Лаб.раб.№3

16

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Кафедра технической эксплуатации авиационных электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов

В.В. Глухов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

по дисциплине

АВТОМАТИКА и УПРАВЛЕНИЕ

для студентов специальности 160903

всех форм обучения

Часть III

Исследование индукционных датчиков

Москва - 2006

ББК 6Ф6.5

Г55

Рецензент канд. техн. наук, доц. Ю.С.Соловьев

Глухов В.В.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Автоматика и управление". Часть 3. - М.:МГТУ

Данные методические указания издаются в соответствии с учебным планом для студентов специальности 160903 всех форм обучения.

Рассмотрены и одобрены на заседаниях кафедры 00.00.2006 г. и методического совета 00.00.2006 г.

Корректор С.А.Федюкова

ЛР №	от	,06.	г. Подписано	в печать ,	,00.	г.
Печать офсетная			Формат 60x84/16	1,0 уч.-изд.		л.
	усл.печ.л.		Заказ №	Тираж	250 экз.

Московский государственный технический университет ГА Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул.Пулковская, д.6а

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Датчиками систем автоматического управления (САУ) называются устройства или комплексы устройств, которые обеспечивают получение или преобразование первичной информации о физических величинах, характеризующих состояние объекта управления и его систем.

В отличие от приборов, снабжающих визуальной информацией человека-оператора, датчики выдают сигналы соответствующим блокам САУ для последующей их обработки и использования при решении задач регулирования и управления. Так, в САУ с обратными связями датчики сигналов совместно с элементами сравнения выдают информацию об ошибке или отклонении регулируемой величины от заданного уровня и преобразуют её в сигнал, удобный для дальнейшей обработки.

Как правило, входной сигнал датчика имеет одинаковую физическую природу с регулируемым параметром (линейное и угловое перемещение, частота вращения вала, давление, температура и т.д.), а выходной сигнал датчика является электрической величиной (ток, напряжение, частота).

Датчик первичной информации в общем случае состоит из воспринимающего чувствительного элемента и одного или нескольких промежуточных (дополнительных) преобразователей сигнала в электрическую величину. Если промежуточных преобразований входного сигнала не требуется (например, в термопаре, фотоэлементе и т.д.), то понятие датчик и чувствительный элемент совпадают.

При возникновении необходимости получения от датчика электрического выходного сигнала, пропорционального изменениям входного сигнала, кроме чувствительного элемента в датчике имеются дополнительные устройства, преобразующие промежуточный сигнал в электрический выходной сигнал. Такие промежуточные преобразующие устройства (например, потенциометрические преобразователи в датчиках давления) в инженерной практике тоже называют датчиками сигналов, так как они могут быть использованы как самостоятельные датчики при линейных или угловых перемещениях. В современных САУ, например, в автопилотах, датчиками являются целые подсистемы, то есть датчиками могут быть сложные устройства, состоящие из множества элементов.

Датчики электрических сигналов по принципу действия можно разбить на три группы:

1. параметрические (потенциометрические, индуктивные, емкостные и т.д.);

2. индукционные (индукционные, сельсинные, трансформаторные и т.д.);

3. генераторные (термопары, фотодатчики, пьезодатчики и т.д.).

Основными характеристиками датчиков являются:

статическая характеристика , которая показывает функциональную зависимость выходной величины от входной величины ;

коэффициент усиления или чувствительность:

,

который является отношением приращения выходной величины ∆ к приращению входной величине ∆;

порог чувствительности датчика, который определяется наименьшим изменением входной величины , которое вызывает изменение на величину большую, чем уровень шума на выходе датчика;

погрешности датчика, которые определяются величиной отклонения реальной статической характеристики от идеальной;

номинальная мощность, которая определяется максимально допустимой мощностью, длительно рассеиваемой в электрических цепях датчика без нарушения его нормальной работы;

мощность входного сигнала, которая определяется максимально допустимой мощностью без нарушения работы датчика.

Рассмотрим основные схемы включения датчиков.

Типовая нереверсивная схема включения параметрического датчика приведена на рис. В.1. Она состоит из источника питания и двух последовательно соединенных сопротивлений. Одно из них является сопротивлением нагрузки , с которого снимается выходное напряжение , другое сопротивление , относящееся непосредственно к датчику, изменяет свои параметры в зависимости от изменения измеряемой величины .

Рис.В.1. Типовая нереверсивная схема включения датчика.

