Курсовая работа (т): Прибор для измерения линейных перемещений

Рисунок 1.7 - Индуктивный датчик перемещения для объектов из ферромагнитных материалов.

Принцип их действия основан на изменении собственной индуктивности катушки.

В настоящее время существуют следующие варианты конструктивного исполнения индуктивных преобразователей: с переменной длиной воздушного зазора, с переменной площадью воздушного зазора, соленоидальный, с переменными параметрами.

Рисунок 1.8 - Индуктивные ИП: а, б) с переменной длиной и площадью воздушного зазора; в) соленоидальные ИП; г) ИП с распределенными параметрами.

В преобразователях с переменной длиной или площадью воздушного зазора (рисунок 1.8 а, б) перемещение исследуемого объекта вызывает перемещение якоря 2. В результате этого изменяется магнитное сопротивление системы, что приводит к изменению индуктивности катушки 1, размещенной на магнитопроводе 3.

Преобразователи с переменной длиной воздушного зазора характеризуются высокой чувствительностью, но сравнительно малым диапазоном измерения. Они используются при малых перемещениях от единиц микрометров до единиц миллиметров (до 10 мм).

Преобразователь с меняющейся площадью воздушного зазора обладают линейной функцией преобразования и применяются при измерении перемещений порядка 5-20 мм.

Соленоидальные индуктивные преобразователи (рисунок 1.8 в) представляют собой преобразователи с разомкнутой магнитной цепью и работают на принципе изменения магнитного сопротивления участков рассеяния магнитного потока при перемещении якоря 2.

Преобразователи такого типа имеют худшие характеристики, по сравнению с преобразователями с переменной длиной или площадью воздушного зазора. Так как магнитный поток замыкается через воздух, их чувствительность ниже. Кроме того, они потребляют относительно большую мощность и, в связи с большим рассеянием магнитного потока, подвержены сильному влиянию магнитных полей. Функция преобразования не линейна. Подобные преобразователи применяются для измерения больших линейных перемещений (10-100 мм).

В преобразователях с распределенными параметрами (рисунок 1.8 г) изменение магнитного сопротивления происходит вследствие размагничивающего действия вторичных токов.

Данные преобразователи используются для измерения больших линейных перемещений.

Перечислим основные достоинства индуктивных ИП:. Большой диапазон измеряемых линейных и угловых перемещений;. Большая мощность выходного сигнала;. Высокая чувствительность;. Надежность;. Возможность питания от сети (для многих случаев).

Недостатками индуктивных ИП являются:. Большая инерционность;. Наличие электромагнитных сил притяжения [3].

Среди погрешностей индуктивных измерительных преобразователей можно выделить следующие:. Температурную погрешность, обусловленную температурным изменением активного сопротивления катушки, магнитной проницаемости материала магнитопровода и якоря и размеров магнитной цепи;. Погрешность, возникающая из-за действия силы притяжения якоря;. Погрешность линейности функции преобразования;. При работе преобразователей в мостовых схемах возникает погрешность из-за нестабильности напряжения и частоты питания моста, а также формы кривой питающего напряжения.

1.1.3 Вихретоковые датчики перемещения

Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создаёт магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объёме вихревые токи (токи Фуко), которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле (Рисунок 1.9). Параметры вторичного поля определяются регистратором, и на их основании вычисляется расстояние до объекта, так как чем объект ближе, тем больший магнитный поток будет пронизывать его объём, что усилит вихревые токи и индукцию вторичного магнитного поля. Подобный принцип используется и в вихретоковых дефектоскопах, однако там на параметры вторичного магнитного поля влияет не расстояние до объекта, а наличие в его внутренней структуре скрытых несовершенств. Метод является бесконтактным, однако может применяться только для металлических тел.

Рисунок 1.9 - Вихретоковый датчик перемещения.

1.1.4 Ультразвуковые датчики перемещения

В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара - фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором (рисунок 1.10), которые обычно заключены в компактный корпус. Определение временной задержки между моментами отправки и приёма ультразвукового импульса позволяет измерять расстояние до объекта с точностью, доходящей до десятых долей миллиметра. Наряду с оптическими, ультразвуковые датчики на сегодняшний день являются, пожалуй, наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения. Использование этого принципа измерений опять же можно найти в детекторах обнаружения дефектов, только на этот раз уже в ультразвуковых дефектоскопах.

Рисунок 1.10 - Ультразвуковой датчик перемещения.

1.1.5 Магниторезистивные датчики перемещения

В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля. Датчик, как правило, состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включённые по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения (рисунок 1.11). Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.

Рисунок 1.11 - Магниторезистивный датчики перемещения.

1.1.6 Датчики на основе эффекта Холла

Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла - прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

1.1.7 Магнитострикционные датчики перемещения

Как правило, магнитострикционный датчик представляет собой протяжённый канал - волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины (рисунок 1.12). Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Вайдемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.

Рисунок 1.12 - Магнитострикционный датчик перемещения.

1.1.8 Потенциометрические датчики перемещения

Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр (рисунок 1.13). Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора). Если через потенциометр пропускать постоянный ток, то падение напряжения на нём будет пропорционально величине сопротивления, и, следовательно, величине линейного перемещения интересующего объекта.

Рисунок 1.13 - Потенциометрический датчик перемещения.

1.1.9 Области применения емкостных датчиков

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т.д. В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются: сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла; контроль уровня заполнения прозрачных упаковок; сигнализация обрыва обмоточного провода;

регулирование натяжения ленты; поштучный счет любого вида и др. [5].

