Основные параметры и их характеристики в механотронах продольного управления

Основные параметры и их характеристики в механотронах продольного управления

Чувствительности механотронов:

η_im = σ Ψ_i

η_um = σ Ψ_u

равны произведению чувствительностей его кинематической и электродной систем.

где    σ — чувствительность кинематической системы механотрона;

Рекомендуемые материалы

Ψ_i, Ψ_u — соответственно чувствительности его электродной системы по току и напряжению перемещения подвижных электродов.

Чувствительность σ является важнейшим кинематическим параметром системы и определяется:

где    ∆d — перемещение подвижных электродов механотрона, которое вызвано воздействием механической величины М.

В зависимости от вида преобразователей и размерностей  ∆d и М чувствительность σ может иметь различные размерности.

Основной характеристикой кинематической системы механотрона продольного управления является зависимость перемещения его подвижного электрода от измеряемой механической величины.

∆d = σ М          ∆d = f(М)

В общем случае основные характеристики кинематических систем нелинейны, но т.к. перемещения подвижных электродов большинства механотронов малы, поэтому в рабочем диапазоне измеряемых механических величин выходные характеристики считают линейными, а чувствительность постоянной.

При расчётах и проведении экспериментов с механотронными преобразованиями перемещений и усилий для характеристики кинематической системы очень часто используют величину, обратную чувствительности (жёсткость кинематической системы).

Важным параметром механотронного преобразователя является частота собственных механических колебаний, которую часто называют резонансной частотой системы f_о.

где   М — масса колеблющейся системы;

σ_F — чувствительность к перемещению под действием силы;

k — коэффициент, который зависит от типа и геометрии механотронной системы.

Из последнего выражения видно, что повышение частоты f_о может быть получено путём уменьшения массы М и повышением жёсткости λ. Но увеличение λ приводит к уменьшению чувствительности.

Механотронная электродная система обычно характеризуется следующими основными параметрами:

1. внутренним дифференциальным сопротивлением R_i;

2. чувствительностью по току Ψ_i;

3. чувствительностью по напряжению Ψ_u к перемещению подвижного электрода.

Электрический режим работы механотрона до механического воздействия на него обычно характеризуется начальными значениями анодного тока, анодного напряжения и начальным межэлектродным расстоянием в нём.     

I _ао, U_ао,d_ао

Рассмотрим параметры R_i, Ψ_i, Ψ_u   на примерах вакуум­ных­ ди­­одных и триодных  механотронов продольного управле­ния­.

Под чувствительностью по току к перемещению в данном слу­чае понимается отношение изменения анодного тока I к ве­ли­­чине приращения перемещения подвижного анода (при по­сто­­янном напряжении на электродах).

Для диодных механотронов:

                 U_a=const   

Для триодных механотронов:

U_c — напряжение на сетке.

Переходя к частным производным, получим, что чувствительность диодного механотрона:

и триодного:

Т.к. ∆d = d - d_o — разность между текущим расстоянием между электродами и начальным, т.е. при М=0, поэтому учиты­вая, что d_o=const выражение для чувствительности, мож­но переписать:

Под чувствительностью по напряжению к перемещению понимают зависимость отношения изменения анодного напряжения к величине приращения перемещения:

                          

Под дифференцированным внутренним сопротивлением понимают сопротивление его межэлектродного промежутка и находят его как отношение изменения анодного напряжения U к изменению анодного тока I при постоянном межэлектродном рас­стоянии или как отношение соответствующих частных производных:

Численное значение R_i для данных значений I_а и U_а может быть определено только путём дифференцирования кривой I_а=f(U_а) зависимости анодного тока I от анодного напря­же­ния U.

Используя последнее выражение и подставляя в полученное выражение численные значения тока I_а и напряжения U_а, увидим, что эта за­висимость будет нелинейной. Используя выкладки, изложенные выше, можно получить уравнения связи между чувствительностью по напряжению, чувствительностью по току  и внутренним сопротив­ле­нием R_i.

 Ψ_u = -Ψ_i R_i

Одно из основных требований, которое предъявляется к механотрону, является либо высокая чувствительность по току, либо по напряжению. При этом механотроны с высокой чувствительностью по отличаются большим внутренним сопротивле­­нием R_i.

