Глава 4 (Учебник - информационные системы), страница 5

где u - измеряемое напряжение в разомкнутой цепи, K, K⁺ - коэффициенты, пропорциональные числу витков N катушки и ее сечению.

Генераторные МДДВ наиболее просты и миниатюрны, но работают только в динамическом режиме, поскольку измеряется параметр dF/dt (d/dt).

Наиболее распространенная схема параметрического МДДВ (рис.4.21) основана на измерении вариаций магнитной проницаемости  под действием механической нагрузки на сердечник. Параметрические МДДВ разделяются на две группы: дроссельные (изменяется индуктивность катушки) и трансформаторные (изменяется взаим­ная индук­тивность).

Во всех случаях справедливо выражение: / = R_/R_= L/L = S_м Следовательно, функцию преобразования параметриче­ского МДДВ будет равна:

 / = S_м 

Мерой магнитоупругого эффекта МДДВ является магнитоупругая чувствительность S_м равная:

S_м = /.

(S_м = 2 10^-9 м²/Н - для железоникелевых сплавов, _max = 8 10⁷ Н/м² - для пермаллоя).

Недостатком МДДВ является изотропия магнитных свой­ств, а также зависимость формы магнитного поля от величины нагрузки. Устранение этих недостатков требует увеличения размеров магнито­провода (что приводит к уменьшению кра­евых эффектов) и ограничения диапазона измеряемых параметров до 50% от номинальных значений. В этом случае, удается обеспечить 1% точность измерений.

Метрологические свойства МДДВ определяются тремя основными факторами: магнитоупругой чувствительностью материала сердечника S_м, уровнем допустимых механических напряжений и частотными характеристиками материала.

S_м определяется допустимым уровнем / и зависит от химического состава материала, характера термообработки, типа напряженного состояния (растяжение, сжатие, кручение). Максимальные значения / достигают 40%, при напряжениях 5 ... 8 кг/мм², что соответствует деформациям  2 10^-4 ... 4 10^-4 .

Характеристики некоторых моделей МДДВ приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Примеры промышленных МДДВ

Примечание. Модель TS-V разработана фирмой Takatiho Seyky, Япония.

МДДВ нашли довольно широкое применение в специальных областях техники. На рис. 4.22 представлен пример использования МДДВ в качестве датчика момента в системе ДСД с пассивным отражением усилия [ ]. Системы этого типа при­­меняются в ди­ста­н­ци­онно-уп­рав­ля­­­е­мых ма­­нипуля­торах, когда на задающее ус­тройство необходи­­мо передать инфо­рмацию о силовом вза­имодействии испо­­лнительного меха­низма с объектом ра­бот. Это свойство обеспечивается с помощью обратного канала отражения усилия, который имитирует нагрузки, действующие на исполнительный механизм. В канал отражения усилия входит имитатор нагрузки (загружатель), бесконтактный датчик мо­мента (тордуктор) и усилитель. В данной схеме испо­льзуется пассивный загружатель, который ра­з­вивает момент то­лько при при­ло­же­нии нагру­­зки со сто­роны опе­­­ратора. Такая схема существе­нно упро­щает упра­в­ление ма­­­­­нипуля­то­ром и не тре­бует постоян­ного ко­нтроля его состо­яния. В качестве пассивного загружателя чаще всего применяются фрикционные электромагнитные муфты. При отсутствии сигнала управления с тордуктора (при М_н = 0) половинки муфты свободно скользят друг относительно друга, и оператор не ощущает нагрузки. Если же М_н  0 на тордуктор формирует сигнал на загружатель и возникающий в нем магнитный поток прижимает обе половинки муфты друг к другу. Момент на валу оператора М_оп является пассивным, т.е. он не может привести в движение вал оператора. Система ДСД с пассивным отражением усилия позволяет манипулировать тяжелыми объектами, в частности переносить радиоактивные контейнеры в реакторной зоне. Тордуктор с ди­а­пазоном измерения 250 ... 7500 Нм конструктивно выпол­нен в виде трансформатора, с одной первичной обмоткой и несколькими вторичными, образующими дифференциальную схе­му. На рис. 4.22 обозначено: I_оп и I_н - моменты инерции вращающихся частей кинематической передачи на валу оператора и нагрузки, М_сопр - момент сопротивления. В некоторых случаях, тордуктор устанавливается также и на задающей стороне.

Отметим основные достоинства МДДВ. В первую очередь, это большая выходная мощность, не требующая усилительных каскадов, высокая жесткость и надежность технических решений. Благодаря этому, МДДВ используются в экстремальных условиях (при высокой влаж­ности, давлении и т.д.). К недостаткам МДДВ относятся ограниченная полоса пропускания (всле­д­ствие токов Фуко) и невысокая точность.

4.2.3. Электростатические датчики

Электростатические (емкостные) датчики широко ис­пользуются в кинестетических и локационных системах. В первых они выполняют те же фун­кции, что П- и МДДВ, во вторых используются для обнаружения объектов (например, в охран­ных системах разного рода). Во всех случаях измеряемым параметром является вариация емкости датчика.

Простейший электростатический ДДВ (ЭСДДВ) представляет собой электромеханический преоб­разователь, в корпусе которого размещены два (или более) параллельных или концентрических электрода площадью $, разделенных диэлектрическим слоем жесткостью G. Емкость C плоского конденсатора (рис. 4.23б) без учета краевых эффектов (т.е. при d << $) определяется известной зависимостью:

C = ₀ $/d,

где ₀ = 8,85 10^-12 Ф/м,  - диэлектрическая проницаемость слоя, d - расстояние между электродами.

Для цилиндрического конденсатора (рис. 4.23а) справедливо следующее выражение:

З десь l - глубина погружения внутреннего цилиндра радиусом r_вн во внешний радиуса r_внеш. Как следует из представленных формул, факторами, влияющими на емкость датчика C, являются его геометрические размеры и параметры диэлектрического слоя. При этом, однако, существенно, что указанные факторы до­лжны быть динамическими; для конденсатора характерен эффект стекания заряда, рассмотренный в разд. 4.2.1. Следовательно, к ЭСДДВ применимы те же ограничения, что и к ПДДВ. Преобразователи этого типа работают на переменном токе с несущими час­тотами от 50 кГц до нескольких МГц.

ЭСДДВ классифицируются по трем основным признакам.

1. По форме: плоские и цилиндрические.

2. По типу диэлектрика: воздушные, керамические и полупроводниковые.

3. По влияющему фактору: ЭСДДВ, в которых изменяется взаимное положение электродов-обкладок и ЭСДДВ с изменяемой диэлектрической проницаемостью.

Емкостные преобразователи с воздушным диэлектриком используются при измерении сил и ускорений, в качестве детекторов близости и т.д. Применение пьезокерамических материалов, диэлектрическая проницаемость которых сильно зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления, позволяет строить датчики контроля параметров окружаю­щей среды. Наконец, для ЭСДДВ могут применяться структуры на базе запертых p-n переходов - варикапов, где p и n области играют роль пластин, разделенных обедненным слоем, ширина которого, а, следовательно, и емкость, изменяются под действием приложенного напряжения.

Э СДДВ являются обратимыми электромеханическими преобразователями. С электрической стороны они характеризуются: напряжением между пластинами U, зарядом q = C U, током i = dq/dt и энергией W_э = qU/2 = CU²/2. С механической стороны выделяют: жесткость G, взаимное перемещение электродов x и скорость их перемещения V = dx/dt, под действием силы F, а также силу притяжения электродов f_эс = dW_эс/dx.

Взаимосвязь механической и электрической сторон преобразователя описывается линеаризованными уравнениями вида:

dF = G x + E₀ C₀ U и dq = E₀ C₀ x + C₀ U.

Эти зависимости даны в предположении, что вариации U и x малы по сравнению с начальными напряжением и зазором и, сле­довательно, емкость C₀ и напряженность поля E₀ постоянны. Из приведенных уравнений видна взаимосвязь электрических и механических характеристик ЭСДДВ с коэффициентом электромеханической связи K_эм = E₀ C₀. В частности, из второго уравнения следует, что ток через преобразователь определяется не только со­став­ляющей i₁ = dq/dt = C₀ (dU/dt), но и не всегда учитываемой составляющей, обусловленной перемещением эле­к­тродов: i₂ = dq/dt = E₀ C₀ (dx/dt).

ЭСДДВ отличаются простой и весьма надежной конструкцией. В качестве диэлектрического слоя обычно используется воздух. При измерении механических величин ЭСДДВ используются в системах контроля силовых факторов и малых перемещений или де­формаций. Режим включения датчика определяется его жесткостью и частотными характеристиками входного воздействия.

Диапазоны измерения ЭСДДВ составляют:

• в режиме измерения малых перемещений не более 1 ... 2 мм;

• в режиме измерения сил 10^-2 Н ... 10⁷ Н.

Ф ункция преобразования емкостного датчика зависит от его конструкции и схемы включения. В частности, для простого цилиндрического ЭСДДВ, за­висимость емкости С от перемещения х = l строго линейна: С = Кх, где К = 2₀/lg(r_вн/r_внеш). Чувствительность датчика S равна крутизне его характеристики К и постоянна. При использовании плоского ЭСДДВ с изменяемым воздушным зазором, зависимость С от х нелинейна: С = ₀ $/(d + х), и S = ₀ $/(d + х)². Очевидно, что чувствительность S тем выше, чем ближе расположены электроды друг к другу. Для увеличения линейности ЭСДДВ используется схема двойного дифференциального конденсатора (рис. 4.24). ЭСДДВ с переменным зазором измеряют перемещения в пределах 0,1 … 1 мм. Существенно больший диапазон измерения имеют датчики с изменяемой площадью обкладок, он достигает 10 и более мм. Однако эта схема обладает меньшей чувствительностью. Так, для одиноч­ного плоского конденсатора со стороной равной а, имеем S₂ = ₀ а/d и при S₁ = ₀ а²/d² получим S₂/S₁<<1.

Э СДДВ является измерительным устройством второго порядка, и, следовательно, частотно-зависимым прибором. В эквивалентной схеме ЭСДДВ учитываются емкость датчика C_д, его сопротивление изо­ляции между электродами R_ут, сопротивление R_к и индуктивность L_к кабеля, а также паразитная емкость C_п между электродами и заземленными деталями ко­н­струкции (рис. 4.25а). Вид эквивалентной схемы определяется режимом работы датчика. Так, при работе на низких частотах активное сопротив­ле­ние конденсатора R_ут велико и влияние индуктивности L_к и сопротивления кабеля R_к (оно называется также сопротивлением ввода) не сказывается. При работе на высоких частотах сопротивление R_ут падает и большую роль начинают играть индуктивность и сопротивление ввода. Шунтирующее действие сопротивления утечки перестает сказываться (рис. 4.25б). В этом случае удобнее последовательная эквивалентная схема преобразователя.