1.2 Обзор измерительных цепей

Существует множество различных измерительных цепей ЕИП. При построении измерительной цепи необходимо учитывать линейность зависимости выходного параметра цепи от измеряемой величины. Одной из трудностей построения измерительных цепей является их защита от наводок и исключение влияния паразитных емкостей. Кроме того, так как выходные мощности емкостных преобразователей малы, в измерительных цепях необходимо применять усилители. Наиболее распространенными являются измерительные цепи: в виде делителя напряжения, измерительные мосты, емкостно-диодные цепи, контурные цепи.

Цепь в виде делителя напряжения представлена в виде (рисунок 1.2.2 а). Одинарный емкостный ИП может быть включен в качестве С1 или С2. В случае дифференциального ИП его емкости образуют оба плеча делителя. При равенстве произведений R1C1 = R2C2, где R1 и R2 - сопротивления изоляции преобразователя, напряжение на выходе делителя в широком частотном диапазоне питающего напряжения определяется выражением

_ВЫХ = U_~ С1/ (С1+С2)

Погрешность такой цепи зависит от погрешностей ЕИП, погрешностей из-за нестабильности напряжения питания и погрешности указателя. На (рисунке 1.2.2 б) показана схема с использованием операционного усилителя (ОУ), построенная по принципу делителя напряжения. Выходное напряжение U_ВЫХ = U_~C1/C2. Емкостный преобразователь может быть включен вместо С1 или С2 в зависимости от того, на каком принципе построен ЕИП, и какую функцию преобразования измерительной цепи необходимо реализовать. В данной схеме паразитные емкости Сп1 - Сп2 практически не влияют на работу измерительного устройства. Емкости Сп1 и СпЗ шунтируются низкими выходными сопротивлениями источника напряжения U~ и усилителя. Емкость Сп2 включена между входами ОУ и напряжение на ней близко к нулю.

Рисунок 1.2.2 - Измерительные цепи: а) цепь в виде делителя напряжения; б) цепь с использованием операционного усилителя.

Мостовые измерительные цепи используются преимущественно с дифференциальными преобразователями. На рисунке 1.2.3 показаны некоторые варианты выполнения мостовых цепей. ЕИП включается в соседние плечи моста, в другие плечи моста включаются низкоомные резисторы (рисунок 1.2.3 а), взаимосвязанные индуктивности (рисунок 1.2.3 б), полуобмотки питающего трансформатора (рисунок 1.2.3 в).

Рисунок 1.2.3 - Мостовые измерительные цепи

Две паразитные емкости между жилами и экранами кабелей шунтируются малыми сопротивлениями (низкоомными резисторами, сопротивлениями индуктивностей, сопротивлениями обмоток трансформатора) нерабочих плеч моста и практически не влияют на работу мостовой схемы. Третья включается параллельно выходной диагонали моста. Обычно выходной сигнал цепи подается на усилитель и для уменьшения влияния емкости экранированного провода, соединяющего ЕИП с усилителем, применяется схема эквипотенциальной защиты. Для этой цели используются провода с двойным экраном.

При подсоединении выхода моста к инвертирующему входу ОУ (рисунок 1.2.4 а) необходимость в двух экранах отпадает. Выходное напряжение

_ВЫХ = U_~ С1/ (С1+С2).

Рисунок 1.2.4 - а) мостовая измерительная цепь с операционным усилителем; б) емкостно-диодная измерительная цепь.

Недостатком рассмотренных схем является то, что они могут использоваться для ЕИП, у которых все пластины изолированы от корпуса. При заземлении одной из пластин (обычно общей подвижной пластины) желательно элементы измерительной цепи располагать в одном корпусе с датчиком.

При работе дифференциального преобразователя с заземленной пластиной может использоваться емкостно-диодная измерительная цепь (рисунок 1.2.4 б). Если пренебречь падением напряжения на диодах, то

вых = U~ (C 1 - С2) / (С 1+С2+2С1С2/СЗ)

Если не предъявляется высоких требований к линейности характеристики преобразования, то в качестве измерительных цепей ЕИП могут быть использованы цепи резонансного L - С контура (рисунок 1.2.5 а), питаемого от генератора со стабильной частотой. При изменении емкости преобразователя сопротивление контура изменяется, при этом изменяется выходное напряжение, которое достигает максимума при частоте ω₀ =√LC

При измерении физических величин с помощью емкостных ИП широко используются измерительные цепи с преобразованием емкости в частотно-временные сигналы. На (рисунке 1.2.5 б) показана одна из подобных цепей с использованием ОУ. Функция преобразования схемы, имеет следующий вид

=R3/ (4R1R2C1)

Рисунок 1.2.5 - а) цепь резонансного L - С контура; б) - цепь с преобразованием емкости в частотно-временной сигнал.

2. Выбор и обоснование направления проектирования

Выбор направления проектирования является одним из самых важных пунктов в курсовой работе. Выбор нужных схем, деталей и механизмов должен происходить с учетом важнейших практических сторон дела.

Именно в этом разделе закладывается фундамент для дальнейшего исполнения и расчета.

2.1 Выбор измерительного преобразователя

В результате анализа исходных данных и существующих (вышеуказанных) методов измерения перемещения был выбран плоскопараллельный емкостной датчик с изменяемой площадью перекрытия электродов.

Рисунок 2.1 - Плоскопараллельный емкостной датчик с изменяемой площадью перекрытия электродов.

Конструктивно датчик представляет собой две металлические пластины расположенный параллельно друг другу как изображено на рисунке 2.1 Площадь каждой пластины S=25 мм², b=4мм, изменение перемещения подвижного электрода относительно неподвижного происходит в пределах от 0 до 110 мкм (d).

На конечный выбор ИП для проектируемого прибора повлияли следующие факторы: