Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Это существенно упрощает управление манипулятором и не требует постоянного контроля за его состоянием. ' 1 2 3 4 Рис. 4.11. Использование магиитоупругого ДДВ в системс дистанционного управления: ! — вал. оператора; 2 — муфта; 3 — загружатель; 4 — усилители; 5 — система управления; 6 — двигатель; 7 — магнитоунругий датчик момента; 8 — вал нагрузки; 9 — датчик положения В качестве пассивного загружатсля чаще всего применяют фрикционные электромагнитные муфты.
При отсутствии сигнала управления с тордуктора (при М„= О) половинки муфты свободно скользят одна относительно другой и нагрузка оператору не передается. При М„~ О тордуктор формирует сигнал на загружатель и возникающий в нем магйитный поток прижимает обе половинки .муфты друг к другу. Момент М„„на валу оператора является пассивным, т. е. он не может привести его в движение.
Система двухсто- 156 4.2. Дашчики дмнамическит ыеличин роннего действия с пассивным отражением нагрузки позволяет манипулировать тяжелыми объектами, в. частности переносить радиоактивныс контейнеры в реакторной зоне. Основные достоинства магнитоупругих ДД — большая выходная мощность (отсугствие каскадов усиления), высокая механическая жесткость и надежность — позволяют использовать их в экстремальных условиях (при высокой влажности, давлении и т. п.).
К недостаткам этих датчиков можно отнести ограниченную полосу пропускания (вследствие токов Фуко) и. невысокую точность измерения. 4.2.3. Электростатические датчики Электростатические (емкостныс) ДДВ широко используют в кинсстстических и локационных системах. В первых они выполняют те же функции, что пьезоэлектрические и магнитоупругие ДДВ, во вторых — служат для обнаружения объектов (например, в разного рода охранных системах), но во всех случаях измеряемым параметром является вариация емкости датчика. Простейший электростатический ДДВ представляет собой электромеханический преобразователь, в корпусе которого размец~ены два (или более) параллельных или концентрических электрода, разделенных слоем диэлектрика.
Емкость С плоского конденсатора без учета краевых эффектов (т. е. '.."';;::::,:,: при д «Л) определяется известной зависимостью ~т~О~ ~ ~ где а„— диэлектрическая проницаемость слоя; ЕО =8,85 10 Ф/м; ю— -12 $~,:-',:,, площадь электрода; Н вЂ” расстояние между электродами. Для цилиндрического конденсатора справедливо следующее выражение: 2л~т~О ~0 Ъ 1Фгвнеш ~ ~вя) где хΠ— глубийа проникновения внутре|шего цилиндра радиусом г~в во :-.':;:-:— ; . внешний цилиндр радиусом ю.вве1я.
Как следует из этих формул, на емкость датчика влияют его геометриче,:,':::.':::: ские размеры и параметры диэлектрического слоя. Отметим, ч'го указанные ,;-'::;,':- факторы должны быть динамическими, так как для конденсатора характерен '!:. эффект стекания заряда (см. 4.2.1).
Следовательно, к электростатическим .'":::::,- ДДВ применимы тс же ограничения, что и к пьезоэлектрическим. 11реобра:,-' зоватсли этого типа работают на переменном токе с несущими частотами от !':' 50 кГц до нескольких мегагерц. Электростатические ДДВ подраздсляют по трем основным признакам: 1) по форме — плоские н цилиндрические; 2) по типу диэлектрика — воздушные, керамические и полупроводнико- ~::::-. вые; !57 4. Из,иерение скорости и динамических факторое 3) по влияющему фактору — с изменяемым взаимным положением электродов-обкладок и с изменяемой диэлектрической проницаемостью. Преобразователи с воздушным диэлектриком используют при измерении сил и ускорений, в качестве детекторов близости и т. д. Датчики на основе керамических магсриалов, диэлектрическая проницаемость которых зависит от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гидростатического давления, применяют для контроля параметров окружающей среды.
