Прецизионный измеритель перемещения

Индуктивный измеритель перемещения схема которого приведена на рисунке, может быть использован в качестве высокоточного датчика механических перемещений. Он состоит из автогенератора колебаний, индуктивного преобразователя и низковольтного стабилизатора постоянного напряжения.

Генератор собран по схеме двухтактного релаксатора на комплементарной паре транзисторов VT5, VT6 . Катушки L1, L2 индуктивного преобразователя рассогласования совместно с конденсаторами СЗ, С 4 измерительного моста образуют последовательный колебательный контур, определяющий частоту колебаний генератора. Цепь положительной обратной связи образуют конденсаторы С2, С5. Такое включение параллельных цепей измерительного моста автоматически обеспечивает работу преобразователя перемещений в резонансном режиме, поскольку индуктивное сопротивление моста скомпенсировано емкостным сопротивлением, и полное сопротивление каждой цепи практически равно активному сопротивлению обмоток. Так как добротность контура L1, L2, C3, C4, значительно больше единицы, напряжение на его нагрузке при оптимальной глубине обратной связи имеет строго синусоидальную форму.

 Диоды VD1, VD2 совместно с конденсаторами С2, С5 соответственно образуют устройства восстановления постоянной составляющей, что увеличивает напряжение запускающих импульсов, и значительно облегчает возбуждение автоколебаний при малом значении напряжения питания. Выделение разностного напряжения постоянного тока, пропорционального перемещению якоря индуктивного преобразователя, обеспечивает кольцевой детектор на диодах VD3—VD6.

 На рисунке схематически изображена конструкция собственно датчика измерителя. Катушки L1 и L2 размещены на двух Ш-образных элементах 2 магнитопровода, установленных с зазором. В зазоре между элементами размещен якорь 1, изготовленный в виде пластины из ферромагнитного материала. Якорь механически связывают коромыслом 3, с перемещающимся звеном контролируемого механизма. Для определения вида математического выражения, определяющего выходной ток преобразователя I_n, проведены необходимые теоретические исследования, в результате которых получена следующая упрощенная формула:

Где

U_m – амплитудное значение напряжения питания;

X_L – индуктивное сопротивление одной катушки преобразователя;

R – сопротивление микроамперметра Р1;

A=?h/h – отношение зазора якоря к зазору между якорем и полюсом магнитопровода в исходном положении;

L₀ – индуктивность одной катушки при среднем положении якоря;

к – активное сопротивление одной катушки (r1=r2);

? – угловая частота генератора.

В результате испытаний установлено, что чувствительность измерителя остается практически постоянной при изменении номинальной емкости конденсаторов измерительного моста в пределах от 0,01 до 0,18 мкФ. При этом резонансная частота устанавливается автоматически. Она определена параметрами последовательных LC-цепей.

 К числу дестабилизирующих факторов для преобразователя надо отнести изменение напряжения питания и температуры.

Для стабилизации напряжения питания измерителя перемещений при использовании его в высокоточных измерительных системах использован компенсационный стабилизатор, собранный на транзисторах VT1—VT4 (коэффициент стабилизации — около 150). Источником образцового напряжения служит транзистор VT4, включенный диодом.

 На транзисторах VT2, VT3 собран дифференциальный усилитель, сигнал рассогласования которого управляет регулирующим элементом на транзисторе VT1. Напряжение стабилизации устанавливают подстроечным резистором R1 в пределах 1,8 2,5 В. В компенсационных измерительных системах индуктивный измеритель используют без стабилизатора напряжения.

В процессе исследования измерителя выявлено, что основные источники его температурной погрешности — микроамперметр РА1 (М4248), внутреннее сопротивление которого изменяется примерно на 10 Ом/°С, и стабилизатор напряжения. Поэтому вопросы термокомпенсации измерителя целесообразно решать в совокупности с механической измерительной системой, где он используется Так, например, в барометрическом приборе, где применен данный измеритель, температурные погрешности измерителя и механической измерительной системы имеют противоположные знаки и могут быть при соответствующих условиях сведены до весьма малого значения.

 Разработанный измеритель перемещения обладает высокими метрологическими характеристиками и применяется в микробарографах М-75-2, выпускаемых рижским опытным заводом «Гидрометприбор».

 Точность отсчетного устройства микробарографа равна 0,01 гПа или по перемещению — 0,02 мкм/дел. При номиналах и типах элементов, указанных на схеме, измеритель потребляет ток 4-7 мА, а его чувствительность — 3-6 мкА/мкм.

 На основании результатов эксперимента установлено, что при различных значениях напряжения питания, характеристики преобразователя зависимости выходного тока от перемещения якоря пересекаются в точке, не совпадающей с началом координат. Это говорит о том, что при симметричном положении якоря относительный магнитный сигнал на выходе преобразователя не равен нулю. Главная причина появления остаточного сигнала при нейтральном положении якоря — несимметрия параметров обмоток (неравенство числа витков, наличие короткозамкнутых витков и т. п.), что приводит к неравенству активного и реактивного сопротивлений катушек. В случае необходимости уменьшения сигнала симметрируют датчик, подключив фазирующий резистор и компенсационное устройство.

С целью выбора оптимальных параметров и сравнительной оценки различных измерителей перемещения были разработаны и исследованы несколько вариантов индуктивных преобразователей. При этом была использована мостовая система измерений, в которой два плеча моста образованы обмотками дифференциального индуктивного преобразователя, а два других (пассивных) — реактивными — емкостными, индуктивными или активными — сопротивлениями. Выходной сигнал снимали с измерительной диагонали через кольцевой диодный детектор.

 На рисунке показаны передаточные функции, характеризующие чувствительность измерителя при изменении частоты питающего напряжения. Кривая 1 снята при емкостных пассивных плечах моста, 2 — индуктивных, 3 — активных. Кривая 4 снята при емкостных плечах, но с обмотками, содержащими увеличенное вдвое число витков.

 Анализ графиков показывает, что наиболее эффективны индуктивные преобразователи, у которых в качестве пассивных плеч измерительного моста использованы емкостные сопротивления. В том случае, когда частота питающего напряжения соответствует резонансной частоте LC-цепей моста, чувствительность индуктивного преобразователя возрастает в десять раз.