Параметры Ψ_i, Ψ_u и R_i электродной системы так же как параметры механотрона η_im ,  η_um, которые определяются по первым двум формулам, характеризуют механотронный пре­об­разователь в простейшем режиме его работы, а именно, ког­да на все электроды механотрона подают только на­пря­же­ние по­с­то­ян­но­го тока и в анодной цепи не содержится каких-либо  сопро­тив­­лений на­грузок. В связи с отсутствием нагрузки в анодной це­­пи паде­ние напряжения между анодом и катодом в этом слу­чае равно напряжению источника питания Е_а.

Этот режим электровакуумных приборов называется статическим, а параметры и характеристики, которые определяются в этом режиме называются статическими характеристиками. При этом за основную статическую характеристику механотронной системы продольного управления принимаем зависимость анодного тока I от межэлектродного расстояния d, которая изменяется при перемещении подвижного электрода (анода), полученная при неизменных напряжениях на электродах. Эти характеристики называются характеристиками перемещения (б).

Одной из важных характеристик механотрона в статическом режиме является его анодная характеристика (в). Эта характеристика  — зависимость анодного тока I от анодного на­­пряжения U, полученная при фиксированном межэлектродном расстоянии (в случае триод — при неизменном напряжении на сетке).

Статическая электромеханическая характеристика механотрона в целом может быть, т.е. зависимость анодного тока I от действующего механического воздействия получена экспериментальным путём методом расчёта или методом графического сложения заранее рассчитанных характеристик перемещения механотронной системы и основной характеристики кинематической системы.

Рассмотрим простейшие формулы для расчёта параметров и характеристик диодного механотрона продольного уп­ра­в­ления с плоско параллельной системой подвижных электродов.

Для данного случая:

I_а=( А S_к U_а^3/2 ) / d²                                                              (1)

А — постоянный коэффициент, А=2,33•10^-6; [ A ]=А•В^-3/2;

S_k — активная площадь катода, обращённая к аноду;

U_a — напряжение между анодом и катодом;

d   — расстояние между анодом и катодом.

Формула (1) позволяет рассчитать 2 основные статические характеристики диодного механотрона:

I_а=f( d )               U_a=const

Из (1) видно, что характеристика перемещения носит явно нелинейный характер, поэтому очень важно оценивать степень нелинейности данной характеристики в рабочем диапазоне перемещений подвижного электрода механотрона. Это производится по следующей формуле:

∑_cт = [ ∆I_{а max} / ( I_{а max} - I_{а min} )] • 100%

Для диодного механотрона продольного управления величина нелинейности считается по следующей эмпирической формуле:

∑_cт =0,25 • Z^-1[ 3 + Z² – 3( 1 – Z )^2/3 ] • 100%,

 — относительное смещение подвижной части механотрона.

Если продифференцировать (1), то получим формулы для чувствительностей  по току и по напряжению:

                                                               (2)

                                                                         (3)

Затем, взяв частную производную

                                                      (4)

Подставив (1) в (2), получим:

                                                                          (5)

                                                           (6)           

Формулы (2), (4), (5), (6) могут быть использованы лишь для пред­варительного расчёта характеристик и параметров дио­­дного механотрона.

Принципиальные измерительные схемы на основе

применения механотронных преобразователей.

Рабочие параметры диодных механотронных

преобразователей продольного управления.

Простейшая схема включения диодного механотрона имеет вид:

              R_п                    R_а

                                                              U_п — измерительный прибор;

                                                              U_н ­­— напряжение накала.

U_п

              I_a                                 Е_а     

     М    

U_н

Эта схема состоит из двухэлектродного механотрона М, анодной нагрузки R_a, измерительного прибора U_п с внутренним сопротивлением R_п, источника анодного питания Е_а, которые соединяются последовательно.

Для этой схемы справедливо:

Е_а = ( R_п - R_a ) + U_а                                                  (1)

Так как анодный ток I является одновременно функцией двух переменных  I_а=f(d, U_а), то его полный дифференциал:

                                                (2) 

Если в формуле (2) значение статических параметров, то получим:

       

                                                                                              (3)

                                                             

Для диодного механотронного преобразователя рабочая чувствительность по току к механотронной величине определяется:

                                   (4)

 η_im — статическая чувствительность механотронного преобразователя по I.

Чаще на практике применяется мостовая симметричная схема на основе двуханодного диодного механотрона, которая имеет вид:

Данная схема позволяет снизить пульсации (флук­ту­а­ции) источников питания и внутриламповых эффектов на вы­хо­де сигнала преобразователя.

Рабочая чувствительность такой схемы, включаемой в мос­товую симметричную схему, определяется как произ­вод­ная от I в цепи отсчётного прибора на величину изменения из­ме­­­ря­емой механической величины.

                                   (5)

Есть другие схемы анодного моста, только с одним подвижным анодом.

                 (6)

Выходное сопротивление мостовой схемы:

                                                               (7)

а рабочая характеристика мостовой схемы:

I_п = f ( M ) — ток в цепи выхода отсчётного прибора.     (8)

В общем случае характеристика (8) нелинейна, причём степень её нелинейности зависит от степени нелинейности параметров механотронной системы и от параметров измерительной схемы.

Степень нелинейности механотронного преобразователя в статическом режиме, как правило, равно степени нелинейности суммарной статической характеристики перемещения его электродной системы.

Установлено, что степень нелинейности зависит от отношения R_a к внутреннему дифференциальному сопротивлению механотрона R_i (R_a/ R_i). Для простейшей схемы это отношение находится с помощью приближённого соотношения вида:

R_{a опт} ≈ 7,2 R_iо

Для мостовой схемы это соотношение колеблется в диапазоне (2…3,5) R_iо ≈ R_{a опт}.

1. R_a > R_{a опт}

2. R_a = R_{a опт}

3. R_a < R_{a опт}

Формула для нелинейности имеет вид:

∑_раб = ∆I_{п max} / I_{п max} • 100%

где   ∆I_{п max} — наибольшее отклонение реальной характеристики от линейной;

I_{п max} — наибольшее значение в измерительной диагонали механотрона.

В измерительной схеме с диодными механотронами в ка­чес­тве отсчётных измерительных устройств с целью повышения чувствительности измерительной схемы применяются при­боры с малым внутренним сопротивлением, т.е. R_п << R_iо (микро- или миллиамперметры, самопишущие и цифровые измерительные приборы).

Приборы для изучения мышечных сокращений

При физиологических исследованиях механотроны применяются для измерения и регистрации механических параметров сократительных эффектов следующих объектов:

— изолированных мышц;

— изолированных органов живых организмов;

— различных мышечных фрагментов (мышечные полоски);

— отдельных мышечных клеток (мышечных волокон).

Рассмотрим схему устройства для исследования изолированных мышечных объектов в изотермическом режиме, при котором усилия, развиваемые мышечным объектом, происходят при практически неизменных его размерах.

Устройство состоит из механотронного преобразователя 1, штырь которого посредством гибкой тяги 2 соединён с мышцей 3, которая помещена в сосуд 4, наполненных физиологическим раствором.

Мышца раздражается с помощью электрического тока, который подводится с помощью электродов 5.

Электрическая схема устройства представляет собой мост механического типа, в одну диагональ которого включен измерительный прибор ИП, и имеет два регулируемых сопротивления для регулировки анодного и сеточного токов.

В качестве измерительного прибора в данной схеме чаще всего применяются самопишущие приборы типа Н-338 и т.д.

Этот прибор прост по конструкции, а в качестве механотронного преобразователя исполнительные механизмы типа 6МХ1С. Данный механизм позволяет измерять усилия в диапазоне от 10 мг до 30 г. Для измерения усилий в более широком диапазоне применяются датчики усилий конструкции 2.