Для этого же используют датчики, ЧЭ которых имеют структуру на базе р — л-перехода — варикапы. Электростатические ДДВ являются обратимыми электромеханическими преобразователями. Их электрическими характеристиками являются: напряжение У между пластинами, заряд Я = СК ток 1 = ОДА и энергия Н~ = = ДИ2 = СУ /2. Среди механических показателей выделяют: жесткость 6, взаимное перемещение х электродов и скорость $~ = ййй их перемещения под действием внешней силы Е. Механические и электрические параметры преобразователя связаны между собой следу|ощими уравне~и~~и; ~х+ ~~эм~~ О ~эм~+ С~ где К„, = ЕС вЂ” коэффициент электромеханической связи; Š— напряженНОсть электрического ПОля. Эти зависимости получены в прсдположснии, что вариации напряжения У и перемещения х малы по сравнению с их начальными значениями, а значит, ем~ость С и напряженность поля Е постоянны.
В ~а~т~ос~~, ~ог~ас~о второму уравнению, ток через преобразователь определяется нс только составляющей 1~ — -ИДИ~=С~ЛУ/сй),но и не всегда учитываемой составляющеи 72 = дД/сй = ЕСЛИ~)„обусловленнои перемещением электродов. Электростатические ДДВ имеют простую и надежную конструкцию. На рис. 4. 1 2, а приведен датчик силы с дифференциальным ЧЭ в виде плоского трсхобкладочного конденсатора с воздушным диэлектрическим слоем. Диапазоны измерения электростатических ДЦВ составляют 0...2 мм в режиме измерения малых перемещений и 10 ...10 Н в режиме измерения Функция преобразования электростатического ДЦВ зависит от его консгрукции и схемы включения.
В частности, для простого цилиндрического датчика, зависимость емкости от перемещения линсйна: 23те,хр где К, = ' — коэффициент преобразования. Чувствительность Ыгвнеш ~ ~вн) такогодатчика постоянна: 5 =К . При использовании плоского да.гчика с изменяемым воздушным зазором зависимость С(х) нелинейна: 4.2. Дитчики дииамических величии С = саво"И+ х), а чувствительность определяется выражением 5' =в,с~р/(И+х) .
Сл 2 3 Рас. 4.12. Электростатический ДДВ фирмы К1в~1ег (а) и его эквивалентная схема Щ: 1 — упругий сферический корпус; 2 — ЧЭ; 3 — - изоляционная прокладка; 4 — выходные Электролы Зле мерен ия Зле порядка 4,12, б) ;:';.-;-';-'::::::;: —: а также ми коне !.,;-';:,:-';-:. зывается. ~!~::::::::.,::. -большую """" .;-этом сл учитыва ктростатические датчики с переменным зазором имеют диапазон из- 0...1 мм. У датчиков с изменяемой площадью обкладок он сущестольше — 0...10 мм и более, однако их чувствительность меньше. ктростатический ДЦВ является измерительным устройством второго , т.
е, частотно-зависимым прибором. В его эквивалентной схеме ~рис. кроме емкости Сл датчика учитывают сопротивление Р изоляции между электродами, сопротивление Рк и индуктивность Е кабеля, паразитную емкость Сп между электродами и заземленными деталятрукции. Вид эквивалентной схемы определяется режимом работы Так, при работе на низких частотах активное сопротивление утечки ико и влияние ипдуктивности Е и сопротивления Як кабеля не ска- При работе на высоких частотах сопротивление Ру падает и роль начинают играть индуктивность Кк и сопротивление Як.
В учае газка = Як, Сзкв = Сл + С„. Влияние частоты на сопротивления Ну ют внесением дополнительного слагаемого в выражение для Лзкв: 159 Очевидно, что чувствительность электростатического ДЦВ тем выше, чем меньше расстояние между электродами. Для обеспечения линейности функции преобразования используют схему дифференциалыюго конденсатора ~см. рис. 4.12, а). 4. Измерение скорости и Динамических факторов 1 ~эка ~к + 2' (О)Ку Сака) где со= 2ф — кру~ овая частота входного воздействия.
