Файл: Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1.pdf

43
Лекция №6
Методы измерения линейных и угловых перемещений. Датчики скорости
(частоты вращения), положения.
Датчики линейных перемещений
Рассмотрим, что такое линейное перемещение.
Понятие перемещения относится к двум и более телам, определить перемещение одного тела, не рассматривая при этом другого, невозможно. Всегда надо рассматривать систему тел. Тело, от которого непосредственно производится измерение перемещения, называется телом отсчета, и считается неподвижным.
Можно определять точку отсчета в какой-то нулевой момент, после которого и надо измерить перемещение. Таким образом, перемещение можно определить как, расстояние на котором оказалось данное тело относительно тела или точки отсчета через определенное время. Тело может двигаться в разных направлениях от тела отсчета и по разной траектории. Линейное перемещение – это длина прямой от начальной, до конечной точки перемещения. Траектория движения может быть любой.
Часто в течение какого-то технологического процесса необходимо точно измерить перемещение объекта, его смещение. Для автоматизации этих измерений удобно использовать датчики, которые преобразуют линейное перемещение на входе, в электрическую величину на выходе.

44
S – площадь поперечного сечения проводника.
Из формулы (1) следует, что для изменения сопротивления надо изменить площадь или длину проводника. Легче всего изменять длину. Простейшим способом изменения сопротивления резистора за счет изменения длины проводника, является, перемещение отвода (скользящего контакта). Реостатные датчики (потенциометры) выполняются с продольным или круговым перемещением. При приложении к ползунку усилия или крутящего момента его продольное или угловое перемещение преобразуется в изменение сопротивления и далее в изменение снимаемого с реостата напряжения или проте¬кающего тока.
Так как длина проводника стоит в числителе, то зависимость сопротивления будет подчиняться линейному закону. Выходная величина, напряжение на резисторе, тоже будет изменяться линейно.
Часто применяют измерительные потенциометры, изме¬нение сопротивления которых связано нелинейной зависимостью с перемещением ползунка. Эти функциональные потенциометры могут иметь квадратичную, синусоидальную или другую, отвечающую специальным требованиям, характеристику.
Для обеспечения минимальной обратной реакции необходимые для перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны, что успешно достигается в прецизионных потенциометрах. Существуют конструкции реостатных датчиков, в которых момент, необходимый для перемещения ползунка, равен 4 мН-см, что позволяет в большинстве случаев пренебречь обратной реакцией.
Большое значение имеет разрешающая способность чувствительного элемента, определяемая изменением сопротивления между двумя соседними витками обмотки.
Погрешность реостатных датчиков определяются:
-ступенчатостью изменения сопротивления;
-изменением сопротивления от температуры;
-изменением свойств материала; это явление заметно в полупроводниковых датчиках, где погрешность может достигать 1—2%;
-отклонением фактической характеристики от расчетной. Нелинейность характеристики лежит в пределах 0,1—3%. При специальной намотке она может быть снижена до 0,01%.
В датчиках с ртутным контактом имеет место дополнительная погрешность
0,5—1% за счет явления поверхностного натяжения.
Преимуществами реостатных датчиков является: простота конструкции, дешевизна, большая чувствительность и выходная мощность, малые погрешности

45 нелинейности; высокое разрешение; применимость в вычислительных устройствах.
Недостатки: небольшой срок службы и малая надежность, связанные с истиранием скользящего контакта, значительное измерительное усилие.
Характеристики реостатных датчиков
-входная величина: линейное или угловое перемещение.
-выходная величина: изменение сопротивления.
-диапазон измерения: линейный до 60 мм, угловой до 355°;
-погрешность от нелинейности характеристики; 0,1—0,3 %.
-динамические характеристики (частотный диапазон): зависят от параметров механических преобразователей, включенных перед потенциометром; при линейных и угловых измерениях до 5 и до 1000 Гц соответственно.
Индуктивные датчики
Основные положения
Уравнение, определяющее индуктивность обмотки, имеет следующий вид:
L = ω2μА /l (2) где ω — число витков;
А — площадь поперечного сечения магнитной цепи; l — ее длина;
μ — магнитная проницаемость.
Из уравнения (2) следует, что изменения индуктивности L, можно достичь изменением длины l (воздушного зазора), поперечного сечения А или магнитной проницаемости μ. Длина и сечение магнитопровода являются геометрическими размерами; магнитная проницаемость может быть изменена, например, путем приложения механических усилий, для магнитоупругих чувствительных элементов.
Чувствительные элементы с подвижным якорем
При перемещении железного якоря в катушке перераспределяется число силовых линий, проходящих внутри якоря или по воздуху, что вызывает изменение магнитного сопротивления, а следовательно, индуктивности L.
Изменение индуктивности зависит от перемещения якоря нелинейно, поэтому чаще применяют дифференциально-включенные системы. В этом случае при ходе якоря индуктивность одной катушки увеличивается на +ΔL, а индуктивность другой уменьшается на равное значение -ΔL. С помощью, например, мостовой схемы разность изменений индуктивностей может быть преобразована в электрическое напряжение.
В отличие от описанных индуктивных элементов, выходной величиной которых является изменение индуктивности, преобразуемое затем с помощью

46 электрической схемы в напряжение, чувствительные элементы, основанные на дифференциально-трансформаторном принципе, позволяют непосредственно получить в качестве выходной величины напряжение.
Чувствительный элемент состоит из первичной катушки, к которой приложено переменное напряжение, и двух вторичных катушек, в которых при симметричной конструкции и среднем положении якоря индуцируются одинаковые напряжения. Вторичные катушки включены дифференциально, и раз¬ность напряжений на выходных клеммах равна нулю. При смещении якоря возникает разность напряжений, линейно зависящая от хода якоря.
Характеристика индуктивных элементов с подвижным якорем:
-входная величина: линейное перемещение, угол отклонения;
-выходная величина: изменение индуктивности, переменное напряжение;
-диапазон измерения: 80 % длины катушки;
-погрешность от нелинейности: 1—3 %;
-частотный диапазон: 0—104 Гц;
-преимущества: высокая чувствительность, простота конструкции, отсутствие износа, применимость при больших перемещениях якоря.
Датчики данных систем имеют существенные недостатки – это нелинейность характеристики и чувствительность к внешним магнитным полям.
Чувствительные элементы с поперечным перемещением якоря
Индуктивный чувствительный элемент с поперечным перемещением якоря предназначен для измерения малых перемещений и их изменений. Для достижения возможно большей чувствительности и линейной характеристики чувствительный элемент выполняют в виде сдвоенных катушек с воздушными зазорами.
Катушки одинаковы, якорь расположен между двумя магнитопроводами с зазорами.
При перемещении якоря на расстояние Х изменяются индуктивности L1 и
L2 обмоток. В зависимости от направления перемещения одна из индуктивностей увеличивается, а другая уменьшается. На выходе формируются два сигнала, направленных навстречу друг другу. Разность этих сигналов поступает в измерительный канал, состоящий из преобразователей и измерительного прибора.
Наличие двух дифференциально включенных индуктивностей не только обеспечивает удвоенную чувствительность по сравнению с одно-катушечной системой и улучшенную линейность характеристики, но и одновре¬менно компенсирует влияние изменений температуры и потоков рассеивания. Так как погрешности, вызванные влияющими величинами, взаимно компенсируются, а реакция на изменение неэлектрической величины гораздо сильнее. Данное свойство относится ко всем типам дифференциальных датчиков.
Характеристика элементов с поперечным перемещением якоря.

47
-входная величина: перемещение;
-выходная величина: индуктивность;
-диапазон измерения: до 1 мм;
-погрешность от нелинейности: 1—3 %;
-частотный диапазон: 0—104 Гц;
-преимущества: крайне высокая чувствительность, конструктивная простота;
-недостатки: нелинейность, незначительный диапазон измерений, чувствительность к внешним магнитным полям, большое измерительное усилие.
Емкостные чувствительные элементы
Основные положения
Действие емкостных датчиков перемещения основано на преобразовании входной величины в изменения емкости конденсатора.
Если выбрать конденсатор с плоскими параллельными пластинами, разнесенными на расстояние, и пренебречь всеми краевыми эффектами, то емкость такого датчика можно определить по формуле:
С(х)=(ε
0
εS)/d (3) где ε
0
=8,8542-10-12 А•с/(В•м)- диэлектрическая постоянная;
ε- относительная диэлектрическая проницаемость;
S- площадь пластин; d- расстояние между пластинами.
Таким образом, из формулы (3) следует, что емкость является функцией расстояния между электродами, площади электродов и диэлектрической проницаемости диэлектрика между электродами. Очевидно, что имеются три метода реализации емкостного датчика перемещения: можно изменять расстояние между обкладками, площадь электродов и диэлектрическую проницаемость.
Емкостные чувствительные элементы, основанные на измерении изменения ε, применяют главным образом для определения состава веществ (при полном заполнении зазора контролируемой средой) и для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора, поэтому данный метод не рассматривается.
Чувствительные элементы с изменяющимся зазором
Изменение параметра d в формуле (3), приводит к изменению емкости по гиперболическому закону. Только при малых относительных изменениях расстояния, зависимость будет линейна. Для получения линейной зависимости необходимо, чтобы рабочий ход был не более 0,1 от начального зазора d.
Изменение емкости основано на изменении ширины зазоров, в результате перемещения средней пластины. Подобно индуктивному чувствительному элементу, с поперечным перемещением якоря и сдвоенными обмотками

48 дифференциальный принцип и в этом случае наряду с удвоением чувствительности обеспечивает расширение линейного диапазона.
Характеристика чувствительных элементов с изменяющимся зазором
-входная величина: перемещение;
-выходная величина: изменение емкости;
-диапазон измерения: до 1 мм;
-погрешность от нелинейности: 1—3 %;
-частотный диапазон: 0 — 105 Гц;
-преимущества: малая величина необходимых для измерений усилий и достаточная чувствительность при высоких температурах;
-недостатки: чувствительность нелинейна; очень большое внутреннее сопротивление; необходимость применения коротких подводящих проводов; чувствительность к электрическим помехам.
Чувствительный элемент с изменяющейся площадью пластин
В формуле емкости конденсатора (3) величина S представляет собой площадь взаимного перекрытия пластин. Смещением обеих пластин относительно друг друга можно изменить площадь их перекрытия, причем для пластин прямоугольной формы зависимость площади от смещения линейна. Поскольку площадь находится в числителе формулы емкости конденсатора, то она линейно зависит от смещения. Использование пластин различной формы позволяет получить квадратичные, логарифмические и т. п. зависимости.
Датчики, основанные на данном методе способны измерять перемещения до нескольких сантиметров. Они имеют линейную характеристику, и просто получить характеристики других видов. Но они чувствительны к помехам, высокоомны, необходимо точное механическое изготовление.
Датчики с тросиковым приводом
Датчики с тросиковым приводом предназначены для измерения длин и линейных перемещений.
Устройство датчика: на барабан (1) внутри датчика намотан в один слой измерительный тросик. При вытягивании тросика через выход (2) барабан вращается. При этом измерительный датчик угловых перемещений (3), непосредственно связанный с осью барабана, вырабатывает электрические сигналы, характеризующие перемещение тросика. Возврат тросика и намотка на барабан осуществляется с помощью спиральной возвратной пружины (4) на оси барабана. Конец тросика можно легко закрепить на контролируемом объекте.
Использование обводных роликов с гибким тросиком позволяет измерять линейные перемещения в труднодоступных местах.