Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Преобразователи сил, деформаций и параметров движения


Автоматический контроль силы позволяет автоматизировать многие технологические параметры лесной и деревообрабатывающей промышленности. Так, взвешивание штабеля в сушильной камере позволяет оценивать текущую влажность и управлять процессом сушки; измерение усилия при принудительном изгибе пиломатериалов — производить силовую сортировку; взвешивание поддона с древесной стружкой — управлять формирующими машинами; измерение усилия давления на боковые стенки бункера — оценивать уровень загрузки его щепой и т.п.
Основные преобразователи силы — это тензорезисторные, магнитоупругие и пьезоэлектрические преобразователи.
Тензорезисторы. Тензорезистор — это измерительный преобразователь линейной деформации в изменение активного сопротивления. Принцип действия его основан на тензорезистивиом эффекте, т. е. на свойстве проводников и полупроводников изменять при деформировании свое сопротивление. Выпускаются проволочные, фольговые, пленочные и полупроводниковые тензорезисторы.
Проволочные тензорезисторы состоят из тонкой проволоки, диаметром 0,02...0,05 мм, уложенной зигзагообразно и наклеенной на полоску бумаги или лаковой пленки. Выводные медные провода приваривают к концам проволоки. Такой преобразователь приклеивают к силовоспринимающему упругому элементу, что позволяет оценивать его деформацию, а значит, и измеряемую силу по изменению электрического сопротивления проволоки.
Фольговые тензорезисторы выполнены из фольгированного материала методом травления с применением фотолитографии. Малая толщина фольги (4...12 мкм) обеспечивает хороший тепловой контакт проводника с металлом силовоспринимающего элемента и благодаря этому большой ток и чувствительность без самопрогрева датчика.
Пленочные проводниковые тензорезисторы изготовляют методом осаждения в вакууме через маску необходимой конфигурации металла толщиной меньшей, чем у фольговых (1 мкм).
Полупроводниковые тензорезисторы вырезают из кристалла кремния или германия n- или р-типов в виде прямоугольной пластины длиной 2...12 мм и шириной 0,15...0,5 мм. При этом его сопротивление может составлять 50...10000 Ом. Чувствительность полупроводниковых тензорезисторов на 1...2 порядка выше, чем у проводниковых, однако они имеют очень большие температурные погрешности и не обеспечивают высокой точности.
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Интегральные полупроводниковые тензорезисторы выращивают методами планарной технологии в кристалле микросхемы, содержащей также термокомпенсирующие элементы. Отсутствие клея и идентичность тензорезисторов обеспечивают им не только высокую чувствительность, но и термостабильность. При этом на одном кристалле выращивают все четыре тензорезистора моста и линии связи между ними. Основное применение интегральные полупроводниковые датчики нашли при измерении давления. Кристалл подложки выполняет функцию упругого элемента и работает как мембрана, деформируя выращенные в нем тензорезисторы. На рис. 2.5 показаны различные конструкции тензорезисторов.
При линейной деформации проводников тензорезисторов сопротивление датчика R = ρl/S получает приращение
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Для круглой проволоки
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Так как деформация проводника не выходит за пределы упругой, изменение радиуса Δr проволоки связано с изменением длины l коэффициентом Пуассона μ:
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Поэтому значение ΔR составит
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

а относительное изменение сопротивления
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Основным параметром тензорезистора является его коэффициент тензочувствительности:
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

В проводниковых тензорезисторах основной вклад в значение к вносит первое слагаемое, в полупроводниковых — второе. Удельное сопротивление тензорезистора линейно зависит от механического напряжения в нем:
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

где kл — коэффициент материала; σ — механическое напряжение в тензорезисторе.
Для константана кл = 1,5*10в-12 Па-1 для кремниевого полупроводникового тензорезистора kл изменяется в зависимости от типа проводимости и направления среза в кристалле.
Схемы включения тензорезисторов. Структура современного измерителя включает в себя генератор переменного напряжения, измерительный мост с рабочими и термокомпенсационными тензорезисторами, блок балансировки моста, усилитель напряжения разбаланса, детектор и нормирующий усилитель. Использование переменного напряжения питания моста вызвано тем, что применяемый затем усилитель может содержать разделительные конденсаторы между каскадами, что обеспечивает малый дрейф сигнала. Однако балансировка моста одним переменным резистором оказывается невозможной, так как экранированные провода линий связи имеют большую электрическую емкость и возникает необходимость балансировки моста не только по активной, но и по реактивной составляющей тока разбаланса.
Типичная схема балансировки моста приведена на рис. 2.6, а. Рядом с рабочим датчиком R1 приклеивают термокомпенсационный датчик R2 такого же номинала. Этим достигается равенство их температур и автоматически компенсируется температурная погрешность. Резисторами R6 и R10 балансируют мост, причем R10 служит для балансировки реактивной составляющей напряжения разбаланса. Емкости Сэ1 и Сэ2 — паразитные емкости линий связи.
С появлением интегральных усилителей постоянного тока, обладающих очень высокой стабильностью, стал возможен переход на питание моста постоянным током. Балансировка моста здесь необходима только для компенсации различий в активных сопротивлениях линий связи. Одна из подобных схем приведена на рис. 2.6, б.
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Измерительный мост с четырьмя тензорезисторами R1, R2, R3, R4 питается постоянным напряжением Е. Напряжение разбаланса моста усиливается дифференциальным усилителем DA1, выходы которого подключены к входам операционного усилителя DA3. Резистор R0 служит для установки Uвых = 0 при отсутствии измеряемой деформации. Снимаемое с него напряжение через дифференциальный усилитель DA2 воздействует на входы DA3, суммируясь с сигналом разбаланса моста.
Измерительные схемы с цифровым выходом выполняют на базе интегральных микросхем с преобразованием напряжения разбаланса моста в частоту или непосредственно в код с помощью АЦП. Одна из измерительных схем с преобразованием напряжения разбаланса в частоту приведена на рис. 2.6, в. Мост питается от высокостабильного источника двухполярного напряжения и поэтому при отсутствии деформации напряжения в точках а и b равны нулю. Дифференциальный усилитель имеет высокие входные сопротивления по обоим входам, поэтому колебания сопротивлений линии связи не влияют на напряжение разбаланса. Его коэффициент усиления
kдиф = 1 + 2R2/RI = 3.

Выходное напряжение усилителя управляет частотой прямоугольных импульсов генератора на таймере KP1108ПП1.
Сельсины. Сельсины представляют собой самосинхронизирующиеся электрические двигатели переменного тока. Они служат для измерения углов поворота и дистанционной передачи угла поворота вала. Конструктивно сельсины выполняются в виде ротора и статора с обмотками. Как правило, сельсины работают парами. На сельсине-датчике задается угол поворота, а сельсин-приемник отрабатывает этот угол поворота или приводит в действие исполнительный механизм. Соединение сельсинов производится электрической цепью. Классифицируются сельсины на контактные и бесконтактные. Они также бывают однофазные и трехфазные.
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Принцип работы сельсина состоит в следующем. При включении статорной обмотки в сеть переменного тока (рис. 2.8, а) она создает пульсирующий магнитный поток, который индуцирует в каждой фазе роторной обмотки ЭДС, зависящую от угла его поворота α, т.е.
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

где Emax — максимальная ЭДС при совпадении оси одной из обмоток ротора P с осью статора С.
Максимальная ЭДС определяется по формуле
Emax = 4,44fwФc,

где f — частота тока, Гц; w — число витков обмотки ротора; Фс — магнитный ток возбуждения статора, Вб.
По значениям этих ЭДС можно судить об угле поворота вала. Наиболее широкое применение получили сельсины в следящих системах при дистанционной передаче угла поворота. На рис. 2.8, б приведена индикаторная схема включения сельсинов. Сельсин BG является сельсином-датчиком, а BE — сельсином-приемником. Статорные обмотки возбуждения образуют переменные магнитные потоки Фд и Фп, которые наводят в обмотках роторов соответствующие ЭДС.
Если оси фазных обмоток роторов расположены в пространстве одинаково, то Е1д = Е1п; E2д = E2п; E3д = Е3п; т.е. если потенциалы точек А; В; С равны, то токи Ia = 0; Ib = 0; Ic = 0.
При повороте ротора BG на угол а вводимые ЭДС становятся различными и по цепи потекут уравнительные токи:
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

