Глава 3 (Учебник в электронном виде), страница 2
Описание файла
Файл "Глава 3" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 3"
Текст 2 страницы из документа "Глава 3"
Очевидно, что данное значение должно быть меньше заданного максимума Vmax, и тогда:
f < Vmax/2p l1.
(Например, для типичных значений Vmax = 2 м/с, l1= 0,3 мм, получим f < 1,1 кГц). Аналогично, для круговых РДП получим:
f < 3600 Nmax/2p a1
где a1 - амплитуда перемещений в градусах. (При Nmax = 40 об/с, a1 = 2о, f < 1,1 кГц).
Частотные электрические свойства определяются реактивными составляющими сопротивления. Постоянная времени t не зависит от частоты f и при w <<w0 равна:
где w - круговая частота переменного тока, L, C - соответственно межвитковая индуктивность и емкость, - собственная круговая частота РДП.
Проволочные низкоомные (до 10 кОм) РДП имеют постоянную времени t ~ 10-6 ... 10-7 c, высокоомные ~10-4 ... 10-5 c и не используются при частотах сети выше 10 ... 50 кГц. На таких частотах применяются пленочные датчики.
Погрешность нелинейности (мультипликативная составляющая полной погрешности) обусловлена отклонением отношения Uвых/Uи нагруженного датчика от ненагруженного. Величина относительной погрешности eнл равна:
Значение eнл, а, следовательно, чувствительность РДП зависит от величины относительного перемещения движка и сопротивления нагрузки. Наибольшее отклонение реальной кривой от идеальной имеет место при c= 2/3:
(Например, для Rн > 100 R0, eнл max не превышает 0,15%, а при Rн = 2 R0 она составляет 17%).
Линеаризация достигается двумя способами: включением резистора R* последовательно РДП (рис. 3.5а), или R* = R3 параллельно верхнему плечу РДП (рис. 3.5б). В первом случае, обозначив , получим: . Оптимальная линеаризация достигается при k = 1,5.
Разрешающая способность РДП характеризуется зоной нечувствительности D, равной: D = xmax/n, где xmax - диапазон измерения (линейный или угловой) РДП, n - число витков. Для проволочных РДП разрешение D, определяется максимальным перемещением, необходимым для перехода движка из своего положения в ближайшее соседнее. Оно зависит от формы и толщины проволоки, размеров движка и меняется по мере их износа. (Для увеличения разрешающей способности РДП используют проволоку малого диаметра, правда это приводит к более быстрому износу). В абсолютном измерении для лучших линейных РДП D ~ 10 мкм.
Величина погрешности нечувствительности eнч проволочного РДП определяется выражением:
eнч = DR/R0
где DR - минимальная величина изменения сопротивления РДП.
Значение eнч для РДП с проволочными ЧЭ составляет ~ 0,1 ... 3%, достигая для прецизионных моделей ~ 0,002%. Зона нечувствительности зависит от количества витков проволоки, замыкаемых движком, которое, даже в лучших моделях изменяется по длине датчика (рис. 3.6). Поэтому, функция преобразования РДП будет «ступенчатой», причем размеры ступенек неодинаковы. Это приводит к расширению полосы погрешностей за счет дополнительной нелинейности. Учитывая это обстоятельство, получим: DR = R0/2n, и следовательно
(eнч ) min = 1/2n
В целом аддитивная погрешность РДП оценивается значением 1/n … 2/n.
Дискретность функции преобразования проволочных РДП составляет для однооборотного типа ПТП-1 -150 мВ, для геликоидального двадцатиоборотного типа ППМЛ -10 мВ.
Наилучшее разрешение обеспечивают полосковые РДП, имеющие мелкозернистую структуру. (Для них погрешность нечувствительности составляет ~ 0,1 мкм).
Для увеличения разрешающей способности РДП используют рычажный привод, увеличивающий масштаб перемещения движка (рис. 3.7).
Люфт РДП обусловлен зазором между движком и осью датчика. В первом приближении справедливо:
DR = R0 d/gr,
где d - радиальный зазор между осью и втулкой, r - длина движка, g - угол дуги, занимаемый обмоткой. Тогда, погрешность люфта eл будет равна:
eл = DR/R0 = d/gr
Для уменьшения величины eл в конструкциях РДП используются осевые подшипники (например, в отечественных моделях СП5-21, СП4-8).
Шумы РДП обусловлены как свойствами ЧЭ датчика, так и наводками в измерительной цепи датчика. В первом случае - это аддитивная помеха, обусловленная изменением сопротивления РДП при перемещении движка. Она является следствием разнородности структуры ЧЭ в зоне контакта, вибраций и т.д. Запишем: Uвых(x) = Uсигн(x) + u(x), причем u(х) = Rш(x) i. Здесь Uсигн(x) - напряжение «чистого» сигнала, u(x) - составляющая шума, i - ток через подвижный контакт (i обычно не более 1 мА), Rш(x) - шумовое сопротивление РДП.
Допустимый уровень шума РДП указывается в паспорте на датчик. Например, для однооборотного РДП типа СП4-8 u(х) составляет 2 мВ. Величина Rш полосковых РДП существенно больше, чем проволочных и достигает 2%. Наличие шумов РДП, приводит к большим погрешностям при дифференцировании сигналов (например, при определении скоростей). Для их уменьшения, разрабатываются бесконтактные пленочные схемы с полосой из фотопроводящего слоя. Такие датчики (рис. 3.8), выпускаются в настоящее время многими фирмами (например, Segor, Франция и др.) Резистивный слой фотопотенциометра представляет собой пластинку, покрытую тонким слоем сернистого кадмия. Принцип действия РДП основан на внутреннем фотоэффекте. При освещении поверхности пластины образуется проводящая перемычка, сопротивление которой на несколько порядков ниже сопротивления затененных участков фоточувствительного слоя. Потенциал резистивного слоя снимается в точке х, и, следовательно, выходное напряжение является функцией координаты светового пятна. Если сопротивление нагрузки Rн >> Rосв, то данный прибор работает как обычный потенциометр. (Rосв - сопротивление освещенного участка). Чувствительность (крутизна) фотопотенциометра S составляет ~ 10 … 50 мВ/мм, при световой чувствительности Sс = Rосв/Rтем достигающей 106. Недостатком РДП этого типа является низкое быстродействие t ~ 1 … 5 мс. По такой схеме строят однокоординатные и двухкоординатные амплитудные следящие устройства (рис. 3.9). Технические характеристики промышленных РДП приведены в табл. 3.3. Обозначено: N - количество полных оборотов РДП (циклов преобразования).
Таблица 3.3. Примеры промышленных РДП
Модель | Тип | Диапазон, мм (град) | Быстродействие, м/с, (рад/с) | e, % | N, цикл | m, кг | Габариты, мм |
Вт-721 | линейный | 0 ... 16000 | 0,3 | 1 | 5 103 | 0,9 | 43´76´120 |
Вт-712 | круговой | (0 ... 688) | (1,3) | 1 | 6,5 103 | 0,2 | Æ53´56 |
Вт-714 | комбинированный | 0 ... 16000 (±70) | 1,5 (2) | 3 104 (5 104) | 1,0 | 56´120´133 | |
LP-250F | линейный | 0 ... 250 | 1,2 | 0,1 | 106 | 0,3 | Æ34´272 |
Примечание. Модель LP-250F разработана фирмой Midory Sokky, Япония.
К достоинствам РДП следует отнести простоту построения измерительных схем, высокий уровень выходного сигнала, малогабаритность и «встраиваемость» в оборудование. Следует отметить также, что они обладают радиационной стойкостью; и низкой стоимостью.
Недостатками РДП являются нелинейность характеристики при нагрузке, наличие зоны нечувствительности и малая износостойкость (не более 107 поворотов оси) для лучших моделей контактных РДП. Для них характерна также сравнительно малая частота вращения (до 100 ... 200 об/мин); чувствительност к вибрациям и загрязнению.