Тогда эквивалентная схема будет представлять собой последовательное соединение элементов ~экв и Сэка- В эквивалентной схеме электростатического ДДВ с керамическим диэлектриком следует учитывать потери, изменяющие сдвиг фаз между напряжением и током на угол потерь у~. В образцовых воздушных конденсаторах 1рр<5 10 и у определяется только сопротивлением Иу. Обычно электростатические ДДВ с С = 10...100 пФ используют на несущих частотах выше 100 кГц (вплоть до нескольких мегагерц).
Наиболес распространенными измерительными схемами в электростатических ДДВ являются мост Саути и усилительная схема (рис. 4.13). Рис. 4.13. Схемы включения электростатического ОЦВ в измерительную цепь: а — мост Саути; б —. усилительная схема; в — частстиая характеристика датчика В мосте Саути чаще всего применяют дифференциальный конденсатор с двумя рабочими плечами, емкости которых равны С~ и С2, причем 1/С1 + + 1/С2 = УС (см. рис. 4.13, а). При смещении центральной обкладки конденсатора.относительно начального положения на величину х емкости С1 и С2 изменяются согласно выражениям 1бО 4.2. Датчики динамических величии С С С~ — — ', С2 —— 1 — 2хЫ 1+ 2х/И Если пренебречь утечками в конденсаторе, то функцию преобразования схемы можно представить в виде У„„С) -С2 2 С,+С* Заметим, что эта зависимость линейна при включении датчика как по схеме с изменяемым зазором, так и по ~~~~с с из~е~яе~~й площадью.
При использовании усилительной схемы (см. рис. 4.13, 6) датчик можно устанавливать вместо конденсатора С1 или С~. Элементы схемы подбирают таким образом, чтобы Н1аС~ «1, а К2соС2»1. Тогда в диапазоне частот 1~(27Ж2С2) <~ <1/(2~И1С~) функция преобразования У„ы„=-(С~/С2)У„„. Если датчик установлен вместо конденсатора С~, го функция преобразования линейна у датчика с изменяемой площадью обкладок, если вместо конденсатора С~, то у датчика с переменным зазором. Следовательно, размещая электростатический ДДВ в соответствующем месте измерительной схемы, можно всегда получить линейную функцию преобразования.
Погрешности электростатических ДДВ определяются главным образом стабильностью параметров зазора и постоянством диэлектрической проницаемости среды. Поэтому в конструкциях используют стабильные диэлектрики (как правило, воздух), а сами датчики тщательно герметизируют. (Так, ЛС/С при изменении температуры на 10 С составляет <0,002%, а при изменении давления на 10 Па ЛС/С <0,06 %). Стабильными диэлектриками являются также расплавленный кварц и стекло. При включении электростатического ДЦВ в измерительную цепь особое значение имеет согласование реактивных сопротивлений датчика и подводящего кабеля, который уже при малой длине имеет емкость, сравнимую с емкостью датчика. Это обстоятельство существенно влияет иа чувствительность схемы и погрешность измерения. Поэтому большинство элементов измерительной цепи схемы размещают непосредственно в корпусе датчика.
В охранных системах к электростатическим ДДВ не предъявляют высоких метрологических требований. Обкладки конденсатора размещают на значигельном расстоянии одна от другой, а измеряемым параметром служит изменение диэлектрической проницаемости среды при попадании в нее по:.-';:,":,;:-;::.':- сторонних объектов. На этом принципе основано действие детекторов присутствия и приближения, реагирующих на проникновение человека в закры- :~;=::::.:-' тое помещение или на его прикосновение к замкам, ручкам дверей, сейфам ::~=";:,=:.:::,.= и другим металлическим объектам. Чувствительность таких датчиков про- ~.;"-;:,",:',::::-;.::. порциональна площади пластин (обычно ее выбирают такой, чтобы можно ";!:;.:-;-:-;:::::,' было бы обнаружить человека на расстоянии 0,5...1,0 м).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
