Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 32
Текст из файла (страница 32)
~!!:„=-;-;:;:;:.,:. 6. С.А. Воротников 161 4. Измерение скорости и динамических факторов Сравнительная характеристика электростатических ДДВ дана в табл. 4.5. Таблица 4.5 Основные параметры электростатических ДДВ Как следует из табл. 4.5, многопарамстричность является очевидным достоинством электростатических ДДВ.
Кроме того, их отличает простота конструкции,.широкий-диапазон измерения, помехоустойчивость к магнитным полям и работоспособность при высоких температурах. Основные недостатки электростатических ДД — необходимость использования высоких несущих частот, обязательное согласование емкостей кабеля и датчика, а также чувствительность к параметрам окружающей среды. 4.2.4. Электромагнитные датчики В робототсхнике электролаанииные ДДВ используют для решения кинестетических (определение сил, вибраций, давлений и т.
п.) и локационных (обнаружение различных металлических объектов) задач. В первом случае конструктивная и электрическая схемы подобны соответствующим схемам магнитоупругих ДДВ, во втором — используготся специальные схемотехнические решения. В общем случае электромагнитный ДДВ представляет собой один или несколько контуров (обмоток), находящихся в магнитном поле, которое может быть создано как протекающим по контурам током, так и внешним источником.
Простейший одноконтурный датчик характеризуется индуктивностью Ь, магнитным потоком или потокосцеплением Ч' = Ы, ЭДС Е=-дЧ'/й и энергией электромагнитного поля Ф = Ч'02= 1,У~/2. Используя в качестве информативного признака любой из этих параметров, можно построить датчики, измеряющие различныс физические величины. Однако важно отмстить, что параметры магнитной цепи взаимозависимы. Например, протекающий по замкнутому контуру ток приводит к появлению силы„ 4.2. Датчики динамических величин поворачивающей его относительно поля и изменяющей тем самым индуцируемую ЭДС.
Электромагнитные ДДВ обычно регистрируют вариации магнитной проницаемости, вызывающие изменение индуктивности или взаимной индуктивности катушек. Сугцественной особенностью таких датчиков являе~- ся наличие потоков рассеяния. Обусловлено это тем, что часть основного магнитного потока замыкается не через все витки катушки, Следовательно, пОлная индуктивность контура имеет две составляющие: ОснОвную индуктивность и индуктивность рассеяния.
Для уменьшении последней в обмотку преобразователя вводят ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитный поток и уменьшающий долю потока рассеяния в общем потоке. Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на тороидальном сердечнике. Наличие сердечника позволяет использовать те же схемы, что и в ЭДП и магнитоупругих ДДВ.
У первых сердечник перемещается относительно катушки, что характерно для систем малой механической жесткости, у вторых деформируется, что свойственно жестким системам. б Значение механической жесткости О достигает при этом 10 Н/м. Электромагнитные ДДВ подразделяют по трем основным признакам: 1) по типу конструктивной схемы — с изменяемой площадью обкладок и с изменяемой величиной зазора; 2) по типу электрической схемы — дросссльные и трансформаторные; 3) по степени симметрии электрической схемы — простые и разностные Ьифферснциальныс).
Наибольшее распространение на практике получили дифференциальные дроссельные электромагнитные ДДВ, имеющие более высокую точность, чем трансформаторные, но требующие использования. усилительных схем. Конструктивно электромагнитные ДДВ, как правило, аналогичны электростатическим ДДВ. В представленной на рис. 4.14, а схеме две дифференциально включенные катушки находятся в герметичном сферическом корпусе, который является упругим элементом, ограничивающим деформацию ;.';:::,: сердечника. Для измерения сил до 0,01 МН упругие элементы выполняют в виде мембран, а от 0,01 до 10 МН вЂ” в виде балок.
При этом сферический .:.;!.::.;:,.::' корпус является защитным кожухом. Функция преобразования электромагнитного ДДВ сущсственно нелинейна и ее точный расчет практически не- ~';.',::;;::::: возможен. Приблизительная аналитическая зависимость получена для про- ~:::::::,:: стого дроссельного датчика с изменяемой величиной зазора: 2 2 Ь = Ьо/(1 + йх) = Х,о ~1+ Кх — К х ), где Ц~ — начальная индуктивность; Й вЂ” постоянная, определяемая : -, геометрическими размерами датчика и магнитной проницасмостью цепи.
Более высокая линейность достигается при использовании дифференци- :,':;;::: альных схем, ~ де погрешность нелинейности уменьшается до 0,2 %, а функ- ;-;::,:.:-ция преобразования аппроксимируется выражением вида Е = Е,О(1+ йх). 4. Измерение скорости и динамических фактороы Электрическая эквивалентная схема электромагнитного ДДВ, как и любого другого частотно-зависимого преобразователя, учитывает вклад отдельных элементов конструкции в зависимости от рабочей частоты датчика.
В представленной на рис. 4.14, б электрической эквивалентной схеме дроссельного датчика с ферромагнитным сердечником Е,д„Нд — индуктивность и сопротивление обмотки, С вЂ” межвитковая емкость, Ерас — индуктивность, обусловленная магнитным потоком рассеяния, 8 — ЭДС датчика, При работе на час- 3 4 тотах свьпле 10 ...10 Гц необходимо учитывать факторы, представленные на рис.