где Z — общее сопротивление фазных обмоток роторов BG и BE, Ом.
Эти равенства справедливы при наличии нулевого провода (штрихпунктир), ток которого I0 = IA + IB + IC. Уравнительные токи, протекая по обмоткам сельсина-приемника, создают в них свои переменные магнитные потоки IAw; IBw; ICw (w — число витков в одной фазной обмотке).
При повороте ротора сельсина-датчика BG на угол а магнитный поток ротора приемника BE повернется на тот же угол, но в противоположную сторону. Этот магнитный поток Фп' взаимодействует с магнитным потоком своего статора Фп, в результате чего возникает вращающий (синхронизирующий) момент Mc = kФп'Фпsinα, который поворачивает ротор сельсина-приемника в направлении поворота ротора сельсина-датчика на угол α, т.е. ось ротора сельсина-приемника отрабатывает заданное положение. Это есть простейшая следящая система.
В тех случаях, когда требуется управлять частотой вращения электродвигателя, нагруженного большим моментом при дистанционной передаче угла поворота, применяется трансформаторная схема включения сельсинов. Она отличается от предыдущей схемы тем, что обмотка возбуждения сельсина-датчика BG (рис. 2.8, в) разделена с обмоткой возбуждения сельсина-приемника BE и она является выходной обмоткой Uвых. Магнитный поток Фд статора сельсина-датчика BG наводит в обмотках ротора ЭДС: Е1д; E2д; E3д, значения которых определяются углом αд относительно оси обмоток статора аналогичным образом, как и при индикаторной схеме включения сельсинов. Эти ЭДС создают в замкнутой цепи роторов сельсина-датчика BG и сельсина-приемника BE уравнительные токи IA; IB; IС, которые создают, в свою очередь, магнитные потоки в фазовых обмотках ротора сельсина-при-емника (магнитные потоки Ф1п, Ф2п, Ф3п). образующие суммарный магнитный поток Фп.с, направленный в зависимости от углов и положения к однофазной обмотке статора приемника Wп. Этот магнитный поток наводит в ней выходное напряжение
Uвых = Umax cos(Δα),

где Umax — максимальное выходное напряжение сельсина трансформатора BE.
При повороте ротора датчика BG на угол a при заторможенном роторе-приемнике BE в его статоре будет наводиться Uвых, пропорциональное углу поворота αд; при этом Uвых = min при Δα = 0° и Uвых = max при Δα = 90°. Значение Uвых подается на усилитель и далее на электродвигатель М, направление вращения которого будет зависеть от направления рассогласования Δα (фазы напряжения), т.е. электродвигатель M начнет вращаться в направлении ротора-датчика BG до тех пор, пока Aa не станет равным нулю.
Вращающиеся трансформаторы. Они являются электрическими машинами с неявно выраженными полюсами (рис. 2.9, а), имеют вращающийся ротор и неподвижный статор, которые набраны из листовой электротехнической стали. В пазах ротора и статора уложены по две перпендикулярно расположенных обмотки Wp, Wc. Воздушный зазор между ротором и статором имеет постоянную величину. Вращающиеся трансформаторы позволяют преобразовывать угловое движение, например, выходного вала силового привода в непрерывно изменяющееся напряжение переменного тока в функции угла поворота sin α и cos α в зависимости от способа включения обмоток трансформатора.
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Диаграмма напряжений синусно-косинусного вращающегося трансформатора (CKBT) показана на рис. 2.9, б.
При повороте ротора, кинематически связанного с перемещаемым органом, относительно статора в обмотках ротора наводится ЭДС. Напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки, включенного во вторичную обмотку, изменяется в функции угла поворота по закону
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

где α — угол поворота; k — коэффициент трансформации.
Трансформаторный датчик углов поворота. Датчик состоит из магнитопровода 1 (рис. 2.10), катушки W1, к которой подводится напряжение питания Uп, и обмотки 2 (W2), выполненной в виде рамки, которая поворачивается на угол от α1 до α2. При горизонтальном положении рамки 2 наводимая в ней ЭДС равна нулю; при ее повороте увеличивается ЭДС, по которой можно судить об угле поворота. При переходе угла поворота через 180° фаза ЭДС изменяет свое значение.
Преобразователи сил, деформаций и параметров движения

Импульсные датчики (например, ПДФ-3) 2 — обмотки служат для преобразования угла поворота рабочих органов в число импульсов и угловой скорости в частоту следования импульсов.
Выходные сигналы датчика — две серии импульсов по двум раздельным каналам. Число импульсов на оборот — 600. Импульсы двух серий сдвинуты относительно друг друга на 90 электрических градусов. Основной деталью датчика является металлический модуляционный диск, закрепленный на валу. На диске имеется 600 пазов. На неподвижной индикаторной пластине также 600 пазов. За индикаторной пластиной расположены фотодиоды, за диском, — светоизлучатели. Сигналы с фотодиодов усиливаются и передаются на цифровые счетчики импульсов. Таким образом измеряется длина круглых лесоматериалов, пиломатериалов. Датчик устанавливается на ведущий шкив продольного транспортера. Путь прохождения бревна, доски в створе оптического регистратора соответствует длине этого объекта, которая представляется соответствующим числом импульсов. Исследования, проведенные ВГЛТА, показали, что датчики длины лесоматериалов ПДФ-3 достаточно просто сопрягаются с микроЭВМ.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: