книги / Цифровые приборы с частотными датчиками
..pdfС индуктивным делителем |
G емкостным делителем |
|
|
|
|
51C5 |
|
|
P i = |
|
WZ |
|
|
wi "b |
Щ |
|
P2 = |
Wx |
/>2 = |
|
w2 |
Wx-h W2 |
--------- -------- |
|||
|
|
U>1 - f |
^ 2 T l W 3 |
контуром (рис. 3-5, а, б) или путем регулировки отрицательной обратной связи в самом усилителе (рис. 3-5, в и г ) .
Погрешности, вносимые LC-генератором в общую погрешность датчика, складываются из нестабильности и нелинейности.
Нестабильность частоты LC-генератора вызывается изменением
параметров избирательной цепи (емкости, индуктивности, доброт
ности контура) и изменением характеристик усилителя (фазового
Рис. 3-1. Схемы транзисторных генераторов с параллельным JLC-KOH- туром
сдвига, входных и выходных емкостей и сопротивлений). В свою оче редь причинами этих изменений являются изменения окружающей температуры, напряжения питания, а также нестабильность элемен тов генератора с течением времени. В настоящее время не составляет
проблемы стабилизировать напряжение питания генератора и исклю
чить тем самым соответствующую составляющую нестабильности ча стоты. Однако при испытаниях генератора имеет смысл отключать стабилизатор и снимать зависимость частоты от напряжения питания,
так как эта зависимость характеризует влияние усилителя на час
тоту генератора. У |
лучших образцов LC-генераторов изменение на |
||
пряжения питания |
на 10% |
вызывает |
изменение частоты порядка |
(2 -т- 5)10_3% или (2 |
5) 10-5 |
[61, 106, |
107]. У большинства LC-ге |
нераторов частота изменяется на (2 -+- 5) 10-2% при изменении напря жения питания на 10%.
Температурный коэффициент частоты генератора определяется в ос новном нестабильностью элементов LC-контура и при использовании конденсаторов и катушек индуктивности с весьма малыми темпера турными коэффициентами может быть снижен до величины порядка
210~2% на 10 град (2-1<Г5 1/град) [61]. Вообще же значения тем
пературного коэффициента частоты LC-генераторов лежат в пределах (5 ч- 10) 10-2 % на 10 град или (5 ч- 10) 1СГ5 1jgpad.
При использовании катушек индуктивности с ферритовыми сер дечниками следует учесть, что температурный коэффициент магнит
ной проницаемости ферритов может достигать величины 5—7% на
10 град [89]. Значение температурного коэффициента имеет большой
разброс от партии к партии при одной и той же марке материала и из
меняется, кроме того, в диапазоне температур. Уменьшить темпера турный коэффициент индуктивности можно введением воздушного
зазора в магнитопроводе. Зависимость индуктивности от температуры
при этом уменьшается во столько же раз, во сколько индуктивность
сердечника без зазора больше индуктивности сердёчника с зазором. Нестабильность частоты LC-контура с катушкой индуктивности на
ферритовом сердечнике с зазором может составлять примерно 0,1%
на 10 град в диапазоне температур от 20 до 70° С [89].
При построении частотного датчика целесообразно неизменяющийся элемент контура подбирать с таким температурным коэффициентом,
который |
скорректирует температурный коэффициент всего датчика |
в целом. |
Возможна также ручная подрегулировка этих элементов |
в соответствии с температурой. В силоизмерительном датчике с ин
дуктивным первичным преобразователем подрегулировкой емкостей в зависимости от температуры окружающей среды удалось снизить
температурную погрешность датчика в целом до (3 ч- 5) 10'_2% на 10 град [70].
Для уменьшения нестабильности частоты следует по возможности
изолировать генератор от влияния окружающей среды. Например*
генератор описанного в работе [55] датчика для измерения давления в трубопроводе помещался в скважину на глубину 3 м, где темпера тура в течение года колебалась в пределах 4,5 ± 0,9° С. Суточный
дрейф частоты такого датчика не превышал 5 -10-4 (0,05%). В частот ном датчике, описанном в работе [92] и предназначенном для кон дуктометрических измерений, катушка колебательного контура ге
нератора по схеме Клаппа и дроссель в цепи катода лампы, намотан
ные на кварцевой трубке, вместе с лампой и переменным конденсато ром находились внутри экрана с двойными стенками, между кото рыми пропускалась термостатированная вода. Кратковременная не
стабильность частоты такого генератора составляла величину порядка
1<Г8 — К Г9 (КГ® — 1<Г7%).
