Пример 4.3

Тахометр

Тахо.метр представляет собой генератор постоянного тока с постоянны.ми .магнитами, при.меняе.мый для и.з.мерения угловой скорости. Принцип его действия иллюстрируется рис. 4.12.

коммутатор

Рис. 4.12. Принцип работы тахометра [юстоянного тока

Магниты создают постоянное однородное магнитное поле. Движение проводника в поле индуцирует напряжение, пропорциональное скорости его пра-тения. Ротор непосредственно соединен с объекто.м, скорость вращения которого и.з.меряется. Выходное напряжение, генерируемое в процессе вращения, сни.мается коллектором, который состоит из пары угольных щеток с низким сопротивлением. Тахо.метр обычно создает очень маленькую дополнительную .механическую нагрузку для больших валов, на которые он устанавливается. Анализируя дина.мику тахометра, .можно утверждать, что его частотный диапазон обычно значительно шире, чем у .механического двигателя при его нор-.мальной нагрузке. По.это.му индуктивность и другие .электромагнитные пара-.метры тахо.метра обычно не влияют на результаты измерения.

4.4.2. Датчики силы, момента и давления

Многие типы датчиков силы/момента (force/torque) основаны на измерении формаций. Датчики для измерения деформаций называются тензодатчиками (strff gauge). Принцип действия таких датчиков - изменение электрического сопротив-* ния в образце, который подвергается воздействию внешних сил (пьезорезистиви!!! эффект). Относительное изменение сопротивления как функция действующей i* датчик силы зависит от используемого материала: у полупроводникового датч# оно на 1-2 порядка больше, чем у металлического. Чувствительный элемент у по." ироводникопого датчика пьпюлнеп из монокристалла пьезорезистивного материг Лополнигельное преимущество полупроводниковых тензодатчиков - более высо

4.4, Аналоговые датчики

удельное сопротивление по сравнению с металлическими и, соответственно, .меньшее потребление мощности и выделение тепла.

Измерение моментов и сил необходи.мо во .многих задачах, включая управление точным движением (например, перемещения и .захваты в робототехнике) и передаваемой механической мощностью в двигателях и систе.мах привода. Момент можно измерить либо на основе напряжений, возникающих в .материале, либо па основе деформации (прогиба). Измеряя угол скручивания оси датчиком углового перемещения, можно определить приложенный момент. В примере 3.5 было показано, что момент двигателя постоянного тока пропорционален току ротора, т. е. непрямое измерение момента .можно выполнить по величине тока.

Давление можно измерить по соответствующей механической деформации, например по изгибу трубки или отклонению мембраны. Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформатору (рис. 4.13). Благодаря пьезо.электрическому эффекту деформированный кварцевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсатора, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Выходной электрический сигнал в обоих случаях связан с приложенным усилием и деформацией измерительной головки.

первичная обмотка

дифференциальный трансформатор

давление

подвижный ферромагнитный сердечник

вторичная обмотка

tдифференциальный трансформатор

мембрана

давление

перемещение

Рис. 4.13. Принципы измерения давления

Дифференциальный трансформатор {differential transformer) - это датчик, ис-поль.зуемый для измерения перемещений. Обычно он состоит из ферромагнитного сердечника, движущегося внутри двух обмоток трансформатора. Одна обмотка питается переменным током, а со второй снимается выходной сигнал. Обмо гки соединены таким образом, чтобы в нейтральном положении сердечника выходное напря-

жение было равно нулю. Любое перемещение сердечника пропорционально из.меня. ет выходное напряжение.

Измерение давления используется для определения других величин. Например, по давлению на дне заполненного жидкостью сосуда можно определить ее уровень.

4.4.3. Датчики приближения

Изменение электрических свойств элементов колебательных контуров при приближении к внешним объектам можно использовать для создания датчиков приближения {proximity sensors). Эти датчики могут выдавать аналоговый сигнал, пропорциональный - по крайней мере в определенном диапазоне - расстоянию до заданного объекта, или цифровой сигнал при достижении заданного порогового значения расстояния. Электрические датчики приближения используют следующие принципы.

• Индуктивные датчики приближения работают на основе излучения высокочастотного электромагнитного поля обмоткой, которая входит в колебательный контур. Электромагнитное поле индуцирует в проводяп1ем материале объекта вихревые токи. Когда объект, расстояние до которого контролируется, приближается к датчику (обычно на 2-30 мм), колебания начинают затухать. Изменение тока в колебательном контуре можно использовать для срабатывания полупроводникового ключа.

• Емкостные датчики приближения содержат затухающий колебательный ЙС-кон-тур. Емкость зависит от расстояния между обкладками конденсатора, их площади и свойств диэлектрика между ними. Датчик присоединен к одной из обкладок или к диэлектрику. Когда объект приближается к датчику, результирующее из.меие-ние емкости, а следовательно, и частоты колебаний, можно зафиксировать электрически и использовать для управления выключателем. Емкостный датчик.може обнаружить объекты, которые не являются проводящими. Диапазон срабатывания для таких датчиков обычно лежит между .5 и 40 мм. Емкостные датчики можно использовать также для измерения силы и давления.

• Магнитные датчики приближения опознают приближение объекта по из.мен"-нию характеристик магнитного поля и не имеют подвижных частей. Приник работы может базироваться на индуктивности, магнитном сопротив.тенИ1 {reluctance), магниторезистивном эффекте или эффекте Холла. Магниторе-зис тивный .эффект и эффект Холла обусловлены одним и тем же физически.м явлс нием - сопротивление проводящего материала изменяется под воздействие* внешнего магнитного поля. Если проводник с электрическим током подвергае-ся воздействию магнитного поля, его сопротивление увеличивается (магнитор зистивный эффект). Кроме того, на противоположных сторонах этого провоХ ника возникает разность потенциалов, которую можно измерить (эффе1* Холла). Проводник должен быть расположен так, чтобы магнитное поле бы- перпендикулярно направлению тока; разность потенциалов возникает вдо-* оси, перпендикулярной и магнитному полю, и направлению тока. Геометриче кая с})орма проводника выбирается так, чтобы макси.мальным был либо магнит" резистивный эффект, либо .эффект Холла. Датчики Холла часто выполняют из полупроводниковых .материалов.