Тема 5 (Раздаточные материалы)

Тема 5. Датчики скорости и динамических величин

План занятия

1. Основные положения

2. Датчики скорости

2.1. Тахогенераторы

2.2. Тахометры

3. Датчики динамических величин

3.1. Датчики силы и давления

3.2. Акселерометры

3.3. Гироскопы

1. Основные положения

В робототехнике контроль скорости позволяет существенно повысить плавность хода и точностные характеристики приводов, является необходимым условием при построении систем управления позиционно-контурного типа.

1. Датчики скорости

П ринцип действия большинства промышленных датчиков скорости основан на законе Фарадея, в соответствии с которым ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф:

Тахогенераторы

Основные задачи: измерение угловой скорости вала, осуществление обратной связи по скорости, электромеханическое преобразование (интегрирование и дифференцирование).

Различают тахогенераторы постоянного тока и асинхронные тахогенераторы.

Тахометры

Тахометр — устройство для измерения частоты вращения (числа оборотов в единицу времени) деталей машин и механизмов. Различают три основных способа преобразования: преобразование "частота-угол отклонения стрелки" (механические и элетромеханические тахометры); подсчет импульсов в течение заданного временного интервала и измерение временного интервала между смежными импульсами и вычисление обратной функции.

1. Датчики динамических величин

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

Конструктивной особенностью ДДВ является то обстоятельство, что при проектировании возможно использовать общие подходы, т.к. ДДВ представляют собой дуальные пары.

Датчики силы и давления

При изготовлении датчиков силы и давления используют принципы раздельного (как в тезорезистивных или емкостных датчиках) или совмещенного (как в пьезоэлектрических датчиках) преобразования.

Выходной сигнал генераторных датчиков имеет форму заряда, напряжения или тока, а параметрических - изменение сопротивления, индуктивности или емкости.

П ьезоэлектрический ДДВ относят к датчикам второго порядка, а значит, его характеристики зависят от рабочей частоты. Пьезоэлемент является генератором заряда и на эквивалентных схемах его представляют источником тока I = dQ/dt, включенным параллельно кабелю. В датчиках обычно используют коаксиальный кабель, который обладает активным сопротивлением R_к и емкостью C_к. В свою очередь, пьезоэлемент также обладает достаточно высоким активным сопротивлением R_д и емкостью C_д. Схема составлена в предположении, что импеданс датчика на низких частотах в основном определяется сопротивлением R_д, а на средних и высоких частотах — емкостью C_д.

В эквивалентной схеме обычно используют сопротивление R_и и емкость C_и изоляции, равные

Т рансформаторные ДДВ используют в генераторных измерительных схемах. Спектр колебаний определяется размером и конструкцией датчика, а также упругими свойствами материала ЧЭ. Резонансные свойства пьезоэлектрического ДДВ зависят от его добротности

М агнитоупругие ДДВ предназначены для измерения динамических факторов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и механических колебаний. В основе работы датчиков этого типа лежит эффект магнитоупругости (эффект Виллари) — изменение намагниченности ферромагнетика при его деформации. Обратный эффект — магнитострикция, заключается в изменении размеров и формы тела при его намагничивании.

Электростатические (емкостные) ДДВ широко используют в кинестетических и локационных системах. В первых они выполняют те же функции, что пьезоэлектрические и магнитоупругие ДДВ, во вторых — служат для обнаружения объектов, но во всех случаях измеряемым параметром является вариация емкости датчика.

Наиболее распространенные измерительные цепи емкостных датчиков используют зарядовый усилитель, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения.

Акселерометры

Перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными величинами - ускорение является второй производной перемещения. Однако производная сильно зашумленного сигнала содержит очень большие погрешности. Поэтому, производную от перемещения целесообразно вычислять только в низкочастотной области измерений (не выше 1 Гц), в среднечастотной области (до 1 кГц) используют датчики скорости, а в высокочастотной, когда перемещения соизмеримы с шумом, используют датчики ускорения — акселерометры.

В состав инерционных акселерометров входит подпружиненный массивный элемент, движение которого под действием внешних силовых факторов отстает от движения корпуса. Измеряемым параметром является перемещение этого элемента (обычно не более 15…20 мкм), которое преобразуется в электрический сигнал.

Г ироскоп представляет собой навигационный прибор, предназначенный для определения углов ориентации подвижного объекта относительно инерциальной системы координат. Различают следующие типы гироскопов: механический (роторный); монолитный (MEMS-гироскоп) и оптический.

Принцип действия монолитного MEMS-гироскопа вибрационного типа, также как и роторного гироскопа, основан на использовании эффекта Кориолиса. Во внутренней рамке генерируются колебания с постоянной амплитудой, вследствие чего инерционная масса начинает вибрировать вдоль горизонтальной оси. Если при этом гироскоп будет совершать вращение с угловой скоростью w вокруг оси Z, то сила Кориолиса заставит внутреннюю рамку вибрировать относительно внешней с частотой, равной частоте генерируемых колебаний и амплитудой, пропорциональной w.