При прочих равных условиях стабильность частоты тем выше, чем
выше добротность контура. Добротность определяется в основном
потерями в катушке индуктивности. На рис. 3-2 приведены экспери
ментально полученные значения добротности LC-контура при ис-
7 Î
пользовании катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками в функции частоты при различных величинах воздушного зазора в магнитопроводе [89]. Катушка индуктивности имела следующие данные: число витков обмотки 2 X 50 из провода литцендрат 6 х 0,07 мм, сердечник броневого типа диаметром 11 мм из марганцецинкового феррита с магнитной проницаемостью р. = 2000. Зависимости, при
веденные на рис. 3-2, показывают, что диапазон наиболее выгодных
рабочих частот генератора с катушками на ферритах равен 300 —
— 1200 кгц. В этом диапазоне частот добротность контура составляет не менее 120 — 160.
Рис. |
3-2. Зависимости добротности ка |
Рис. 3-3. Зависимости добротно |
|
тушек |
индуктивности с |
ферритовыми |
сти LC-контура от длины воздуш |
сердечниками от частоты при различных |
ного зазора в магнитопроводе ка |
||
величинах воздушного зазора в магнито- |
тушки индуктивности с феррито |
||
|
проводе |
|
вым сердечником для частот 500 |
|
|
|
и 760 кгц |
На |
графике рис. 3-3 |
представлены кривые добротности колеба |
тельного контура в функции изменения зазора Q = f (ô) для частот
500 и 760 кгц. Как видно из графика, добротность мало меняется при
изменении зазора от 100 до 700 мкм. Кривые, показывающие зависи
мость от частоты добротностей катушек индуктивности, выполненных
на |
броневых сердечниках из |
карбонильного |
железа, можно найти |
в |
работе [79]. |
|
|
|
Исходя из условий получения максимальной добротности, нецеле |
||
сообразно выходную частоту |
LC-генератора |
выбирать ниже, чем |
100—200 кгц, а также увеличивать выше нескольких мегагерц. Даль нейшее повышение частоты возможно только при использовании ка
тушек индуктивности без ферромагнитных сердечников.
В значительной мере, как уже указывалось, погрешность от не
стабильности частоты может быть уменьшена при переходе к диффе
ренциальным датчикам. Поэтому иногда даже при использовании не дифференциального датчика целесообразно применять опорный ге
нератор, такой же, как и генератор датчика, но с постоянными эле ментами избирательной цепи [57].
Нелинейность частотных датчиков на основе LC-генераторов вы зывается как нелинейностью преобразования величин L или С (или величин, обратных им) в частоту, так и нелинейностью первичного преобразователя. Так, например, емкость в емкостном преобразова теле за счет наличия паразитных емкостей изменяется не строго об
ратно пропорционально воздушному зазору между пластинами или
прямо пропорционально площади перекрывающихся пластин. В ин
дуктивном преобразователе идеальные зависимости искажаются за счет полей рассеяния и отличного от нуля магнитного сопротивления сердечника.
Методы уменьшения погрешности линейности могут быть следую
щими: а) использование индуктивных преобразователей с сердечни
ками, имеющими высокое качество магнитной цепи, и емкостных пре образователей с малыми паразитными емкостями; б) использование специальных первичных преобразователей; в) построение дифферен
циальных датчиков и рациональный выбор рабочего участка их ха
рактеристики (см. § 2-2).
Высокое качество магнитной цепи или малые паразитные емкости
дают возможность увеличить эффективность преобразования индук
тивного или емкостного преобразователя, что в свою очередь приводит к уменьшению погрешности линейности. Обычно значение £ (см. § 2-2)
для первичного преобразователя лежит в диапазоне 0,2 — 0,8. По
следнее значение относится к хорошо спроектированным преобразо вателям.
Для повышения линейности зависимости частоты от измеряемой
величины разработаны также специальные частотные датчики. В ра
боте [49] предлагается строить индуктивные преобразователи для частотных датчиков в виде катушки с разомкнутой магнитной цепью
и цилиндрическим сердечником из магнитномягких ферритов, пере мещающимся по оси катушки. Линеаризация характеристики датчика
в этом случае |
достигается профилированной намоткой катушки. |
В работах |
[104, 105] предлагаются бипараметрические датчики, |
в которых изменение измеряемой величины приводит к одновремен
ному изменению зазора в магнитопроводе катушки индуктивности
и расстояния между пластинами конденсатора. Поскольку в таком
датчике изменяются оба элемента контура, то уменьшается его по грешность линейности, однако полной линейности не достигается вследствие неравенства единице эффективности преобразования обоих
первичных преобразователей.
