34.Классификация измерительных преобразователей перемещения.

Широко применяются в системе управления очистными и проходческими машинами, шахтными подъемными установками, электровозным транспортом. В измерительных преобразователях перемещения выходной сигнал является непрерывной дискретной функцией координат подвижного объекта. Измерительные преобразователи, которые контролируют крайние и промежуточные положения объекта называются датчиками или измерительными преобразователями местоположения. В системах управления применяют основные следующие типы измерительных преобразователей перемещения: 1)резистивные(потенциометрические). 2)индуктивные(одинарные или дифференцирующие). 3)трансформаторные(одинарные или дифф.).4)емкостные.5)фотоэлектрические. 6)числоимпульсные. 7)другие.

35.Резистивные измерительные преобразователи перемещения. Принцип

действия, особенности конструкции, основные параметры и характеристики, схема замещения.

Представляют собой особо точный(прецизионный реостат), движок которого вращается под воздействием измеряемой величины. Входная величина представляет собой угловое или линейное перемещение, а выходной сигнал – соответствующее изменение сопротивления R(напряжение U). Работа резистивных ИП основана на изменении электрического сопро­тивления в зависимости от перемещения движка по электрическому провод­нику (реостатные преобразователи) или от механической деформации провод­ника или полупроводника (тензометрические ИП). Реостатные измерительные преобразователи. Реостатный ИП пред­ставляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого переме­щается под воздействием измеряемой неэлектрической величины (рис. 8.1). Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линей­ное или уг­ловое) и от вида функции преобразования (линейная, нелинейная) и может иметь вид цилин­дра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применя­ются диэлектрики (ге­тинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралю­миний с анодированной поверхностью), покрытые изоляционным ла­ком.

Рис. 8.1. Устройство реостатного преобразователя для измерения

угловых перемещений

Проволока для обмотки выполняется из сплавов с малым температур­ным коэффициентом сопротивления. Дешевыми и часто используемыми мате­риалами служат константан и манганин. Сопротивление обмотки колеб­лется от десятков до нескольких тысяч Ом. Провод обычно изолируют эмалью или оксидной пленкой. После изготовления обмотки изоляция про­вода очищается в местах соприкосновения его со щеткой. Температурная погрешность определяется, прежде всего, температур­ным коэффициентом сопротивления провода, который, как правило, меньше 0,1 % на 10 ^оС.

Тензочувствительные измерительные преобразователи (тензорези­сторы). Работа тензорезисторов основана на зависимости электрического сопро­тивления проводника или полупроводника от создаваемого в нем механиче­ского напряжения. Они подразделяются на металлические и полупро­водниковые. Из металлических тензорезисторов наиболее распростра­нены проволочные и фольговые. Если проволоку подвергнуть механи­ческому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изме­нится. Относительное изменение сопротивления проволоки ,(8.1) где k – коэффициент тензочувствительности; l/l – относительная де­формация проволоки. Изменение сопротивления проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Проволочные тензорезисторы представляют собой тонкую зигзагообраз­ную проволоку 2, называемую решеткой, приклеенную к полоске бу­маги (подложке 1) (рис. 8.3).

В качестве подложки используется тонкая (0,03 – 0,05 мм) бумага, а также пленка лака или клея, а для работы при высоких температурах – слой це­мента. Проволока вместе с подложкой наклеивается на деталь. Сопротивление тензопреобразователя чаще всего составляет 50 – 200 Ом.

Относительная деформация проволоки тензопреобразователя l_Д/l_Д равна относительной деформации детали l_Д/l_Д, на которую наклеен тензопреобра­зователь. Последняя связана с механическим напряжением в де­тали  и модулем упругости материала этой детали Е соотношением

l_Д/l_Д = kσ/E (8.2)

Таким образом, уравнение преобразования тензопреобразователя можно представить в виде

kσE (8.3)

Рис. 8.3.Устройство проволочного тензорезистора

Основные требования, предъявляемые к материалу проволоки, следую­щие: возможно большее значение k, малый температурный коэффициент сопро­тивления (ТКС), высокое удельное электрическое сопротивление.

Для изготовления тензопреобразователей применяется главным обра­зом проволока диаметром 0,02 – 0,05 мм из константана, имеющего коэффици­ент k = 1,9 – 2,1.

У фольговых тензопреобразователей чувствительный элемент получают пу­тем травления фольги, одна сторона которой покрыта лаком или клеем. При травлении из фольги выбирается часть металла таким образом, что остав­шийся металл образует чувствительный элемент необходимой формы и сопротив­ления.

Рисунок 16 – Схема замещения резистивного преобразователя

На рисунке, R_Э - это выходное внутреннее сопротивление датчика, которое определяется, как сопротивление схемы относительно выходных клемм при закороченном источнике напряжения U:

. (13)

Выходное напряжение датчика

, (14)

где U_Э = - напряжение на выходе ненагруженного датчика.

С учётом (13) и (14) получим:

(15)

где - относительный входной сигнал; - коэффициент нагрузки.

З6.Резистивные измерительные преобразователи перемещения. Достоинства

и недостатки, область применения, источники погрешностей и схемы

включения.

