Учебник - информационные системы (Глава 4)

Посмотреть архив целиком


Измерение скорости и динамических факторов

ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ И ДИНАМИЧЕС­КИХ ФАКТОРОВ

В данной главе рассматриваются принципы построения измерителей скорости и усилий, которые мы в соответствии с классификацией, приведенной в гл.3, также отнесли к классу кинестетических датчиков.

4.1. Датчики скорости

Измерение скорости в большинстве случаев сводится к определению скоростей вращающихся деталей или узлов. Задача контроля линейной скорости тоже обычно решается путем измерения скорости вращения. Поэтому под широко известным терми­ном «тахом­е­т­ри­­­чес­кие да­т­чи­ки» обы­чно по­­ни­­­мают да­т­чи­ки уг­ловой ско­­ро­сти (ДС). В промышленности, меха­тро­нных и ро­­бо­то­техни­чес­ких си­с­темах ДС слу­жат для измере­ния и ста­би­ли­зации ско­­ро­сти при­вода в задан­ных пре­­делах (рис. 4.1). Ко­нтроль ско­рос­т­ных по­казателей су­щественно повы­шает плавность хо­­­­да и точно­с­тные ха­рактеристики при­­­водов и явля­ется не­обходи­мым условием при пос­троении систем уп­ра­в­ления позици­он­но-кон­турного типа.

Принцип действия большинства промышленных ДС основан на законе Фарадея: E = - dФ/dt, в соответствии с которым ЭДС индукции E прямо зависит от скорости изменения магнитного потока Ф. Конечно, не все ДС используют электромагнитный метод преобразования. Так, этот метод не обеспечивает необходимой точности при измерении очень малых или очень больших скоростей. Здесь возможно применение оптических (лазерных, интерферометрических и пр.) методов. В то же время, именно электромагнитные методы позволяют строить измерители скорости не нуждающиеся в источниках питания, например, использующие принцип генерации ЭДС индукции в обмотках датчика при взаимодействии его магнитной системы с ферромагнитными деталями вращающегося объекта.

Наиболее известным типом углового ДС является тахогенератор (ТГ). Среди основных задач, решаемых с помощью ТГ необходимо выделить следующие: измерение частоты вращения вала, осуществление обратной связи по скорости, а также электромеханическое интегрирование и дифференцирование.

ТГ, в отличие от ДПП не обладают такими высокими точностными характеристиками. Как правило, величина допустимой погрешности доп лежит в пределах десятых долей процента. Ее уровень определяется назначением и условиями эксплуатации ТГ. Так, например, при работе ТГ в качестве измерителя частоты вращения доп составляет 1... 2,5%. В то же время, при использовании ТГ в вычислительных устройствах, к ним предъявляют повышенные требования: нелинейность схемы и не должна превышать 0,05 ... 0,1 % по амплитуде и 0,1 % по фазе.

Промышленно выпускаются ТГ постоянного и переменного тока. При этом, ТГ переменного тока, так же как и двигатели переменного тока разделяются на два основных класса: асинхронные и синхронные. Рассмотрим сначала особенности построения переменного тока.

4.1.1. Тахогенераторы переменного тока

ТГ переменного тока являются наиболее распространенными ДС промышленного назначения. Их существенной особенностью является отсутствие щеточно-коллекторного узла, что значительно увеличивает срок службы. В то же время ДС этого типа требуют использования специальных схем включения. Синхронный ТГ представляет собой од­но- или трехфазную машину с постоянными магнитами на роторе. Он обладает существенно нелинейной функцией преобразования, зависящей от частоты сети. Поэтому, в автоматических системах синхронные ТГ не используются.

Асинхронные ТГ (АТГ) применяются в качестве ДС в станках и приводах большой мощности, работающих от сети переменного тока. Конструкция АТГ аналогична конструкции асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором [ ]. На статоре в пазах уложены две обмотки, сдвинутые в пространстве на 900 . Одна из них - возбуждения (ОВ) постоянно включена в сеть, другая - генераторная (ОГ) присоединена к нагрузке Zн и является выходной (рис. 4.2).

Проходящий по ОВ переменный ток создает магнитный поток Фпр, пуль­сирующий с частотой сети f. Этот поток распределен в пространстве практически синусоидально и его ось совпадает с осью ОВ, которая, как и в Р, называется продольной. Ось, пер­­пенди­кулярная оси ОВ, называется поперечной.