Погрешность линейности может быть также уменьшена путем по
строения таких первичных преобразователей, у которых одновременно изменяется и эффективная площадь полюсов и зазор между ними.
Примеры подобных преобразователей приведены на рис. 3-4 [87, 55,
105]. В преобразователе, показанном на рис. 3-4, а, выполненном на основе броневого ферритового сердечника, полюсы двух половин сер дечника сделаны скошенными [87 ]. За счет этого при воздействии из
меряемого перемещения Ô изменяются одновременно и длина воздуш ного зазора в магнитопроводе и эффективное сечение полюсов.
Для оценки эффективности подобного метода улучшения линей ности можно привести формулы, полученные в результате экспери
ментального исследования различных частотных датчиков с индук тивными первичными преобразователями, выполненными на основе
броневых ферритовых сердечников |
[89]: для |
недифференциального |
|
датчика с прямыми полюсами ул = |
для дифференциального дат |
||
чика с прямыми полюсами ул = |
для дифференциального датчика |
||
со скошенными полюсами (при оптимальном |
угле |
скоса а = 55°) |
|
Ул — * 8ев. где ул — погрешность линейности; |
е — относительное из |
||
менение зазора; kl9 k2, k3 — постоянные коэффициенты. |
|||
Следует, однако, заметить, что вследствие того, что изготовление |
|||
и настройка подобных специальных первичных |
преобразователей |
Рис. 3*6. Конструкция емкостного первичного преобразо вателя (а) и принципиальная схема частотного датчика давления (б)
сложнее, чем преобразователей с прямыми полюсами, на практике ча сто отдают предпочтение последним, а для уменьшения нелинейности уменьшают изменение зазора.
Практические значения девиации частоты датчиков с LC-генера
торами лежат обычно в диапазоне 5—*20%. Иногда строят датчики и с отличными от этих значений девиациями частоты, что вызывается спецификой примененных преобразователей [55, 63].
Примеры частотных датчиков на основе LC-генераторов. На рис. 3-5 показана конструкция дифференциального индуктивного пер вичного преобразователя и принципиальная схема датчика, предна
значенного для измерения перемещений в пределах 0—400 мкм [2].
Катушки индуктивности L x и L 2 контуров .генераторов Г i и Г 2 раз
мещены в разных половинах броневого оксиферового сердечника типа
СБ-30. Якорь выполнен из половины такого же сердечника. Частотно
зависимые цепи генераторов соответствуют схеме IV в табл. 3-1. Кроме генераторов (L\ и Г 2), измерительная цепь датчика содержит смеси тель См, фильтр Ф и выходной усилительный каскад ВК> При изме
нении измеряемого перемещения от 0 до 200 мкм разность частот ге нераторов, являющаяся выходной частотой датчика, изменяется от 300 до 900 ец. Начальные частоты генераторов составляют примерно
10 кгц. Меняя начальный зазор в магнитопроводе датчика, г^ожно получать значения чувствительности в пределах от 0,5 до 6 гц/мкм.
На рис. 3-6 представлен эскиз конструкции емкостного первичного
преобразователя и принципиальная схема частотного датчика для из
мерения давления [81]. Первичный преобразователь представляет
Рис. 3-7. Конструкция индуктивного первичного преобразователя
(а) и принципиальная схема (б) частотного силоизмерительного датчика
собой фигурный стальной стакан 1> ввинчиваемый в резервуар, в ко
тором контролируется давление. Дно стакана выполняется в виде стальной мембраны, толщина которой зависит от диапазона измеряе мых давлений. На расстоянии 0,2 — 0,3 мм от мембраны внутри ста
кана устанавливается цилиндрическая металлическая пластинка 3,
укрепленная на изоляционной втулке 2, притертой к внутренней по
верхности стакана. На пластинку наклеивается тонкий листок
слюды 4. Особенностью схемы этого датчика является присоединение
емкостного преобразователя Сх к LC-контуру через согласующий
(понижающий) трансформатор L x — L 2, что уменьшает влияние ем кости соединительного кабеля на частоту генератора. Применением этого трансформатора можно достичь того, что изменение емкости ка беля будет сказываться на частоте генератора в 20—30 раз меньше,
чем изменение на такую же величину емкости датчика. Соответствую
щая избирательная цепь представлена в табл. 3-1 под номером VIL
Уменьшение влияния емкости кабеля возможно и при присоединении
к контуру емкостного преобразователя при помощи автотрансформа
тора.
На рис. 3-7 показана конструкция и принципиальная схема од ного канала двухканального дифференциального силоизмерительного
датчика с индуктивным преобразо |
|
|||||
вателем [70]. |
Измеряемое |
усилие |
|
|||
(5 кн) деформирует овальный упру |
|
|||||
гий элемент, что приводит к изме |
|
|||||
нению зазоров |
в магнитопроводах |
|
||||
четырех |
катушек индуктивности |
|
||||
на величину 160 мкм, причем в двух |
|
|||||
катушках |
индуктивности |
зазор |
|
|||
уменьшается, |
а в двух других — |
|
||||
увеличивается. |
Принципиальная |
|
||||
схема каждого из двух каналов дат |
|
|||||
чика |
включает в себя два |
генера |
Рис. 3-8. Генератор частотного ми |
|||
тора, смеситель и выходной усили |
||||||
тель. |
Наличие двух |
независимых |
крометра с последовательным LC- |
|||
контуром |
||||||
каналов |
увеличивает |
надежность |
|
работы измерительной системы. На
чальные частоты генераторов лежат в диапазоне от 400 до 500 кгц. Выходная частота каждого канала при неиагруженном датчике может иметь одно из значений в диапазоне от 5 до 20 кгц и увеличивается ровно на 50 кгц при приложении к датчику номинального усилия.
На рис. 3-8 изображена схема генератора, использованного при
построении частотного микрометра [107]. Последовательный резо нансный контур в этом генераторе позволяет уменьшить влияние ем кости провода, соединяющего контур с остальными элементами ге нератора.
3-2. Преобразователи напряжения в частоту на основе использования емкости р—п-перехода
Варикапы, основанные на использовании барьерной емкости за
пертого перехода (иначе называемые емкостными диодами), имеют ряд преимуществ по сравнению с другими емкостными элементами, чувст
вительными к электрическому напряжению. К этим преимуществам относятся стабильность во времени, отсутствие частотной зависимости емкости во всем диапазоне радиочастот, температурная цикличность,
воспроизводимость зависимости емкости от управляющего напряже
ния и высокая добротность в широкой полосе частот. Подробно с ха рактеристиками варикапов можно ознакомиться в работах [60, 771. Именно благодаря этим свойствам варикапы нашли широкое приме нение при построении параметрических усилителей и модуляторов.
Уже сейчас имеются модуляторы на емкостных диодах, обладающие
входным сопротивлением больше 10s ом, дрейфом нуля в диапазоне температур / = 20 -+- 25° С за час меньше 15 мкв, а в течение одной недели меньше 30 мкв [103]. Высокие метрологические свойства ва рикапов позволяют использовать их также и в качестве элемента кон
тура, управляемого напряжением, при построении измерительных
преобразователей напряжения в частоту.
Общие свойства варикапов. При построении преобразователей на пряжения в частоту с варикапами используется зависимость их ем
кости от напряжения:
где Um — запирающее напряжение смещения, приложенное к пере
ходу извне; UK— контактная разность потенциалов, зависящая от
материалов р и n-областей диода; С0 — величина емкости при UCM= 0; т — безразмерный показатель, для выпускаемых промышленностью
варикапов равный 2 [601. Для германиевых диодов типичным зна
чением UK является 0,4 в, для кремниевых 0,8 в [60]. Соответственно
при изменении запирающего напряжения от нуля до 8—10 в емкость
меняется в 3—4 раза. Эти соотношения справедливы, например, для кремниевых стабилитронов, а также для таких диодов, как Д204.
Чувствительность диода к напряжению выражается как
|
|
|
|
С, |
|
дС |
|
1 |
|
£/„ |
|
а относительная чувствительность |
|
|
|||
s = _ \ |
дС |
= |
1 |
|
|
|
С |
dU |
|
т (1/QM+ Un) |
|
Поэтому, например, относительное изменение частоты LC-генератора |
|||||
с варикапом |
|
1 |
дС |
|
|
|
~ |
' |
(3-5) |
||
fdU |
1 |
Х - |
|||
|
2 |
CdU |
2т (£/См + |
Uк) |
не зависит от емкости варикапа.
При шунтировании варикапа постоянной емкостью Сш его отно
сительная чувствительность уменьшается в соответствии с выраже
нием |
1 |
дС = |
__ 1___ С_______1 |
s _ |
|||
|
С -}- Cm dU |
№ С -f-Сщ £/см -f* |