книги / Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средства измерения физических величин
.pdfРезистивные датчики перемещений (резисторные потенциомет ры). Такие датчики применяются для измерения перемещений и положе ния (размера) как непосредственно, так и в комбинации с другими преоб разователями.
Датчик этого типа прост по устройству и функционированию, отно сительно дешев, измеряемый сигнал, который он позволяет получать, мо жет иметь весьма высокий уровень и не требовать специальной электриче ской схемы обработки; измерение абсолютное - измеряемый сигнал одно значно соответствует положению ползунка. Однако он обладает внутрен ним трением, чувствителен к вибрации, в условиях повышенной загряз ненности скользящий контакт (ползунок) быстро изнашивается. Резистор может быть образован либо намотанной изолированной проволокой, либо проводящей полоской. Проволока должна обладать малым температурным коэффициентом сопротивления и малой термоЭДС (при использовании меди). Проводящие полоски выполняются на пластиковой основе и покры ваются проводящим порошком углерода или металла. Значение сопротив ления потенциометра (Rn) чаще всего заключено в интервале 1 - 1 0 0 кОм.
Характеристика линейна. Лучшее разрешение обеспечивают полосковые потенциометры - до 0,1 мкм. Проволочные потенциометры с минималь ным диаметром провода обеспечивают разрешение > 10 мкм. На срок службы влияют условия эксплуатации. Колебательное движение ползунка вблизи одного положения влечет за собой ухудшение линейности и может привести к разрыву проволоки. Срок службы потенциометра - до 106 пе ремещений. Линейность характеристики зависит от сопротивления под ключенной нагрузки (вольтметра). Для увеличения сопротивления нагруз ки вольтметр можно подключить через усилитель с большим входным со противлением.
Серийно выпускаемые нашей промышленностью потенциометры с дополнительными устройствами позволяют измерять перемещения в диа пазоне 0 - 16 м (табл. 2.2). Немецкая фирма MEGATRON предлагает по тенциометрические датчики линейных перемещений типа ММ 10, CFL-1000 и zip. со следующими техническими данными: диапазон переме щения 0 - 2000 мм, разрешение 0,01 мм, скорость перемещения ползунка до 10 м/с, погрешность нелинейности до 0,05 %.
Индуктивные датчики перемещения. Для измерения размеров в машиностроении применяются электромагнитные датчики (индуктивные, взаимошщуктивные). Простейший индуктивный датчик с изменяемым за зором имеет значительную нелинейность характеристики. Индуктивность L катушки с числом витков w зависит от сопротивления зазора 8:
l_i05 ц5
Наименование |
Геометри |
Тип датчика, |
Чувствительный |
Тип выходного из |
Выходной |
датчика |
ческие раз |
пределы |
элемент |
мерительного преоб |
сигнал |
|
меры, мм |
измерений |
|
разователя |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Электроконтактные |
450 |
БВ -7794, 0 - 1; |
Электроконтакт |
Изм усил.250-3 50 г |