При неподвижном роторе магнитный поток Фпр пронизывает ОВ, индуцируя в ней ЭДС Eв:

Eв = 4,44 f Nв kв Фпр max,

где Nв, kв - число витков и обмоточный коэффициент обмотки возбуждения.

Пренебрегая активным сопротивлением ОВ и индуктивным со­про­тивлением, обусловленным потоком рас­сеяния, получим урав­нение:

Uв + Eв = 0,

здесь Uв - напряжение сети.

В идеальном случае, в ОГ продольный поток Фпр не индуцирует ЭДС, так как эта обмотка сдвинута относительно обмотки возбуждения на 900. (Однако, практически часть потока Фпр оказывается трансформаторно связанной с ОГ и ин­дуци­рует в ней некоторую остаточную ЭДС).

Полый ротор АТГ представляет собой совокупность «элемен­тарных проводников». В каждом таком проводнике пульсирующий поток индуцирует ЭДС eтр называемую трансформаторной. Так как активное сопротивление полого ротора во много раз больше ин­дуктивного, то эта ЭДС и вызываемый ею в роторе ток iтр практически совпадают по фазе. При этом условии, создаваемая током iтр МДС ротора Fпр действует по продольной оси машины, как при неподвижном, так и при вращающемся роторе. Поскольку для ОВ справедливо ус­ловие Uв + Eв = 0, то при возникновении продольной МДС ротора Fпр в ней появляется компенсирующий ток (аналогично тому, как и в Р), МДС F"пр, которого ком­пенсирует действие МДС Fпр.

При вращении ротора каким-либо посторонним механизмом в его элементарных проводниках кроме тран­сформаторной ЭДС eтр индуцируется еще и ЭДС вращения eвр (рис. 4.3):

Eвр = Bx lр Vр;

где Bx - индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора в данный момент; lр - длина ротора в магнитном поле; Vр - окружная скорость ротора.

При синусоидальном распределении индукции Bx вдоль окружности ротора максимальное значение ЭДС вращения eвр в любой момент времени достигается в том проводнике, который расположен по продольной оси АТГ. Направление этой ЭДС в элементах ротора, расположенных по обе стороны от поперечной оси, противоположное. Если пренебречь индуктивным сопротивлением полого ротора, то направление тока в каждом элементе будет совпадать с направлением ЭДС eвр. При этом условии токи ротора iвр создадут МДС Fпоп и пульсирующий магнитный поток Фпоп, направленные по поперечной оси.

Поток Фпоп не сцеплен с ОВ, следовательно в ОГ он индуцирует ЭДС Eг:

Eг = 4,44 f Nг kг Фпоп max;

где Nг , kг - число витков и обмоточный коэффициент выходной обмотки. (Существенно, что частота ЭДС Eг в ОГ не зависит от частоты вращения ротора и при любых условиях равна частоте eвр в роторе, т.е. частоте сети f, питающей ОВ. Отсюда, вытекает важное свойство АТГ - неизменность частоты выходного напряжения.

Величина ЭДС Eг в ОГ пропорциональна поперечному потоку Фпоп, причем

Фпоп max = Fпоп max/ R поп,

где Fпоп max - максимальное значение МДС ротора по поперечной оси; R поп - магнитное сопротивление ма­шины вдоль поперечной оси.

В любой асинхронной машине с полым немагнитным ротором эффективный воздушный зазор весьма велик, и, следовательно, магнитное сопротивление R является ве­личиной практически неизменной. Поэтому, магнитный поток по поперечной оси будет пропорционален МДС Фпоп (которая в свою очередь, пропорциональна eвр). Однако, поскольку eвр прямо пропорциональна потоку Фпр и частоте вращения ротора n, то получим окончательно:

Uвых = Eг = c'f Фпоп max = c"f Fпоп = С'f Фпр max n, или Uвых = С"n,

где c', c", C', C" - константы.

Таким образом, при принятых допущениях ЭДС в выходной обмотке АТГ прямо пропорциональна частоте вращения ротора n, т.е. его функция преобразования может считаться линейной (рис. 4.4).

В реальных АТГ имеется отклонение реальной функции преобразования от линейной зависимости. Причины, вызывающие погрешности делятся на 4 основные группы: технологические неточности при изготовлении, электромагнитная реакция ротора, изменяю­щая значения потоков Фпр и Фпоп при изменении режима работы АТГ (например, частоты вращения и нагрузки), зависимость некоторых параметров от частоты вращения (напри­мер, сопротивления полого ротора), изменение сопротивления обмоток и магнит­ного сопротивления по различным осям под влиянием внешних факторов (тем­пературы и др).

Наиболее серьезные погрешности вызывают технологические факторы при изготовлении АТГ. К ним относятся отклонения обмоток статора - возбуждения и генераторной от взаимно перпендикулярного по­ложения, нарушение допусков в величине воз­душного за­зора и толщине полого ротора и т.д. Все это приводит к тому, что в ОГ при нулевой частоте вращения ротора, индуцируется ос­таточная ЭДС, называемая нулевым сиг­налом, величина ко­торого достигает 0, 1 … 0,3 В (рис. 4.5). Для уме­ньшения нулевого сиг­нала используют различные ре­шения, позволяющие вручную перемещать обмотки относительно друг друга. Например, рас­полагая ОВ на внешнем статоре, а ОГ на внутреннем, можно настроить АТГ на минимальный нулевой сигнал путем по­ворота внутреннего статора и установки его в такое поло­жение, при котором остаточная ЭДС в ОГ достигнет минимального значения.

Для уменьшение погрешностей АТГ необходимо также ограничить диапазон рабочих частот вращения так, чтобы относительная максимальная частота вращения nотн равная nотн = n/nсинх составляла:

  • 0,5 ... 0,7- в АТГ, используемых в измерительных устройствах и следящих системах;

  • 0,2 ... 0,3- в АТГ, используемых в счетно-решающих устройствах.

Здесь синхронная частота вращения nсинх определяется выражением nсинх = 60 f/p, где p - число пар полюсов. Следовательно, для расширения диапазона рабочих скоростей следует увеличивать nсинх, в связи с чем АТГ обычно выполняют с малым числом пар полюсов и увеличивают частоту питающей сети f = 400 ... 500 Гц.

Классы точности АТГ представлены в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Классы точности АТГ


Показатель

Тахогенераторы

высокоточные

точные

общего назначения

класс точности

0,025

0,05

0,1

0,25

0,5

1,0

Нелинейность изменения выходного напряжения, %

0,025

0,05

0,1

0,25

0,5

-

Фазовая погрешность от изменения частоты вращения, ‘

20

20

25

30

-

-


Современные АТГ измеряют скорости вращения в диапазоне 10 … 104 об/мин, уровень выходного напря­жения составляет 0 … 10 В, остаточное напряжение до 100 мВ. В табл. 4.2 приведены примеры некоторых промышленных моделей АТГ. Символом k обозначен коэффициент преобразования (крутизна характеристики).

Таблица 4.2. Примеры промышленных АТГ

Модель

U,В (f, Гц)

nном, об/мин

k, В/об/мин

Rн, кОм

, %

, мм

l, мм

m, кг

ТГ-5А

115 (400)

9000

0,0012

1,2

2,5

55

82

0,28

ДИГ-3

36 (400)

10000

0,002


2

35

80

0,18

4ТИ-3,2

115 (400)

4000

0,003

30

0,05

32

86

0,32


Широкое использование АТГ в промышленном производстве связано с рядом очевидных достоинств этих ДС. В первую очередь, это простота и надежность конструкции, очень малый момент инерции, а также отсутствие щеточно-коллекторного узла. К недостаткам АТГ необходимо отнести необходимость стабилизации напряжения возбуждения и наличие «нулевого сигнала».

4.1.2. Тахогенераторы постоянного тока

ТГ постоянного тока (ТГПТ) представляет собой маломощную электрическую машину с независимым возбуждением или с постоянными магнитами (рис. 4.6). Конструктивно ТГПТ состоит из статора, выполненного в виде ферромагнитного каркаса с 2р полюсами, ротора - в виде много­слой­ного цилиндра и щеточно-коллекторного узла. Электрические машины этого типа используются в следящих приводах постоянного тока различного назначения, системах измерения скоростей и т.д.

Функция преобразования ТГПТ (так же как и других индукционных машин) зависит от конструктивных особенностей и величины нагрузки. ЭДС индукции Ер, возникающей в электрической машине при вращении ротора относительно обмотки возбуждения, выражается зависимостью вида:

здесь p - число пар полюсов, r - количество проводников, образующих ро­тор, a - обмоточный параметр, Ф - поток индукции через ротор.

Обозначая все конструктивные параметры как k, получим для идеального случая (рис. 4.7):

Uвых = UТГ = k n = k d/dt,

где n - частота вращения; k - крутизна характеристики; - угол поворота ротора.

Данное выражение описывает линейную функцию пре­об­ра­зования, которая справедлива при допущении, что Фв, Rя, Rн = const. Здесь Фв - магнитный поток возбуждения; Rя - сопротивление якорной обмотки; Rн - сопротивление на­грузки. Для вычисления крутизны харак­теристики ТГТП k используется выражение:

где Ce = Eрв n.

Наибольшая крутизна характерис­ти­ки имеет место на холостом ходу, при Rн = . (У современных ТГПТ k лежит в широких пределах 3 ... 100 мВ/об/мин).

В системах управления ТГПТ представляется апериодическим звеном. Передаточная функция ТГПТ обычно апроксимируется зависимостью:

, где

здесь С - суммарная емкость электрической машины и нагрузки.

Реальный режим работы ТГПТ значительно отличается от идеального. Среди большого количества различных источников погрешностей, обычно выделяют следующие факторы: сопротивление щеточного узла, размагничивающее действие потока реакции ротора, изменение температуры обмоток и «зубцовая пульсация» выходного напряжения.

Основное влияние на точность ТГПТ оказывает щеточно-коллекторный узел. Падение напряжения на щетках Uщ, сдвигающее характеристику датчика по оси скорости вызывает появление аддитивной по­грешности а равной: . Данная погрешность соответствует некоторой зоне нечув­стви­тель­ности при малых скоростях ротора (рис. 4.7). Другая проблема, связанная с наличием щеточно-коллекторного узла заключается в нестабильности функции преобразования (вследствие непостоянства переходного сопротивления контактов), а также излучением радиопомех.

Уменьшение влияния данного узла на точность ТГПТ достигается путем снижения переходного сопротивле­ния щеток, и экранирования кор­пуса. (С этой целью щетки делают из серебрянно-гра­фитовых материалов).

Вторая особенность, присущая всем индукционным машинам связана с влиянием тока в цепи нагрузки на магнитный поток ОВ. Действительно, при Rн , магнитный поток Фв уменьшается с увеличением скорости за счет размагничивающего действия потока реакции якоря. Это приводит к снижению крутизны характе­ристики ТГПТ, особенно заметной на больших скоростях вращения (рис. 4.7). Величина указанной мультипликативной погрешности достигает 3 %.

Магнитный поток ОВ чувствителен и к изменению температу­ры окружающей сре­ды. Например, тепловые эффекты, возникающие в процессе ра­боты ТГПТ, приводят к увеличению сопротивления обмоток ротора и возбуждения. При этом, поскольку сопротивление роторной обмотки Rя очень мало, его изменение прак­тически не влияет на выходной сигнал. Существенно большее влияние оказывает изменение сопротивления ОВ, приводящее к уменьше­нию тока во­з­буждения, а, следовательно, и маг­нитного потока Фв, что снижает кру­­тизну характеристики ТГПТ. (Величина этой до­полнительной погрешности мо­жет достигнуть 5%). Для компен­сации температурной чувствите­льности наиболее распространен способ, при котором в цепь ОВ вклю­чается термонезависимое сопро­тивление Rдоб, такое, что Rдоб > Rов, где Rов - сопротивление ОВ.

В таком случае, величина тока возбуждения будет определяться в основном величиной Rдоб и, сле­дова­тель­но, мало зависеть от Rов. Тогда

Iв = Uв/(Rдоб + Rов) const

Другой путь предполагает использование ТГПТ с постоянными магнитами, не имеющими ОВ.

Наконец, для ТГПТ характерны некоторые зубцовые пульсации выходного напряжения, возникающие вследствие неравномерности воздушного зазора, вибраций щеток и т.д. Для уменьшения погрешностей этого вида в конструкции ТГПТ используют полый ротор (он выполнен в виде стакана, состоящего из обмотки, про­водники которой, связаны воедино пластмассой). У таких датчиков момент инерции ротора весьма мал, а также отсутствуют пульсации выходного напряжения, поскольку ротор не имеет зубцов. Классы точности ТГПТ приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Классы точности ТГПТ



Показатель

Тахогенераторы

высокоточные

точные

общего назначения

класс точности

0,02

0,05

0,1

0,2

0,5

1,0

2,5

Нелинейность изменения выходного напряжения, %

0,02

0,05

0,1

0,2

0,5

-

-

Асимметрия выходного напряжения, %

0,025

0,05

0,125

0,25

0,5

1,25

2,5


В номинальном режиме суммарная погрешность ТГПТ лежит в пределах 1,0 ... 4,0 %.