4.!4, 6 элементами Кп и Ц„, где Кп — сопротивление, связанное с потерей мощности на перемагничивание; Уп, — напряжение шума, вызванное эффектом Баркгаузена. Этот эффект, особенно заметный в высокочувствитсльных приборах„связан со скачкообразными смещениями доменных границ при перемагничивании ферромагнстика, Он вызывает импульсы напряжения Уш = ЛФ/т, где ЛФ вЂ” приращение магнитного потока, обусловленное скачком Баркгаузена; т — длительность этого скачка (для разных материалов — 3 -7 т=10 ...10 с). Использование сердечников с высокой мапгитной проницасмостью и высоким удельным сопротивлением (напримср, ферритов) позволяет практически устранить потери из-за рассеяния и токов Фуко. 'од ~раС Рис.
4.14. Электромагнитный ДДВ (а) и его эквивалентная схема (6): 1 — упругий сферический корпус; 2 — Чэ; 3 — выходные электроды При разработке электромагнитных ДДВ приходится учитывать различные источники погрешностей, Для их компенсации применяют специальныс меры: датчик экранируют от внешнего магнитного поля, а соединительные провода подводят таким образом, чтобы ие возникали дополнительные контуры. Кроме того, применяют симметричные магнитные цепи и обмотки (например, тороидальные).
В симметричной обмотке каждому витку на сердечнике соответствует симметрично расположенный по отношению к пронизывающему сердечник магнитному потоку «парный» виток. Наводимые в 4.2. Датчики динамических величин «парных» витках ЭДС взаимно компенсируются, уменьшая тем самым суммарную ЭДС. Еще одним способом повышения точности датчика является ограничение диапазона его рабочих частот.
Верхняя граничная частота определяется длительностью скачков Баркгаузена и составляет 10 ...10 Гц (для ферритов 7 до 10 Гц), нижняя зависит от частоты источника питания ~„„и составляет не менее ЗД„„. В табл. 4.6 приведена сравнитсльная характеристика различных электромагнитных ДДВ. Таблица 4.6 Примеры промышленных электромагнитных ДДВ По своим эксплуатационным характеристикам электромагнитные ДДВ во многом подобны электростатическим. Их достоинства — простота конструкции и эксплуатации (питание от сети переменного тока 50 или 400 Гц), низкая стоимость, темпсратурная стабильность, а также высокие уровень и мощность выходного сигнала, недостатки — невысокая линейность и низкая по сравнению с пьезоэлектрическими и магпитоупругими датчиками жесткость.
Контрольные вопросы 1. Зависит ли частота выходного напряжения асинхронного ТГ от скорости вращения? 2. В каких единицах измеряется магнитодвижушая сила? 3. От каких параметров зависит мультипликативная погрешность ТГ по- ~~!':.',,.':::;; '; стоянного тока? 4. Можно ли в конструкции ТГ постоянного тока исключить щеточный узел? 5. Какой тип пьезоэффекта используется в пьезогенераторах? 1б5 6. Какой ДДВ обладает большей линейностью — электромагнитный или емкостной? 7. Какие ДДВ наиболее чувствительны к:условиям внешней среды? 3.
Для каких ДДВ характерна большая выходная мощность — пьезоэлектрических или магнитострикциопных? 9. Можно ли использовать пьезоэлектрические ДДВ для измерения стагичсских сил? 10. Зависит ли вид эквивалентной электрической схемы ДЦВ от частотного диапазона? 5. ЛОКАЦИОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ории ТЗК- тому алых РЗС- ОРО- ЛокОц~юнльи информзционныс системы (ЛС) ОтнОсЯтсЯ к устройстВзм Осскоьпзктного действия и реализуют бионическую функцию Слуха, Информативным параметром этих систем является модулированная Волна рззли шой физической природы, характеристики которой определяются интегральными свойствами среды распространения. В робототсхникс и мсхатронике ЛС используют для определения координат и скорости объектов в Задачах упра~лен~я и навигац~и, для Обеспечения необходимой траект движения исполнительного механизма вблизи границы раздела сред, а же в качестве средств безопасности.
Отдельной областью их применения является опрсдслеиис свойств среды распространения. Во всех случаях преобразователи ЛС являются датчиками среды. Поскольку и система, и объект находятся В нскотором физичсском пОлс, результаты измсрсния сущсстВенно зависят от его свойств. В зависимости от пространственно-временных свойств среды различают потенциальные (например, электростатические) и Вихревые (элсктромзгпитпыс и зкустичсскис) пОля. Как правило, ВихрсВыс поля содержат больше параметров, пригодных для измерения, и поэ более информативны.
Тем не менее иногда (например, при работе на м расстояниях) целесообразно использовать ЛС. Принцип действия Которых 'р"-.,„-,".:,'"::: основан на свойствах потенциальных полей. Однако в любом случае необходимые данные получак~т из переносимой полем информации об объекте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
