Тема № 14. Датчики перемещения

При автоматизации технологических процессов и строительных машин приходится использовать сигналы, связанные с перемещением машин и их узлов, конструкций а также с деформациями сооружений. Диапазон измеряемых перемещений может быть весьма различным - от микрометров до метров, что определяет требования к типу и конструкции измерительного преобразователя. Преобразователь перемещения– измерительный преобразователь линейных или угловых перемещений в электрический, пневматический или механический сигнал. Преобразователи перемещения могут входить в состав датчиков для измерения других физических величин, о чем буде сказано в дальнейшем. Наиболее распространены контактные, реостатные, индуктивные, взаимоиндуктивные и емкостные преобразователи.

Контактные преобразователи - наиболее простые преобразователи перемещения. Они могут быть одно- или многопредельными, т. е. иметь одну или несколько пар замыкающих или размыкающих контактов (рис. 1).

 

 

 

Рис. 1.

Один из контактов пары неподвижен, а другой связан с перемещением объекта, о котором необходимо получить информацию. Следовательно, перемещение может преобразовываться в замыкание или размыкание электрической цепи. Режим работы контактов в таких устройствах должен обеспечивать их стабильность. Не допускается образование между контактами дуги или искры, ведущих к их разрушению. Поэтому мощность устройств, включаемых контактными преобразователями, не должна быть больше 150 мВт. Рабочий диапазон таких преобразователей - от микрометра до десятков метров.

Реостатный преобразователь перемещенияпредставляет собой переменный резистор, движок которого может совершать линейное или угловое перемещение. Если связать с движком перемещение узла устройства или машины, то получим зависимость сопротивления преобразователя от перемещения, которая может быть линейной или нелинейной - в зависимости от конструкции преобразователя.

Рис. 2.

Сопротивление – это величина, характеризующая противодействие электрической цепи (или ее участка) электрическому току.

Реостатный преобразователь состоит (рис. 2 а) из жесткого изоляционного каркаса, на который намотана калиброванная проволока из сплава высокого сопротивления, например константана. По каркасу с проволокой скользит движок. Формы каркаса и характер намотки зависят от требуемого закона изменения сопротивления вследствие перемещения движка.

Функциональная зависимость, тока цепи с реостатным преобразователем от перемещения движка зависит также от схемы включения. Так, для схемы, показанной на рис. 2 б, зависимость тока цепи от перемещения нелинейная и определяется выражением

где I – ток в цени; U - напряжение питания схемы R_о - сопротивление добавочного резистора; R - полное сопротивление преобразователя; А1 - перемещение движка; L - полная длина перемещения движка.

Реостатные преобразователимогут быть использованы в диапазоне перемещений от 5 до 150 мм.

Тензопреобразователи (тензодатчики) предназначены для измерения малых перемещений. Они основаны на зависимости активного сопротивления проводника или полупроводника от его механической деформации.

Эта зависимость характеризуется коэффициентом относительной тензочувительности

где - относительное изменение сопротивления тензопреобразователя; - относительное изменение длины проводящего материала.

Коэффициент относительной тензочувствительности может быть представлен также выражением

где μ; - коэффициент Пуассона, характеризующий связь продольной и поперечной деформаций (для металлов μ; = 0,24...0,4).

В настоящее время применяются проволочные, пленочные и фольговые тензодатчики.

Проволочный тензодатчик (рис. 3.) состоит из бумажной подложки 1, на которую наклеивается петлеобразно уложенная тонкая проволока 2 диаметром 0,2...0,5 мм. К концам проволоки припаяны медные выводы 3. Сверху наклеивается другой слой бумаги. Такой тензодатчик наклеивается на испытуемую деталь или конструкцию и воспринимает деформацию его поверхностного слоя - входную величину преобразователя. Выходной величиной является сопротивление датчика.

 

Рис. 3.

Длина одной петли проволоки называется базой тензодатчикаи равна от 2 до 200 мм и более. Сопротивление тензодатчика от 30 до 500 Ом. Тензодатчики приборы массового применения, поэтому они изготавливаются серийно.

В качестве измерительной цепи используется мостовая схема постоянного или переменного тока. Хотя температурный коэффициент сопротивления тензодатчика очень мал, приходится применять меры для компенсации температурной погрешности. Для этого в плечо моста (рис. 4), смежное с тензодатчиком Ri, включается такой же ненагруженный тензодатчик R₂. Эти два элемента образуют полумост, который располагается на исследуемой детали ИД.

В качестве измерительной цепи используется мостовая схема постоянного или переменного тока. Хотя температурный коэффициент сопротивления тензодатчика очень мал, приходится применять меры для компенсации температурной погрешности. Для этого в плечо моста (рис. 4), смежное с тензодатчиком R₁, включается такой же ненагруженный тензодатчик R₂. Эти два элемента образуют полумост, который располагается на исследуемой детали ИД.

Рис. 4.

Наша промышленность выпускает тензометрические установки - тензостанции, обеспечивающие измерение и регистрацию по нескольким каналам.

Индуктивный преобразователь перемещения представляет собой соленоид с ферромагнетиком. Конструкции таких преобразователей могут быть различны. В одном случае соленоид жестко связан с неподвижной частью магнитопровода, другая часть которого подвижна (рис. 5, а). В другом случае ферромагнетик перемещается внутри соленоида (рис. 5, б ). В обоих случаях индуктивность соленоида зависит от перемещения ферромагнетика. Общее сопротивление соленоида определяется выражением

где r - активное сопротивление обмотки; ωL ( Δ x) - индуктивное сопротивление обмотки, являющееся функцией перемещения Δ х.

а б в

Рис. 5.

Зависимость тока в цепи соленоида от перемещения показана на рис 5, в. Серьезным недостатком индуктивных преобразователей являются нелинейная зависимость тока цепи от перемещения и возникновение значительных ферродинамических усилий между неподвижным и подвижным элементами прибора.

Эти недостатки устраняются в преобразователях, построенных по дифференциальной схеме (рис. 6, а, б). Зависимость тока указателя от перемещения для дифференциального преобразователя показана на рис. 6, в.

а

б

в

Рис. 6.

Изменение знака тока при изменении знака Δ х, показанное на графике, означает перемену его фазы на обратную.

Взаимоиндуктивные (трансформаторные) преобразователи перемещений от индуктивных отличаются наличием двух обмоток на магнитной системе, позволяющих получить индуктивную связь между источником питания и указателем или выходом схемы, что удобно во многих случаях. На рис. 7 показано несколько конструктивных схем таких датчиков.

 

а	б
в	г

 

Рис. 7.

Так, на рис. 7, а и б представлены дифференциально-трансформаторные датчики, а на рис 7, в — ферродинамический датчик угла поворота.

Ферродинамический датчик состоит из шихтованного магнитопровода с кольцевым воздушным зазором, в котором вращается рамка. На магнитопроводе находятся две обмотки, к одной из которых подводится питание U₁. ЭДС U₂, наводимая в рамке, зависит от угла ее поворота. Вторая обмотка, расположенная на магнитопроводе, может соединяться последовательно с рамкой, чему соответствует прямая {U₂+U₂^٭)a, что позволяет расширить предел измеряемого угла поворота. Зависимость выходного напряжения от угла α показана на рис. 7, г. При изменении знака угла поворота напряжение U₂ изменяет фазу на обратную.

Емкостный преобразователь перемещения - это конденсатор с подвижными пластинами или с подвижным диэлектриком. Конденсатор может быть плоским или цилиндрическим. Емкость плоского конденсатора изменяется при перемещении одной из обкладок (рис. 8) и определяется выражением

C = εs/δ;

где ε; - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; s - площадь поверхности обкладок конденсатора, находящихся во взаимодействии; δ; - расстояние между обкладками.

 

Рис. 8.

 

Емкостные преобразователи обычно питаются напряжением повышенной частоты и включаются в одно из плеч мостовой схемы или по дифференциальной схеме.