Представляют собой особо точный(прецизионный реостат), движок которого вращается под воздействием измеряемой величины. Входная величина представляет собой угловое или линейное перемещение, а выходной сигнал – соответствующее изменение сопротивления R(напряжение U). Работа резистивных ИП основана на изменении электрического сопро­тивления в зависимости от перемещения движка по электрическому провод­нику (реостатные преобразователи) или от механической деформации провод­ника или полупроводника (тензометрические ИП).

Достоинства и недостатки. Преимущества реостатных проволочных преобразователей: 1)простота конструкции. 2)высокая точность.3)стабильные характеристики…Недостатки: 1)недостаточная разрешающая способность. 2)невысокое выходное сопротивление(до10 Ком). Преимуществами непроволочных являются недостатки проволочных, а недостатками являются: 1)низкая точность. 2)нестабильность выходных рабочих характеристик.

Все реостатные преобразователи по сравнению с другими преобразователями перемещения имеют преимущества: 1)высокая точность(до 0.01%).2)высокая линейность выходных рабочих характеристик. 3)незначительное усилие при сжатии движка реостата и усислие, необходимое для его перемещения. 4)достаточно высокая чувствительность.

Недостатки: 1)из-за запыленности окружающей среды, ее высокой влажности применение данного класса преобразователей без специальных защитных устройств проблематично. 2)при подключении нагрузки появляется нелинейность выходной рабочей характеристики и дополнительная погрешность.

Тензорезисторые преобразователи, достоинства, недостатки. Достоинства: высокие метрологические характеристики, особенно по линейности.

К недостаткам тензометрических преобразователей следует отнести: малую механическую прочность и гибкость (для полупроводниковых), малая выходная мощность (для тензорезисторных), которая не превышает обычно 5 10-6Вт. Высокая влажность, наличие паров и изменение температуры агрессивных сред обусловливают постепенное уменьшение сопротивления изоляции как самих тензорезисторов, так и кабелей, соединяющих тензометрический мост с устройствами питания и измерения. Это все ведет к снижению технических показателей

Область применения.Все резистивные преобразователи применяются для: 1)измерения давления(прогиб мембраны или прогиб чувствительного элемента). 2)измерение силы. 3)измерения ускорения. 3)измерения расхода, измерение уровня.

Реостатные ИП применяются для измерения угловых и линейных пе­ремещений и тех величин, которые могут быть преобразованы в эти перемеще­ния (усилия, давления, уровни и объемы жидкостей и т. д.). Реостат­ные ИП применяются также в качестве прецизионных регулируемых резисто­ров (реохордов) в автоматических мостах и компенсаторах.

Тензопреобразователи применяются для измерения сил, давлений, вращающих моментов, ускорений и других величин, преобразуемых в упру­гую деформацию. Тензопреобразователи широко применяются для измере­ния как статических, так и переменных во времени деформаций

Источники погрешностей.

1)Тензорезисторов:

-случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений тензорезисторов;

-систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом;

-тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;

-температурная погрешность, вызванная разогревом датчика протекающим током;

-погрешность, связанная с разностью температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор;

-погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов и точности измерения их сопротивления;

-внешние наводки;

-сопротивление контактов;

-"ползучесть" сопротивления длительно нагруженного тензорезистора;

-погрешность измерительного модуля ввода.

2). Реостатных преобразователей:

-дискретность выходного сопротивления

-отклонение функции преобразования от расчетной, вызванное непостоянством диаметра намоточного провода и его удельного электрического сопротивления

-изменение температуры преобразователя

-термодинамические и токовые шумы

-влияние сопротивления нагрузки

а) б)

Рисунок 6 – Эквивалентная схема включения резистивного ЧЭ

Рисунок 6а представляет схему в режиме покоя (ΔR = 0), а рисунок 6б – работу ЧЭ в режиме измерения (ΔR ≠ 0). В измерительную схему передаётся мощность измеренного сигнала:

, (7)

где Р_КЗΔЕ – мощность эквивалентного генератора в режиме КЗ; а = R_Н/R₀.

, (8)

где Р_КЗЕ – мощность КЗ источника Е в исходном состоянии ЧЭ; ε=ΔR/R₀ – относительное изменение параметра ЧЭ.

Подставим (8) в (7):

,

где =α/(1+α)⁴ - коэффициент передачи мощности

На рисунке 17 приведена мостовая схема включения потенциометра.

Рисунок 17 – Мостовая схема включения ЧЭ

А) Если R_Н >> R₀, то:

где разность сопротивлений .

Б) Если R_Н ≈ R₀, то, по теореме об эквивалентном генераторе (рисунок 16).

Выходное внутреннее сопротивление датчика:

Выходное напряжение датчика:

, (22)

где (см. 20).

С учётом (21) и (22) получим:

где - относительный входной сигнал;

- коэффициент нагрузки.

Рисунок 15 – Последовательная схема включения ЧЭ

R_x - выходное сопротивление потенциометра.

Для схемы выходное напряжение потенциометра U_x поступает на вход услительно-преобразовательных устройств. Входные цепи этих устройств являются нагрузкой потенциометра и представляются сопротивлением нагрузки R_Н. Величина сопротивления нагрузки влияет на функцию преобразования R = f(x).