Датчик состоит из механотронного преобразователя 1, который установлен в механическом корпусе 2 и закреплён винтом 3. С целью измерения в области малых усилий на выходном штыре механотрона укреплён лёгкий трубчатый стержень 4, конец которого проходит через отверстие в ограничителе хода 5. Исследуемая мышца 8 соединена со стержнем 4 с помощью передвижного хомутика 6 с крючком 7. Прикладывая измеряемое усилие к концу стержня 4, получим максимальный  для данного датчика значение чувствительности при сравнительно малом диапазоне измеряемых сил. Перемещая точку приложения силы вдоль штыря и стержня в сторону мембраны механотрона, можно расширить диапазон его измерений (например, из положения А в В).

Регулировка  диапазона измерений поясняется схемой:

На данном рисунке система «мембрана — стержень» представляет собой двухплечий рычаг в точке опоры в месте спая стержня 1, удлинённого трубкой 2 с мембраной 3.

На внутреннем плече рычага укреплён подвижный анод 4, расположенный в стеклянном баллоне 5. В данном случае контролируемый механический сигнал (сила F), под действием которого подвижный анод 4 перемещается относительно неподвижного катода 6 на величину ∆d. При этом чувствительность датчика по току к входному механическому воздействию определяется:

Ψ_F = ( n + l ) m Ψ_i σ_F                                                            (1)

Ψ_i — чувствительность механотрона по току к перемещению;

σ_F — приведённая чувствительность кинематической сис­темы;

n — длина штыря механотрона;

l — длина трубчатого стержня;

m — длина внутреннего плеча кинематической системы механотрона.

Из (1) видно, что для увеличения чувствительности Ψ_Е необходимо увеличить плечо (n+l). При этом диапазон измеряемых сил обратно пропорционален длине внешней части стержня. Дальнейшее расширение диапазона измерений достигается за счёт применения специальной балки 9 (рис 2). Один из концов этой балки жёстко крепится к корпусу датчика, а другая соединяется со штырём механотрона с помощью гибкой тяги 10. Эта тяга выполняется в виде эластичной плоской пружины, которая жёстко закреплена в зажимах 11. При этом балка 9 выполняет роль промежуточного управляющего элемента, который непосредственно воспринимает измеряемое усилие, создаваемое мышцей 12. В результате этого можно расширить диапазон измерений от единиц мг до 10 кг.

Для измерения сокращений мышечных объектов в изотоническом режиме, т.е. в условиях постоянной нагрузки в виде растяжения мышцы, применяют устройство вида (4). На схеме 4 один конец исследуемой мышцы 1 закреплён на штанге 2, которая вместе с мышцей размещена в кювете, заполненной физическим раствором 4. Свободный конец мышцы нагружен постоянной растягивающей силой в виде грузика 5. Этот конец мышцы с помощью гофрированного поводка 6 и тяги 7 соединён с концом штыря 8 механотрона 9. В качестве механотрона применяется широкодиапазонный прибор. Корпус механотрона при помощи кронштейна 10 и хомута 11 прикреплён на наружной стенке кюветы 3.

Электростимулятор 12 предназначен для стимуляции сокращений мышцы. При сокращении мышцы свободный конец её совершает возвратно-поступательные движения по вертикали. Это перемещение фиксируется механотроном и регистрируется с помощью самописца.

Изотонический режим используется обычно для регистрации сокращений образцов тонкого кишечника у животных. Возникающие при этом перемещения составляют ≈ 1 – 5 мм, а нагрузка на испытуемый объект 1 – 3 г.

Установка для измерения механических шумов

сердца

Механическими шумами сердца принято называть спонтанные асинхронные сокращения отдельных клеток и групп клеток миокарда. Установлено, что механический шум сердца характеризует тонус миокарда и в конечном счёте определяет степень наполнения сердца кровью. 

По уровню шумов можно судить об эффективности работы сердца как насоса.