ТГПТ широко используются при построении следящих систем различного назначения: в при­­водах меха­низ­мов черной ме­­таллургии (транспо­ртеры, про­катные станы), на тра­­н­спорте (электропоезда), грузопо­д­ъ­емных ус­тройствах (манипулято­ры, краны), а также во мно­гих ус­тро­й­ствах автоматики. На рис. 4.8 пре­дс­та­влена схема системы упра­в­ления, получившей название «эле­ктрома­ши­нный усилитель - исполнительный двигатель» (сокращенно «ЭМУ-ИД»). Схема нашла применение в задачах управления объектами, имеющими большой момент инерции. В табл. 4.4 представлены характеристики некоторых известных моделей ТГПТ.

Таблица 4.4. Примеры промышленных ТГПТ

Модель

nном, об/мин

k, В/об/мин

Rн, кОм

, %

, мм

l, мм

m, кг

ТГП-5

6000

0,004

10

5

37

48

0,09

ТД-103

1500

0,1

1,2

2,5

55

98

0,7

TS-252

4000

0,003

0,4

1,4

40

50

0,1

Примечание. Модель TS-252 разработана фирмой Tamagawa, Япония.

ТГПТ наиболее часто используются в мехатронных устройствах и системах управления общего назначения. Их достоинства: большая выходная мощность, отсутствие фазовой погрешности (при актив­ной нагрузке), а также отсутствие обмоток возбуждения (для ТГПТ с постоянными магнитами) сделали ДС этого типа привлекательными для большого числа прикладных задач. Недостатки ТГПТ связаны с большей, по сравнению с АТГ стоимостью, нестабильность выходной характеристики и наличием пульсаций напряжения. Также ТГПТ создают радиопомехи.

4.2. Датчики динамических величин

К датчикам динамических величин (ДДВ) относятся информационные устройства, преобразующие изменение динамических факторов (силы, ускорения и давления) в изменение электрического сигнала.

Датчики этого типа весьма распространены в различных системах контроля и диагностики. Практически нет такой области техники, где в процессе измерения не использовались бы методы пре­образования динамических параметров. Характерными задачами являются контроль параметров натяжения всевозможных лент и полос в бумажной промышленности и металлургии, измерение сил на валках клетей прокатных станов, предохранение от перегрузок в подъемных механизмах и транспортных средствах, наконец, контроль весовых и инерционных характеристик различных объектов. Использование ДДВ в системах управления и робототехнике позволяет регулировать момент на валу привода или ускорение выходного вала и реализовывать сложные законы управления звеньями исполнительного механизма.

ДДВ классифицируются по четырем основным признакам:

  1. По назначению: датчики систем управления (к ним относятся измерители момента/силы на валу, давления в магистрали и акселерометры) и датчики контроля (в основном контроля технологических параметров и параметров безопасности).

  2. По физическому принципу преобразования: пьезоэлектрические, магнитоупругие, тензометрические (омические), электродинамические, емкостные и индуктивные.

  3. По способу создания противодействующей силы: датчики совмещенного преобразования (содержат электрически активный упругий преобразователь, реакция которого создается упруго-чув­ствительным элемен­том), датчики раздельного преобразования (включают электрически неактивный упругий преобразователь) и датчики с силовым уравновешиванием (си­ла реакция создается электрическими способами).

  1. По виду выходной величины: генераторные («активные», выходной сиг­нал имеет форму заряда, напряжения или тока) и параметрические («пассивные», с выходным сигналом в виде изменения сопротивления, индуктивности и емкости).

Придерживаясь указанной классификации, рассмотрим способы построении ДДВ, основанных на наиболее известных принципах преобразования: пьезоэлектрических, магнитоупругих, емкостных и индуктивных.

4.2.1. Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики динамиче­ских величин (ПДДВ) представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу ПДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Ка­ждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамиче­ской пла­стины и является генераторным упруго-чув­ст­вительным преобразователем, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому, при построении измерительных цепей широко применяются схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении (рис. 4.9а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается соответственно числу ЧЭ, а при параллельном (рис. 4.9б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость. Такая схема подобна зарядовой батарее. В электрическом смысле пьезоэлемент подобен конденсатору, и, следовательно, он измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, применением специальных схем (зарядовых усилителей и др.) можно существенно снизить граничные частоты (до 10-3 Гц) и повысить тем самым постоянную времени до нескольких часов. Измерения в этом случае получили название квазистатических. Таким образом, функция преобразования ПДДВ примет вид: F = k i = k dQ/dt. В простых расчетах полагают F kU, где F - измеряемый параметр (например, сила), i и Q - ток через пьезоэлемент и его заряд.

Обратимый характер пьезоэффекта позволяет конструировать не только электромеханические и механоэлектрические ПДДП, но и преобразователи, использующие оба типа пьезоэффекта. Так, ПДДВ прямого пьезоэффекта применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения; ПДДВ обратного пьезоэффекта, используются в качестве излучателей ульт­развуковых колебаний, преобразовате­лей напряжения в дефор­ма­цию (в пье­зо­элек­три­ческих реле, исполнительных эле­мен­тах автоматических систем и т.д.). ПДДВ, основанные одновременно на прямом и обратном пьезоэффекте (к ним относятся пьезорезонаторы, коэффициент преобразования которых мак­симален на резонансной частоте) применя­ются в качестве узкополос­ных и резонансных фильтров.

В большинстве случаев при пост­ро­ении ПДДВ используется несколько ЧЭ в виде кварцевых дисков, ори­ен­тированных вдоль одной или нескольких осей де­кар­товой системы координат и соединенных таким об­ра­зом, чтобы выходной сигнал каждого был максимальным (рис. 4.10). Так, для датчиков силы, верхняя граница измеряемого уси­­­лия определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет (2 …. 200) кН. Чувствительность такого диска зависит от типа пьезоэффекта и определяется значениями пьезоэлектрических коэффициентов dij. В частности (как отмечалось в разд. 2.1.5), матрица пьезомодулей кварца содержит только 5 коэффициентов и чувствительность пьезоэлемента Х-среза к растяжению-сжатию (при отсутствии паразитных боковых воздействий) проявляется через коэффи­­циент d11. Аналогично, пьезоэлемент Y-среза чувствителен к сдвигу (коэффициент d26). Следовательно, применяя ЧЭ разных срезов можно построить многокомпонентный датчик силы. Метрологические характеристики ПДДВ, как правило, очень высокие. Для них характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

Простейший ПДДВ представляет собой совокупность кварцевых или пье­зокерамических пластин (рис. 4.11а) или колец, установленных соосно. (Обычно вместо дисков используются кольца). Каждое кольцо ПДДВ, представляющее со­бой совме­щенный упруго-чувстви­тель­ный эле­мент X-среза, ра­ботает на продольном пьезо­эф­фекте (как известно, в этом случае плотность заряда не зависит от геометрических размеров кольца). Одна из на­иболее известных конструкций ПДДВ этого типа была разработана фирмой Hellwett-Pac­kard. Датчик состоял из двух колец, включенных последовательно относи­тель­но силы и параллельно электрически (такое соединение получило название кон­ден­са­торного). Верхний предел измерения составлял 1000 кН при диаметре датчика равном 10 см. Соединяя два таких датчика можно увеличить чувствительность конструкции, правда, с потерей жесткости.

Промышленностью выпускаются различные пьезокерами­ческие материалы, по­зволяющие конструировать высокочу­вствительные датчики. Так, серийные пье­зокерами­ческие диски из материала ЦТС-19 имеют крутизну ku 1 ... 5 В/Н.

Существенный недостаток простых конструкций свя­зан с эффектом стекания заряда, вызывающим пос­тепенное уменьшение сигнала при ста­тических измерениях. Этот эффект приводит к не­возможности использования таких схем при длительных измерениях. (Как уже отмечалось, постоянная времени ПДДВ = 103 сек, при типичной емкости датчика Cд 100 пФ и суммарном сопротивлении изоляции Rиз 1013 Ом). Следовательно, нижняя частотная гра­ница измеряемого сигнала составит fн = н /2 = 1,6 10-4 Гц. Поэтому, при статических измерениях уже через 10 с по­греш­ность превысит 0,1%.

Для устранения эффекта стекания заряда ПДДВ строят по схеме пьезоэлек­трического тра­н­­сфор­ма­тора переменного тока, работающие, в зависимости от резонансной частоты, в диапазонах от 20 Гц до 200 кГц. Одна из первых конструкций поперечно-продольного повышающего пьезотрансформатора, предложенная С.А. Розеном приведена на рис. 4.11б. Устройство состоит из двух секций -входной и выходной. Направления поляризации показаны стрелками. Коэффициент трансформации подобных систем, включенных в режиме Т-образного четырехполюсника, достигает 1000 единиц и более. На рис. 4.12 представлена схема использования трансформаторного ПДДВ в качестве датчика статической силы. Особенностью конструкции является использование трех обкладок, одной общей для входной и выходной цепи и двух изолированных. Переменное напряжение Uи подзаряжает датчик, при этом уровень выходного сигнала Uи пропорционален величине измеряемой силы.В последние годы в информационных системах все чаще применяются резонаторные ПДДВ, в том чис­ле, основанные на эффекте возбуждения поверхностных акустических волн. Резонаторные датчики выполняются в виде двухполюсника, объединяющего сис­тему электрического возбуждения механи­ческих колебаний и съема электрического сигнала. Если частота приложенного напряжения совпадает с одной из собственных механических частот датчика, то возникнет резонанс, сопровождающийся резким уменьшением полного сопротивления Z и увеличением тока через резонатор. Спектр колебаний определяется раз­мером, конструкцией и упругими свойст­вами материала. Резонансные свойства ПДДВ зависят от его добротности Q = 2 fр Lэ/Rд, где fр - резонансная частота, Lэ и Rд - соответственно эквивалентная индуктивность резонатора и его динамическое активное со­п­ро­ти­вление. Наивы­с­шей добротнос­тью Q = 107 обладают кварцевые резонаторы (для сравнения Q колебательного контура = 102, Q пьезокерамического резонатора = 103). Полное сопротивление принимает два экстремальных значения на часто­тах fр и fа, называемые частотами резонанса и антире­зонанса.

Резонаторные ПДДВ обычно включаются в измерительные схемы, использующие частотную или временную модуляцию сигналов.

При расчете ПДДВ и выбора компонентов измерительной цепи широко используются эквивалентные схемы, учитывающие особенности работы прибора. Простая схема включения ПДДВ предполагает использование следующих электрических компонентов: собственно пьезоэлемента, обладающего некоторым импедансом, обкладок, подводящих проводов, а также последующего усилителя сигнала. Как отмечалось в разд. 1.1 ПДДВ относится к датчикам второго порядка, и, следовательно, его свойства зависят от рабочей частоты. Поэтому, и эквивалентная схема ПДДВ имеет разный вид на разных рабочих частотах. (Действительно, такие параметры, как сопротивление утечки, изоляции и т.д. зависят от используемого диапазона частот). Наибольшее распространение получила эквивален­тная схема Тевенина (рис. 4.13б), и ее упрощенный вариант (рис.4.13в), составленный в предположении, что сопротивление изоляции пье­зо­материала достаточно велико. Заметим, что импеданс ПДДВ на малых частотах в основном оп­ределяется активной составляющей сопроти­вления изо­ляции, в то время как на сре­дних и высоких частотах проявляются реактивные составляющие. На рис. 4.13 обозначено: Rд - со­противление изоляции (оно соответствует импе­дансу да­тчика на малых частотах), Cд - импеданс датчика на средних и высоких частотах, Rк, Cк - со­противление и емко­сть коаксиального ка­беля. Сопротивление и емкость изоляции Rи, Cи определяются зависимостями:

1/Rи = 1/Rд + 1/Rк и Cи = Cд + Cк

Нагрузкой для ППДВ обычно служит усилитель заряда или напряжения с высокоомным входным сопротивлением. Его эквивалентная схема также представляется параллельным соединением резистора Rн и конденсатора Cн. Таким образом, суммарная эквивалентная измерительная схема, включающая все элементы цепи примет вид представленный на рис. 4.14а. Эквивалентные сопротивление и емкость измерительной схемы (рис. 4.14б) равны соответственно: , Cэкв = Си + Сн. Характеристики ПДДВ определяются стабильностью параметров элементов образующих схему. Поэтому, для точных измерений недопустимо заменять отдельные элементы, даже на функционально подобные. (Так, в [ ] приведен пример, показывающий, что чувст­ви­тельность датчика с Сд = 1000 пФ снижается на 11% при подключении уси­лителя с Сн = 10 пФ коаксиаль­ным кабелем длиной 1 м с Ск = 100 пФ/м). Кроме того, параметры всех элементов зависят от тем­пературы, например, сопротивление изо­ля­ции Rд уменьшается на порядок каждые 33 оС (рис. 4.14в).

