубо) и винта точного перемещения 3 (тонкая установка). Установка индуктивных преобразователей 7 осуществляется гайкой 9 и фиксируется винтом 10. Для питания измерительного блока 11 используется блок питания 13 предназначенный для включения в сеть с напряжением 220В. Для включения установки служит четырехпозиционный переключатель 12.

Для выбора индуктивного датчика следует повернуть ручку переключателя 12 (рис. 4) по часовой стрелке в одно из трех положений. Первое положение соответствует датчику 1 (Датчик №1 – БВ-844), второе - БВ-844, третье – мод 223. Подстройка датчиков осуществляется при помощи ручки переменного резистора 14 (рис. 4).

Включенному состоянию соответствует световая индикация одного из светодиодов 15 (Рис. 4), одновременно обозначающего работу датчика перемещения (желтый - датчик №1,мод. 223; красный - датчик №2,БВ-844; синий - датчик №3, мод. 223).

12

Рисунок – 3 Лабораторная установка. Общий вид (см. обозначения в тексте)

15

14

14

12

Рисунок – 4 Лабораторная установка. Блок измерения (см. обозначения в тексте)

Техника безопасности

1. В лаборатории за технику безопасности несут ответственность преподаватель и лаборант.

2. Студенты должны знать и строго соблюдать настоящую инструкцию, выполнять только ту работу, которая поручена ему преподавателем или лаборантом после предварительного объяснения о безопасных приемах работы.

3. В процессе выполнения работ от студентов требуется соблюдать организованность, не отвлекаться посторонними делами, разговорами и не отвлекать других.

4. В случае получения травмы прекратить работу, известить об этом преподавателя и обратиться за оказанием медицинской помощи.

5. Заметив нарушение инструкции другими работающими или опасность для окружающих, не оставаться безучастными, предупредить работающего и преподавателя о необходимости соблюдения требований, обеспечивающих безопасность работы.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с установкой, ее устройством и принципом действия.

2. Прочитать инструкцию по технике безопасности на рабочем месте.

3. Произвести включение измерительного устройства к сети питания 220 В.

4. С помощью переключателя 12 на измерительном блоке 11 перевести установку во включенное состояние, выбрав датчик №1.

5. Под наконечник датчика 2 поместить плоскопараллельную меру размером 1 мм.

6. С помощью гайки 5 и винта 3 добиться касания наконечника датчика с поверхностью меры, причем шток датчика должен располагаться примерно посередине полного его хода.

7. Потенциометром 14 возможна регулировка индуцируемого значения в небольших пределах для удобства отсчета. Внимание, в процессе измерения для одного датчика после начальной установки регулировка запрещена!

8. Подготовить набор концевых мер 1-1.5 мм с шагом 0,05 мм .

9. Записать показания индикатора при каждой замене концевой меры начиная от 1 мм.

10. Аналогично записать показания индикатора с датчиками №2 и №3. Для пункта 6 аналогично используется гайка 9 и стопорный винт 10.

11. Произвести расчет нелинейности характеристики по ниже приведенной методике:

• Значение каждого контролируемого интервала:

,

где а_i и a_i-1 – текущий и предыдущий отсчеты на индикаторе измерительного блока, соответствующие концевым мерам А_i и A_i-1 последовательно подкладываемых под наконечник прибора.

• Среднее значение интервала:

,

где а_о – начальный отсчет по индикатору измерительного блока, соответствующим наименьшему размеру блока концевых мер А_о;

а_n – последний отчет по индикатору, соответствующий наибольшему размеру блока концевых мер А_n;

K – число измеренных интервалов (К=n-1).

• Отклонение значения каждого интервала от среднего:

• Накопление погрешности (последовательные суммы полученных отклонений):

• Нелинейность характеристики С в процентах:

,

где – наибольшая по абсолютному значению накопленная погрешность.

12. Занести полученные результаты в таблицу. Вид таблицы для занесения экспериментальных результатов разработайте самостоятельно.

13. Рассчитать местную чувствительность для каждого интервала интервалов по формуле:

14. Рассчитать среднюю чувствительность по формуле:

15. Рассчитать непостоянство местной чувствительности:

16. Построить график нелинейности характеристики. По оси абсцисс откладывают значения размеров концевых мер, а по оси ординат показания индикатора. Характеристики стоят на одном графике для каждого из датчиков.

Контрольные вопросы

1. Почему индуктивные преобразователи работают на переменном токе?

2. С чем связана нелинейность индуктивного преобразователя?

3. В чем преимущество дифференциального индуктивного преобразователя?

4. Принцип работы лабораторной установки.

Литература

1. Левшина Е. С., Новицкий, П. В.: Электрические измерения физических величин (измерительные преобразователи). Учеб. Пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. 320 с.: ил.

2. Аж Ж. Датчики измерительных систем: в 2-х кн. / Пер. с французского под ред. Обухова А.С. – М.: Мир, 1992. – 480 с.: ил.

3. Иванников Д.А., Фомичев Е.Н. Основы метрологии и организации метрологического контроля: Учеб. Пособие. – Нижний Новгород, 2001. – 326 с.