1А, 50 В |
датчики |
160 |
ИЗО 0 - 35; |
|
Изм.усил. 150-259 г |
|
|
85 |
КД-10, 0-2,5; |
|
Изм.усил.200-400 г |
|
|
380 |
ОКБ-ОИ-50, 0-5 |
|
|
|
|
|
мм |
|
|
|
Потенциометриче- |
086x40,5 |
ВТ710, |
Резистор |
Вольтметр, програ |
0 - 6 В |
ские датчики линей |
|
0 - 2,8 м |
СП5-21Б, |
дуирован в переме |
|
ных и угловых пере- |
|
|
Rn= 1500 Ом |
щении 1х |
|
мещений |
053x56 |
ВТ712, |
|
|
|
|
|
0-6,88 см |
|
|
|
Приведенная |
Температу |
погрешность |
ра окру |
|
жающей |
|
среды, °С |
7 |
8 |
± 1 мкм |
-50 - +200 |
± 0,5 мкм |
|
±2 мкм |
|
± 3 мкм |
|
±1 % |
-5-+60 |
±1% |
-60-+60 |
|
|
040,5x55 |
ВТ718, |
|
±2% |
-50-+50 |
|
|
|
0 - 75 см |
|
|
|
|
|
056x120х |
ВТ714, |
|
± 1,5 % |
-60-+60 |
|
|
х1,33 |
0 - 16м |
|
|
|
|
|
43,5х7,6х |
ВТ721, |
|
±1 % |
-60-+60 |
|
|
х120 |
0 - 16 м |
|
|
|
Индуктивный датчик |
0 20 х |
± 50 мкм |
Дифференциаль |
Счетно-решающее Двоичный код ± 0,2 мкм |
-20 - +70 |
|
линейных |
переме |
х 120 |
|
ный индуктивный |
регистрирующее |
|
щений |
|
|
|
преобразователь, |
устройство |
|
1 Трансформаторный датчик линейных перемещений
Дифференциальный трансформа торный датчик с измерительным стержнем и якорем Дифференциаль ный трансформа торный датчик ли нейных перемеще ний Взаимоиндуктивный датчик линей ных перемещений
2
020 х
х20,5 мм 020x80мм
042x38мм
057x46мм
025 х
х170 мм 010x38мм
Линейка 249,9 мм (до 14 шт.), движок 88,3 мм
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Амплитудные: |
0,1 -2,8 мм |
ВТ5423 |
|
|
-100-+50 |
ПДИ045 |
Аналоговый |
±2% |
|||
ПИД052 |
0 - 4 мм |
ВТ5423 |
Аналоговый |
± 1,5% |
-196-+50 |
Амплитудно |
|
|
|
|
|
фазовые: |
|
ИТРАН-2Л |
Аналоговый |
± 1,5% |
-50-+60 |
ПЛИ058 |
0 - 16 мм |
||||
ПЛИ073 |
0 - 16 мм |
БУП045 |
Аналоговый |
±2% |
-50 - +50 |
Штоковые: |
|
ИТРАН-2Л |
Аналоговый |
±2% |
-60-+345 |
ПЛИ057 |
0 - 300 мм |
||||
ПЛИ079 |
0 - 16 мм |
БУП045 |
Аналоговый |
± 1% |
-50 - +50 |
ДИ |
Магнитодиоды - |
Встроенное уст |
10-разрядный |
± 1 мкм |
10-30 |
|
КД301Д,±1 мм |
ройство преобразо |
цифровой код |
|
|
|
|
вания перемещения |
|
|
|
|
|
в цифровую форму |
|
|
|
|
0 - 2 мм |
Un= 24 В |
Шлейф ос |
Нелиней -60 - +80 |
|
|
|
(36 В), |
циллографа |
ные харак |
|
|
|
/ = 50 Гц |
|
теристики |
|
|
|
|
|
0,6 % |
|
Индуктосин |
На линейке одно |
Сигнал с линейки |
Двоичный код |
2 - 8 мкм |
-60-+70 |
ВДЛП |
фазная печатная |
1,5 мВ,подается на |
|
|
|
|
обмотка, на движ |
электр. устройство |
|
|
|
|
ке две обмотки, |
|
|
|
|
|
зазор 0,2 мм |
|
|
|
|
1 Растровый транс форматорный дат чик перемещений
Датчик перемеще ний с элементом Холла
Полупроводниковый датчик линей ных перемещений Оптоэлектронный датчик линейных перемещений
2
034 х
х50 мм
032x34 х 72 мм 045x75 х 125 мм 0 20 мм
04,3 х
х10 мм
3 |
4 |
5 |
6 |
ПЛИ027Э |
Трансформатор с |
Чувствительный |
Двоичный код |
ПЛИ029Э |
рейкой, барабан с |
элемент с кольце |
|
тросиком, 0 - 1 м |
выми растрами |
|
|
ПЛИ055 |
|
|
|
|
Два постоянных |
Элемент Холла |
± 1,5 В |
|
магнита с двумя |
включен в схему |
|
|
ферромагнитными |
УПТ, |
|
|
пластинами, |
£=120 мВ/мм |
|
|
± 12,5 мм |
|
|
|
Магнитотранзи- |
Усилитель, АЦП |
Двоичный код |
|
стор, 0 -3 0 мкм |
Ua =5В |
|
Светодиод |
Маска перекрыва |
Цифровой преобра |
Код |
АЛ107Б, |
ет световой поток |
зователь |
|
фотодиод ФДЗ |
в цифровом коде |
|
|
|
или коде Грея |
|
|
|
L = /(2" - 1), |
|
|
|
где / - длина еди |
|
|
|
ницы младшего |
|
|
|
разряда; |
|
|
|
п- число каналов |
|
|
|
маски |
|
|
7 |
8 |
0,05 мм, |
-60-+200 |
± 0,3 % |
|
±10 мВ, |
-20-+70 |
± 0,08 мм |
|
± 1% |
-40-+100 |
± 5 мм |
-2 0 -+ 100 |
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Оптоэлектронный |
|
Светодиод |
Изображение из |
Усилитель опера |
Аналоговый |
Нелиней -20-+100 |
||
датчик линейных и |
|
К849ПП1, фо |
лучателя (свето |
ционный, |
|
ность ± 5%, |
|
|
угловых |
переме |
|
тодиод А011ЗА |
диод) с помощью |
чувствительность |
|
точность |
|
щений |
|
|
или |
сферического |
£=15 мВ/мкм, |
|
углового |
|
|
|
|
АОРИЗА(а), |
(плоского)зеркала |
|
|
положения |
|
|
|
|
1оптопара, |
проецируется на |
|
|
± 2 " |
|
|
|
|
АОРСПЗА(б), |
поверхность диф |
|
|
|
|
|
|
|
2 оптопары |
ференциального |
|
|
|
|
|
|
|
|
фотоприемника, |
|
|
|
|
Оптоэлектронный |
|
|
0 - 700 мкм |
|
|
|
|
|
0 48 х |
ПЛ0064 |
Выходная инфор |
Фазометр Ф2-34 |
Двоичный код |
±2% |
-50-+60 |
||
датчик линейных |
х65,6 мм |
|
мация пропорцио |
(ФОТОН-1Л) |
|
|
|
|
перемещений |
|
|
нальна фазовому |
|
|
|
|
|
(ОДЛП) |
|
|
|
сдвигу выходного |
|
|
|
|
|
|
|
|
сигнала относи |
|
|
|
|
|
|
|
|
тельно исходного, |
|
|
|
|
Волоконно-оптиче |
|
вод |
0 - 90 м |
ЭВМ |
Двоичный код |
0,03 мкм |
-50 - +200 |
|
|
2 интерферометра |
|||||||
ский датчик линей |
|
|
Майкельсона и 2 |
|
|
|
|
|
ных перемещений |
|
|
световода, 0-20 м |
|
|
й 35' по |
|
|
Растровый |
датчик |
|
|
Машинный |
Электронный пре |
Двоичный код |
-60-+80 |
|
линейных |
и угло |
|
|
трансформатор |
образователь |
|
углу |
|
вых перемещений |
|
|
ный датчик, пря |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мозубый статор, |
|
|
|
|
|
|
|
|
косозубын ротор, |
|
|
|
|
обмотки в пазах |
|
статора |
1 |
|
|
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Устройство |
изме |
|
К1200НЛ1 |
Фоточувствитель |
Электронное циф |
Двоично |
12 мкм |
10-80 |
|
рения |
линейных |
|
|
ная схема с заря |
ровое устройство, |
десятичный |
|
|
|
перемещений |
на |
|
|
довой связью. Ряд |
„ перемещение шка |
разрядный |
|
|
|
приборах с зарядо |
|
|
из 1024 фоточув- |
лы вызывает пере |
код |
|
|
||
вой связью |
|
|
|
ствительных эле |
мещение зарядов |
|
|
|
|
ментов освещает ся параллельным пучком с прозрач ными рисками че рез 10 мм, 1х = -320 мм. Можно увеличить 1х до 1 м
PNRPU
где мо - магнитная проницаемость воздуха; / - длина средней линии магнитопровода;
ji - магнитная проницаемость магнитопровода.
_ |
8 |
/ |
w2p0S |
Так как----- > — |
, то L = -------— . |
||
|
p0S |
р5 |
5 |
Зависимость L от 8 нелинейная. Поэтому в датчиках линейных пере
мещений используются дифференциальные индуктивные или дифферен циальные взаимоиндуктивные (трансформаторные) датчики. Чувствитель ность таких устройств удваивается, а нелинейность уменьшается до членов второго порядка малости вследствие компенсации нелинейностей первого и вообще всех нечетных порядков. Применяемые в промышленности диф ференциальные индуктивные и дифференциальные трансформаторные датчики размеров определяют отклонение размеров изделия от номиналь ного в поле допуска. Поэтому максимальные измеряемые перемещения могут составлять 0,5 - 1 , 0 мм. Например, индуктивный датчик БВ-844 предназначен для измерения перемещений порядка 0,4 мм с погрешностью не более 0,5 мкм. Дифференциальные трансформаторные датчики исполь зуются для дистанционной передачи показаний, встраиваются в датчики давления типа ИКД. Наряду с датчиками малых перемещений необходимы датчики больших линейных перемещений. Так, для строгальных станков разработаны трансформаторные ДЛП (см. табл. 2.2). Датчик состоит из не подвижной линейки, на которую нанесена печатным способом статорная обмотка с большим числом полюсов, и подвижной головки (движка). На головке размещены две обмотки, смещенные на 90° При подаче питания на статорную обмотку в обмотках ротора (головки) индуцируются напря жения, равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90° В электронном блоке эти напряжения преобразуются в цифровую форму. Линейки имеют длину 249,9 мм. На станок может устанавливаться до 14 линеек. Измеряе мое перемещение составляет « 3500 мм.
Немецкая фирма MEGATRON предлагает индуктивные датчики пе ремещений типа RACC940 с диапазоном 2 - 940 мм. Технические данные: нелинейность характеристик не хуже 0,05 %, чувствительность 8 - 1 6 0 мВ/В/мм или стандартный выход 0 - 5 В, 0 - 10 В, 4 - 20 мА.
Емкостные датчики перемещений. Емкостной датчик представля ет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок ко торого перемещается, это перемещение вызывает изменение емкости. Ем кость плоского конденсатора:
С = 80ег- ,
а
где 8о - диэлектрическая проницаемость пустоты; сг - относительная диэлектрическая проницаемость материала между
обкладками;
5 - площадь пластин;
d - расстояние между ними.
Для цилиндрического конденсатора
2де0ег/
~ / \ »
lg
где / - глубина погружения внутреннего цилиндра во внешний; /*2, n - внешний и внутренний радиус цилиндров.
Емкостные датчики применяются для измерения как микропереме щений 0,1 - 1,0 мм, так и перемещений до 20 м в емкостных уровнемерах.
Для получения лучшей линейности характеристики емкостного дат чика необходимо выбрать схему его включения. При изменении площади S
пластин выходной сигнал будет пропорционален изменению емкости: Uх = кАС, а при изменении зазора d - изменению емкостного сопротивле-
ния: Ur =kXr = k ~ = k
СОС ©608sS
В работе [5] описан емкостный цифровой датчик малых перемеще ний (размеров)., Датчик состоит из неподвижного золотого электрода, на пыленного на стеклянный брусок, и подвижного электрода* жестко связан ного с иглой - щупом. Электроды, образующие емкостный датчик, вклю чены в схему кварцевого генератора, который формирует выходной сигнал переменной частоты. Порог чувствительности 0,01 мкм, пределы измере ний 0,1 -1 ,0 мм.
Дифференциальные емкостные датчики при включении по диффе ренциальной схеме характеризуются удвоенной чувствительностью и лучшей линейностью выходной характеристики.
Кодирующие линейки. Это датчики линейных перемещений, на выходе которых формируется цифровой код. Линейка состоит из дорожек, на которых нанесены N одинаковых площадок, образующих бинарные
слова, соответствующие определенному коду. Для определения 0 или 1 используют поверхности с тремя различными физическими состояниями:
-йенамагничиваемую или ферромагнитную;
-изолирующую или проводящую;
-непрозрачную или просвечивающую.
Для считывания сигнала с дорожки применяют соответственно маг нитный, электрический или оптический метод.
Фирма MEGATRON предлагает оптоэлектронные датчики переме щения (приращения перемещения). Выходной сигнал содержит информа цию о направлении движения. Разрешение - до 1 мкм (датчик MS38), мак симальное перемещение может достигать 20000 мм (датчик Е110).
Фирма «ЭЛИКС» выпускает оптические датчики на диапазон пере мещений 0 - 300 мм; 0 - 20000 мм; скорость установки 0,5 - 5,0 м/с; раз решение от 1 мкм.
Технические характеристики выпускаемых серийно датчиков линей ных перемещений и положения представлены в табл. 2.2.
Библиографический список
1.Сретенский В.Н. Метрологическое обеспечение производства приборов микроэлектроники. М., 1988.
2.Онегин Е.Е. Точное машиностроение для микроэлектроники. М.,
1986.
3.Марченко А.Н. и др. Полупроводниковые сенсорные потенцио
метрические элементы. М., 1986.
4.Рабинович А.Н. Приборы и системы автоматического контроля размеров деталей машин. Киев, 1970.
5.Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л.,
1987.
6.Электрические измерения неэлекгрических величин / Под ред. П.В. Новицкого. Л., 1975.
7.Измерение электрических и неэлектрических величин / Под ред.
Н.Н.Евтихеева. М., 1990.
8.Промышленные приборы и средства автоматизации / Под ред. В.В. Черенкова. Л., 1987.
9.Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. М., 1965.
10.Техническая кибернетика: В 3 кн. Книга 1. Измерительные уст ройства, преобразующие элементы и устройства / Под ред. В.В. Солодовникова. М., 1973.
И. Карцев Е.А., Карцева Е.В. Датчики и приборы для измерения не электрических величин. М., 1992.
12.Приборы и системы управления. 1985. № 5; 1986. № 6; 1988. № 1, 2; 1989. №2; 1990. № 4, 8, 10; 1991. № 7, 8; 1992. № 2; 1998. № И; 1999. № 5,6,11.
3.СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Угловые перемещения измеряются в машиностроении, авиации, космонавтике, военной технике, а также в геодезии, астрономии и т.д.
Угловые перемещения чаще всего ограничены полной окружностью, и требуемый диапазон их измерений составляет от 0,1" до 360° Однако в
станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и в робототехнике измеряются углы поворота п-360°, где п составляет 1 0 -2 0 оборотов.
Для измерения малых угловых перемещений применяются резистив ные, индуктивные и емкостные датчики, для измерения больших угловых перемещений - элеюромашинные.
Резистивные индуктивные и емкостные датчики описаны во втором разделе. Диапазон преобразования угловых перемещений у этих типов датчиков составляет ±10; ±15; ±50; ±120; ±170; ±320° Лучшей линейно стью характеризуются резистивные датчики, погрешность линейности ко торых уменьшена до 0,05 %. Индуктивные дифференциальные и емкост ные дифференциальные датчики угловых перемещений имеют меньший диапазон измеряемых углов; нелинейность характеристики составляет
1- 2 % .
Электромашинные датчики угла можно разделить на 4 типа: вра щающиеся трансформаторы (ВТ), индукгосины, редуктосины и сельсины. Эти датчики практически вытеснили в настоящее время потенциометриче ские, емкостные, растровые и др., превзойдя их по надежности, точности, устойчивости к механическим и климатическим воздействиям, а также по удобству сопряжения с электронной преобразовательной аппаратурой.
3.1. Вращающиеся трансформаторы
Вращающийся трансформатор - неявнополюсная машина с равно мерно распределенными пазами статора и ротора. Обычно он имеет по две обмотки на статоре и роторе. Оси каждой пары сдвинуты на электрический угол 90° Первичные обмотки - обмотка возбуждения и квадратурная, вто ричные - синусная и косинусная. Индексы обмоток соответственно: /, к, а, Ь. Токосъем осуществляется контактным (с помощью контактных колец и
щеток) или бесконтактным (с помощью кольцевых трансформаторов или спиральных пружин) способом.
Из различных схем включения (режимов) ВТ главными являются си нусно-косинусный (СКВТ), линейный (ЛВТ), преобразователь координат (ПК), индукционный фазовращатель (ФВ), датчик и приемник дистанци онной передачи (ВТД и ВТП).
Выходные напряжения ВТ изменяются по синусоидальному и коси нусоидальному законам в функции от угла поворота ротора при выполне нии одного из условий: Z/ = ZK(первичное симметрирование) или Zn = 2ь
(вторичное симметрирование), где Z/ - сопротивление обмотки питания, ZKсопротивление квадратурной обмотки, Zfl - сопротивление синусной обмотки, 2ь - сопротивление косинусной обмотки.
Для СКВТ класс точности датчика определяется по следующим па раметрам: погрешности отображения синусной (косинусной) зависимости,