Для измерения механических шумов была разработана установка:

На данном рисунке показано, что в ёмкости 1 с физическим раствором 2 помещена мышца 3. Один конец мышцы закреплён неподвижно к стенке сосуда, а другой — связан через тягу 4 со стержнем механотрона 7. Данный механотрон служит для регистрации усилий, развиваемых при сокращении мышцы. Для регистрации перемещений применяют механотроны 8 и 9. При этом перемещения регистрируются в двух крайних точках мышцы. Для этого к концам механотронов 8 и 9 присоединяют микропипетки 10. Эти микропипетки выполнены в виде тонкостенных стеклянных трубочек диаметром 2 – 2,5 мм с сужением на конце до диаметра 1 мкм. Выходные сигналы механотронов 8 и 9 будут пропорциональны перемещениям крайних точек мышцы. Эти выходные сигналы усиливаются с помощью операционных усилителей 12 и 13, а выходной сигнал механотрона 7 усиливается с помощью усилителя 11. Для получения сигнала, пропорционального укорочению исследуемого элемента мышцы применяется схема суммирования сигналов с помощью резисторов R₁ и R₂ и усилителя 14 будет пропорционален укорочению исследуемого элемента мышцы. Выходные сигналы U_вых4, U_вых1 регистрируются одновременно самописцем 15. Сокращение мышцы стимулируется с помощью электростимулятора 16.

Необходимо отметить, что данная установка необходима для лабораторных исследований отдельных групп мышц сердца для определения их реакций на различные лекарственные препараты.

Механотронный тонусограф

В клинической практике механотроны также используются для изучения мышечной силы и исследования –динамических и статических нагрузок тонуса мышц.

На данной схеме корпус 1 силоизмерительного датчика установлен в отверстии подшипника 2 и жёстко соединён с внутренним кольцом этого подшипника. Наружное кольцо запрессовано в периферийную часть текстолитового диска 3, который вращается на оси 4. Вращение этого диска осуществляется от двигателя 5 через редуктор 6, 7, 8 и вариатор, который состоит из диска 9 с резиновым ободом 15.

Диск 9 установлен на валу 11, который закреплён в шарикоподшипнике 10. Диск 9 может свободно перемещаться вдоль оси 11 с помощью червячной передачи 12. Во избежание скручивания кабеля 13 он пропущен через отверстие в диске 3. При этом на силоприёмной колодке укреплена ручка 14 из электроизоляционного материала. Тонусограф работает следующим образом: пациент берёт рукой за ручку 14, после чего включают двигатель 5, и начинает вращаться двигатель 5. Диск 3 увлекает за собой кисть руки пациента. При этом мышцы руки растягиваются, оказывая определенное сопротивление вращению диска. Сила сопротивления воспринимается подвижной колодкой силоизмерительного устройства, а выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе, регистрируется с помощью самописца.

Для оценки состояния мышечной системы применяют также динамографы, т.е. приборы, позволяющие определять усилие, развиваемое мышцами конечностей, а также производимую ими работу.

В лекции "Регламент по подбору персонала" также много полезной информации.

Силоизмерительный датчик (СИЭМ – 1) содержит корпус 1, который жёстко закреплён с помощью хомута 2 и винтов 3 с металлической плитой 4, которая может быть закреплена на полу или на стене 5. На подвижной колодке при помощи хомута 6 закреплена скоба 7, которая нужна для фиксации конечности пациента во время измерения. Во время измерения пациент тянет или отталкивает скобу 7. При этом на диаграммной бумаге с помощью самописца будет регистрироваться кривая, которая характеризует степень утомляемости мышц, а по площади полученной диаграммы судят о произведённой работе.

Для исследования мышц ног пациента применяют комплексный прибор КУМП – 1.

Схема его имеет вид:

Данный прибор состоит из механотронного устройства  с силоизмерительным датчиком  и трёх измерительных блоков, которые соединены  с силоизмерительными датчиками  и которые обеспечивают снабжение электропитанием съём выходных сигналов. Механическое устройство содержит основание 1, на котором с помощью стоек 2 устанавливаются три силоизмерительных устройства: 3, 4 и 5.

Силоизмерительные устройства выполнены в виде миниатюрных СИЭМ (силоизмерительные механизмы), которые жёстко закреплены в стойках 2, а их подвижные колодки снабжены силосъёмными площадками: 6, 7 и 8. Стопа пациента устанавливается на площадке 6 и 7 датчиков 3 и 4. Затем все датчики подключаются  к электроблокам: 9, 10 и 11, информация с которых поступает на самописец 12.