3.1.2. Электромагнитные датчики положения
Основу электромагнитных датчиков положения (ЭДП) составляют индуктивные или индукционные ЧЭ. Самые простые ЭДП строятся на базе индуктивных ЧЭ дроссельного типа. Пример такого ЭДП с дифференциальным включением катушек, его функция преобразования и эквивалентная схема представлены на рис. 3.10. Номиналы ЧЭ Z0 при перемещении сердечника изменяются в пределах: Z1 = Z0 + DZ и Z2 = Z0 - DZ, а функция преобразования может быть описана выражением вида:
Принцип включения подобного ЭДП в измерительную цепь показан на рис. 3.11. Здесь перемещение сердечника приводит к изменению электрического импеданса системы катушек Z » Z0 ± DZ, где составляющая DZ - характеризует изменение индуктивного сопротивления катушек. Синхронный детектор предназначен для выделения из усиленного сигнала компоненты пропорциональной непосредственно DZ. Промышленно выпускаемые индуктивные ЭДП, обладают линейной функцией преобразования в широком диапазоне перемещений: ± 0,1 ... ±200 мм, при eнл = 0,5 ... 2% и чувствительности S = 10 ... 100 мВ/В мм.
Индуктивные ЭДП, как правило, содержат встроенный сердечник, однако известны схемы, в которых регистрируется изменение поля внешнего магнита. Нередко применяются магниторезистивные ЧЭ и ЧЭ на основе эффекта Холла. Так, например, ЭДП со встроенными магнитами, работающий по принципу прерывания магнитного зазора между магнитом и ЧЭ, используется в качестве дискретного измерителя угла. Похожие датчики установлены в системах электронного зажигания автомобилей ВАЗ 2108 … 2110 (2AV54).
Во всех схемах ЭДП ЧЭ воспринимают изменение магнитного поля, поэтому они являются также измерителями индукции. (Промышленно выпускаются магнетометры с диапазонами измерения ± 2 … ± 2500 Гс).
Технические характеристики промышленных индуктивных ЭДП приведены в табл. 3.4. Обозначено: fраб - частота внешнего магнитного поля.
Таблица 3.4. Примеры промышленных индуктивных ЭДП
Модель | Диапазон, мм (град) | Uп, В | Uвых, В | e, % | fраб, Гц | DT0 | Размеры, мм |
992АА08 | 0 … 1,4 | 9 … 30 | ± 1,8 | ± 1 | 3000 | -25 … 80 | Æ8´40,1 |
992АВ30 | 0 … 16 | 10 … 30 | ± 1,8 | ± 3 | 250 | -25 … 80 | Æ30´51,8 |
НМС 1501 | (± 90) | 1 … 25 | 14 | 5 106 | -40 …125 | микросхема |
Примечания:
-
Датчики разработаны фирмой Honeywell, США,
-
Модель НМС 1501 содержит мостовую схему в виде 4-х плечного магниторезистивного ЧЭ.
Наиболее точные ЭДП строятся на базе индукционного подхода, в соответствии с которым магнитный контур образуют несколько катушек - первичных и вторичных, причем во вторичных индуцируется ЭДС индукции, величина которой пропорциональна относительному положению катушек. Поэтому, индукционные ЭДП относятся к классу электрических машин и разделяются на шесть основных групп:
-
дифференциальные трансформаторы,
-
индукционные потенциометры и микросины,
-
сельсины;
-
резольверы (Р, называемые также вращающимися трансформаторами - ВТ);
-
индуктосины (И);
-
редусины (РД).
Сравнительные характеристики индукционных ЭДП приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Сравнительные характеристики некоторых индукционных ЭДП
Тип ЭДП | Диапазон мм, (град) | eнл | eнл | S, мВ/В мм (мВ/В град) |
Дифференциальный трансформатор | 1 ...500 (+45о) | 0,05 ... 1 | 0,01...0,05 | 1... 500 (1 ... 10) |
Индукционный потенциометр | (120 ... 180о) | 0,1 ... 0,5 | (0,5 ... 20) | |
Микросин | (+10о) | 0,5 ... 1 | (100) | |
Сельсин | (360о) | 0,05 ... 1 | (10 ... 100) |
В робототехнике и мехатронных системах чаще используются резольверы, индуктосины и редусины, главным образом, благодаря большей точности при полном диапазоне измерения (± 3600) и сравнительно небольших размерах. В дальнейшем ограничимся рассмотрением именно этих типов индукционных ЭДП.