Типовые реверсивные схемы включения датчиков возможны двух вариантов:

дифференциальные – с источниками питания на постоянном и переменном токах, представлены на рис.В.2; мостовые, представлены на рис.В.3.

Рис.В.2. Типовые дифференциальные схемы включения датчиков:

а – с источником на постоянном токе;

б – с источником на переменном токе.

Рис.В.3. Типовая мостовая схема включения датчиков с источниками на постоянном и переменном токах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование индукционных датчиков

Целью работы является излучение принципа действия и конструкции индукционных датчиков, снятие статических характеристик индукционных датчиков различного типа, определение коэффициентов передачи (чувствительности) индукционных датчиков.

Домашнее задание

1. Изучить принцип действия индукционных датчиков.

2. Изучить различные схемы включения дифференциальных датчиков.

3. Изучить методику проведения лабораторных работ.

Общие сведения

В автоматике широко применяются индукционные (взаимоиндукционные, трансформаторные) датчики (рис.3.1).Датчик, выполненный как реверсивное устройство, имеет одну обмотку питания, к которой подводится напряжение U~ и две выходные обмотки 3 и 4, включенные встречно, с которых снимается выходное напряжение Uвых.

При среднем положения якоря 1, т.е. когда α = 0, магнитное сопротивление слева от обмотки возбуждения и справа одинаковы и определяются зависимостью (3.1) при (т.к. кривизна якоря 1 и железа 2 одинакова) и для данного положения якоря ( α = 0) площадь S1 = S2. Здесь S1 и S2 - площади, перекрываемые якорем на левом и правом стержнях (считаем, что как и для индуктивного датчика магнитным сопротивлением железа можно пренебречь по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора).

В этом случае потокосцепление (или взаимная индуктивность) обмотки возбуждения WB с обмотками Wн1 и Wн2 одинаковое, поэтому наводимые в них ЭДС одинаковы по величине и противоположны по фазе (за счет встречного их включения). Диаграмма наводимых ЭДС в выходных обмотках для случая α = О за время полпериода Т/2 , показана на рис.3.2,а (здесь ω = 2π/T - круговая частота питающего напряжения U~).

Рис. 3.1. Индукционный датчик:

а - принципиальная схема;

б - статическая характеристика

Рис. 3.2. Диаграммы напряжений в индуктивном датчике (за период времени 0<t<Т/2);

а - α = 0;

б - α > 0

в - α < 0;

ЭДС, наводимая в обмотке W_н1 будет:

Е₁ = ωМ₁Iв (3.1)

а в обмотке W_н2

Е₂ = ωМ₂Iв (3.2)

где I_B - ток в обмотке возбуждения;

ω - круговая частота питающего напряжения;

М₁, М₂ - коэффициенты взаимоиндуктивности обмотки возбуждения Wв и обмоток W_н1 и W_н2.

При α = 0 M_н1 и М_н2 равны, следовательно E₁ = Е₂ и

Uвых = Е₁ - Е_2. = 0 (3.3)

При повороте якоря по (против) часовой стрелки коэффициенты М₁ и М₂ изменяются: один из них увеличивается (уменьшается), а другой уменьшается (увеличивается), поэтому ЭДС Е₁ и E₂ будут различны по величине и по фазе.

На рис. 3.2.б,в показаны диаграммы наведённых ЭДС в выходных обмотках соответственно для случая α > 0 и α < 0.

Величины ЭДС Е1 и Е2 определяются коэффициентами взаимоиндуктивиости

М₁= k₁S₁ (3.4)

и

М₂= k₂S₂ (3.5)

где k₁ и k₂ - коэффициенты пропорциональности;

S₁ и S₂ - площади, перекрываемые якорем на левом и

правом стержнях.

Выражения (3.1) и (3.2) с учетом (3.4) и 3.5 можно пере­писать

Е₁ = ω k₁ S₁Iв

и

Е₂ = ω k₂ S₂Iв

или

Uвых = Е₁ - Е₂ = ωIв(k₁ S₁ - k₂ S₂) (3.6)

Для определений выражения для статической характеристики датчика выразим (считается, что sinα≈α, т.е. α — мало)

S₁ = S₀ + hrα и S₂ = S₀ - hrα, (3.7)

где h - толщина набора пакета железа;

So - площадь перекрытия якоря 1 и железа при α = 0 (Хвх = 0).

r - радиус якоря.

С учетом выражения (3.7) при k₁ = k₂ = k₀ можно выражение (3.6) записать

U_вых = 2 k₀ ωIв hrα

или

U_вых = Кα (3.8)

где

К = 2 k₀ ωIв hr

Согласно выражению (3.7) статическая характеристика индукционного датчика линейна, однако это справедливо для α = (10- 12°) (см. рис. 3.1,б).

Разновидностью индукционных датчиков является датчик типа микросин, применяемый для преобразования угловых перемещении в электрический сигнал.

Принципиальная схема и электрическая схема приведена на рис. 3.3.

Магнитопровод микросина имеет вид кольца с четырьмя явно выраженными полюсами. Якорь, симметричный в виде двух выраженных полюсов с полюсной дугой равной 90°. На каждом полюсе размещены две катушки, одна из которых включена в первичную цепь, т.е. в цепь возбуждения микросина, а другая - в выходную цепь. Магнитный поток, создаваемый в полосах 1 и 2, имеет одно направление, а в полюсах 3 и 4 - противоположное. За нейтральное или нулевое положение якоря принимается такое положение, когда ось его находится под углом 45°к оси полюсов магнитопровода. При отклонения якоря на некоторый угол α относительно нейтрального положения, например, против хода часовой

Рис. 3.3. Микросин:

а - конструктивная схема;

б - схема соединения обмоток.

стрелки, усиливается горизонтальный магнитный поток и уменьшается вертикальный и, соответственно, ЭДС в катушках 1.3 - уменьшается, а в катушках 2,4 - увеличивается. В результате выходное напряжение станет отличным от нуля.

Линейный участок статической характеристики микросина соответствует углу α якоря в пределах ширины полюса магнитопровода. При повороте якоря по часовой стрелке увеличивается магнитный поток в катушках 1,3 и уменьшается в катушках 2,4. В результате на выходе получается ЭДС противоположной фазы.

Так как микросин является устройством, симметричным относительно оси вращения якоря, то момент обратного воздействия микросина на вал весьма небольшой. При тщательном исполнении микросина уровень нулевого сигнала, т.е. величина Uвых при α=0, также небольшой.

К этому же классу датчиков относятся линейные вращающиеся трансформаторы (ЛВТ)

Рассмотрим основные положения их работы. Это асинхронная электрическая машина с фазным ротором, которая при подведении питания к первичной обмотке и заторможенном роторе работает в режиме трансформатора. Это свойство асинхронных машин используется в ЛВТ.

а) б)

Рис. 3.4. Электрические схемы ЛВТ

Наиболее простым вариантом вращающегося трансформатора является двухобмоточный ВТ. Принципиальная схема двухобмоточного ВТ представлена на рис. 3.4,а. Ротор и статор ВТ выполнены цилиндрическими. В их пазах уложено по одной распределенной обмотке. Конструктивно ВТ выполняется так, что коэффициент взаимоиндукции с большой степенью точности меняется по закону синуса или косинуса в зависимости от первоначального положения статорной и роторной обмоток. Таким образом, в режиме холостого хода при подключении первичной обмотки к сети пульсирующий поток этой обмотки индуктирует во вторичной (роторной) обмотке э. д. с. , определяемую уравнениями:

(3.9)

или

где — э. д. с. первичной обмотки;

— угол поворота ротора относительно нулевого положения (за нулевое положение принимается положение, когда );

— максимальная э. д. с, индуктируемая во вторичной обмотке при совпадении осей первичной и вторичной обмоток;

и — число витков первичной и вторичной обмоток соответственно;

— коэффициент приведения.

Простейшая схема ВТ (рис. 3.4. а), как показано выше, позволяет получить зависимость . Поэтому зависимость можно считать линейной лишь при малых углах поворота ().

Для обеспечения линейности характеристики в больших пределах () применяются более сложные вращающиеся трансформаторы с четырьмя распределенными обмотками (две на статоре и две на роторе), имеющие определенное соотношение числа витков статорной и роторной обмоток. Такие трансформаторы называются линейными вращающимися трансформаторами ЛВТ.

На рис. 3.4 представлены варианты включения обмоток ЛВТ. Схема включения, показанная на рис. 7, б, называется схемой ЛВТ с первичной симметрией. Имеются схемы включения ЛВТ со вторичной симметрией. Как видно из рис. 7, б, при первичной симметрии симметрирующий резистор Zc включается в цепь одной из первичных (статорных) обмоток. У ЛВТ со вторичной симметрией Zc включается в цепь вторичной (роторной) обмотки Применение того или иного варианта включения ЛВТ определяется характером нагрузки ZH.

На рис. 3.4.а приведена схема ВТс поворотной обмоткой. Рассмотрим принцип действия этого ВТ.

Обмотка возбуждения (первичная) расположена на статоре, а выходная (вторичная) на роторе (Uвых равно нулю при повороте одной относительно другой на 90°).

Статическая характеристика в этом случае описывается уравнением:

(3.10)

где U_~ - напряжение питания;

ω₁, ω₂ - количество витков первичной и вторичной обмоток.

Ввиду малости диапазона линейности статической характеристики (10 - 12°) можно принять sinα≈α, тогда соотношение (3.10) запишется в виде:

(3.11)

Необходимо заметить, что выражение (3.10) справедливо лишь для режима холостого кода ( Rн = ∞ ).

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из двух панелей. На одной панели смонтированы три индуктивных датчика:

1) трехстержневой - из автопилота АП-15;

2) с круглым ротором - из автопилота АП-28;

3) с поворотной обмоткой - из корректора высоты KB-11 (из автопилота АП-6Е).

На этой панели смонтированы: переключатель S1, предназначенный для включения датчиков и подключения к ним измерительного прибора; измерительный прибор с переключателем диапазонов измерения.

На второй панели представлены: схема лабораторной установки и используемые в лабораторной работеВТ.

Схема установки приведена на рис. 3.5.

Задание

1. Ознакомиться с принципом действия индукционных датчиков, с используемыми в работе измерительными приборами и записать их паспортные данные.

2. Снять и построить статические характеристики датчиков.

3. Определить чувствительность, линейность характеристик и величину остаточного напряжения исследуемых датчиков.

Методика проведения работ

Перед началом выполнения работы ознакомьтесь со всеми пунктами методики проведения работы и примечанием.

По пункту 2:

а) переключателем S1 включите датчик ИД-1 и снимите статическую характеристику,

б) повторите п. а, но для ИД-2;

в) повторите п. а, но для ИД-3;

г) постройте характеристики датчиков совместно по результатам замеров пп. а, б, в с обозначением на характеристиках типа датчика, при этом необходимо учесть, что выходное напряжение меняет фазу на 180° при отклонении ротора влево и вправо от нейтрального симметричного положения.

Примечание

1. Для снятия статических характеристик необходимо поворачивать ротор индуктивного датчика влево и вправо от нейтрального симметричного положения через 1° до тех пор, пока характеристика не достигнет зоны насыщения или движение ротора не ограничится упорами.

2. При снятии выходных характеристик следует пользоваться самым узким диапазоном измерительного прибора, а в случае выхода стрелки за пределы шкалы прибора необходимо переключить его на более широкий диапазон и проверить замеры при другой градуировке шкалы прибора.

Указания к составлению отчета

Отчет должен содержать:

1. Принципиальную электрическую схему испытываемых индукционных датчиков.

2. Таблицы измерений.

3. Статические характеристики датчиков.

4. Чувствительность индукционных датчиков, линейность характеристик, величины остаточных напряжений.

5, Общие выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит отличие индукционного датчика от индуктивного?

2. Какие разновидности индуктивных датчиков применяются в авиации?

3. Чем определяется погрешность индукционных датчиков?

4. Каковы динамические характеристики индукционных датчиков?

5. Как определить чувствительность индукционного датчика?

6. Каким образом влияет нагрузка на линейность статической характеристики индукционного датчика?

Литература

1. Тищенко Н.М Проектирование магнитных и полупроводниковых

элементов автоматики. М.5: Энергия, 1970.

2. Красовский А.А., Поспелов Г.О. Основы автоматики и технической кибернетики. ГЭИ, 1962.

3 .Солодовников В.В.,Плотников В.Н.,Яковлев А.Я. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. Учебное пособие для вузов.- М.: Машиностроение,1985.

Содержание

Введение. Основные понятия и определения............................................................3

Лабораторная работа №3.

Исследование индукционных датчиков…………………………… …………..6

Цель работы .................................................................................................................6

Домашнее задание .......................................................................................................6

Общие сведения………………………………………………………………………6

Описание лабораторной установки………………………………………………..12

Задание……………………………………………....................................................12

Методика проведения работ………………………………………………………..13

Указания к составлению отчета…………………....................................................13

Контрольные вопросы………………………………………………………………14

Литература…………………………………………………… …………………..15