В ПДДВ используются измерительные схе­мы как генераторного, так и параметрического типов. Наиболее известными генераторными схемами являются усилители с высокоомным входом или специальные зарядовые усилители. Параметрические измерительные цепи строятся на основе мостовых схем.

В датчиках сил и аксельрометрах чаще всего используются усилители перемен­ного тока с высоким входным сопротивлением (не менее 500 Мом) и относительно невысоким усилением 10 (рис. 4.15). Надежность схемы определяется стабильностью всех элементов, особенно конденсатора С1. Благодаря нему все измене­ния заряда Q, вызванные действием ускорений пе­ре­даются на вход усилителя. Коэффициент преобра­зова­ния измерительной схемы равен:

,

Усилитель необходимо размещать вблизи датчика.

Зарядовый усилитель (рис. 4.16а) представ­ляет собой достаточно сложный функциональный преоб­разо­ватель «за­ряд - напряжение».

Первый блок (собственно преобразователь заряда) обычно устанавливается совместно (в одном корпусе) с ПДДВ. Последующие каскады, выполняющие функции согласования и фильтрации сигналов, могут быть отнесены от первого блока на некоторое расстояние. Эквивалентная схема зарядового усилителя представлена на рис. 4.16б. На практике для измерения квазистати­чес­ких сигналов стремятся максимально поднять постоянную вре­мени = RиCу, однако при этом возрастают пироэлектри­ческие шумы датчика, а также шумы линии связи. Функция преобразования ПДДВ с зарядовым усилителем в области низких частот имеет вид:

.

Пьезоэлементы могут объединяться в измерительную схе­му не только генераторного, но и параметрического типа. За последние годы появились новые технологические приемы, позволяющие выращивать пьезоэлектрические структуры непосредственно на поверхности упругого элемента. Данные технологии, широко при­меняемые в тензометрических измерительных системах, теперь позволяют строить интегральные ПДДВ по схеме раздельного преобразования. В частности, подобные датчики силы, давления, ак­сельрометры раз­работаны фирмой «Honey­well», США (рис. 4.17). Во всех датчиках используются пьезорезистивные диффузионные ЧЭ, объединенные в мос­­товую измеритель­ную схему. Упругим элементом, на котором расположены четыре ЧЭ, служит кремниевая диафрагма. С целью снижения погрешности предусмотрены меры по компенсации смещения нуля и изменения температурной чувствительности. Для этого используются внешние навесные элементы, а питание датчиков осуществляется от источника тока. На рис. 4.17 представлен пример включения датчика усилий серии FS с регулировкой смещения нуля и чувствительности. Интегральная измерительная цепь содержит усилитель с буферными каскадами (разд. 2.3). Выходной сигнал ПДДВ определяется выражением: Uвых = (U2U4) (1+2R/R1) + Uсм.

В завершение приведем характеристики некоторых моделей ПДДВ (табл. 4.5).

Таблица 4.5. Примеры промышленных ПДДВ

Модель

Измеряемый параметр

Диапазон

S

, %

Размеры, мм

m, кг

ДХП 096

Звуковое давление

0 ... 80 кГц

4мкВ/Па

2

425

0,005

ДПС 003

Динамическое давление

0 ... 5 106 Па

(f до 25 кГц)

1 10-4 мВ/Па

10

2755

0,25

АЛО 034

Ускорение

0 ... 6 м/с2

1 В/м/с2

1

464647

0,4


Вибрации

0 ... 1000 g

10 мВ/g


2025

0,005

K 9077

Усилия (Fx, Fy, Fz)

0 ... 88 кН (Fx, Fy)

0 ... 200 кН (Fz)

3,7 пКл/Н (Fx,Fy)

2 пКл/Н (Fz)

1 (1)

3*

10025

0,9

FSG15N1

Усилие

15 Н

0,24 мВ/г

1,5

12,789

0,1

К 9233

Деформация

0 ... 300 мСт

6 пКл/мСт

1 (2)

304054

0,21

Примечание.


Случайные файлы

Файл
159222.rtf
42128.rtf
11902.rtf
10350.rtf
163654.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.