Pomiary przemieszczenia

Do pomiarów przemieszczenia metodami elektrycznymi stosuje się przetworniki optyczne, indukcyjne, pojemnościowe i inne.

Zasadę działania analogowo-cyfrowego optycznego przetwornika przemieszczenia objaśniono na rys. Modulacja strumienia świetlnego Φ padającego na foto-elementy F1, F2 jest spowodowana liniowym przemieszczeniem x rastra ruchomego RR względem rastra nieruchomego RN. Wykonuje się rastry (podziałki kreskowe) o zagęszczeniu 100÷500 kresek na 1 mm, co zapewnia rozdzielczość 2÷10μm. Raster nieruchomy ma tylko dwie przezroczyste kreski w odległości T/4, co umożliwia wyróżnienie kierunku przemieszczania

(+ x czy - x). Pulsujące sygnały wyjściowe z fotoelementów F1, F2 są formowane w dwóch elektronicznych układach. Uformowane impulsy są przekazywane do układu wyróżniania kierunku, a następnie do licznika. Po zliczeniu są doprowadzane do wskaźnika cyfrowego,

wycechowanego w milimetrach.

Zasada działania analogowo-cyfrowego optycznego przetwornika przemieszczenia

Czujnik optyczny z nonoiuszem 1- płytki, 2-szczelina, 3 fototranzystory

Zasada działania indukcyjnego transformatorowego przetwornika przemieszczenia

Zasadę działania indukcyjnego transformatorowego przetwornika przemieszczenia x objaśniono na rys. Uzwojenie pierwotne N₁ jest zasilane napięciem przemiennym U1. Różnica napięcia U2 z dwóch jednakowych uzwojeń wtórnych N2 jest proporcjonalna do przemieszczenia x ferromagnetycznego rdzenia Fe. Przy symetrycznym położeniu rdzenia Fe, w obu uzwojeniach indukują się sem E2 o jednakowych wartościach, więc ich różnica jest równa zeru (U2 = 0). Przesunięcie rdzenia z położenia środkowego w kierunku ( x) lub (-x) zmienia fazę napięcia U2 o 180°. Napięcie U2 mierzy się fazo czułym miliwoltomierzem (na ogół wywzorcowanym w milimetrach). Przetworniki indukcyjne są wytwarzane na zakresy pomiarowe od + 10 μm do +1000 mm i niepewności pomiaru + (0,1÷ 0,5 % ).

Pomiary przyspieszenia

Do pomiarów przyspieszenia stosuje się przetworniki piezoelektryczne zwane akcelerometrami, przetworniki elektrokinetyczne i inne. Zasadę działania akcelerometru piezoelektrycznego objaśniono na rys.

Zasada działania akcelerometru piezoelektrycznego

Drgania o amplitudzie ΔX obiektu badanego powodują, że na płytkę piezoelektryczną l działa zmienna siła F(t) wprost proporcjonalna do przyspieszenia a(t) oraz masy m, czyli

F(t) = a(t) m

Na elektrodach 2 powstają ładunki elektryczne o przeciwnych znakach) i wartości

Q(t) = k_pF(t) = k_pm a(t).

Do pomiarów napięcia Uwy(t) stosuje się miliwoltomierze elektroniczne bardzo dużej rezystancji wejściowej i małej pojemności.

Firmy wytwarzają akcelerometry piezoelektryczne o różnej masie na różne zakresy pomiarowe. Na przykład firma RRUEL & KJAER oferuje m.in. akcelerometr typu 8309 o masie 3 g, zakresie częstotliwości przenoszenia 1÷54 kHz (częstotliwość rezonansowa 180 kHz), przeznaczony do pomiarów impulsów i udarów.

Natomiast typu 8318 o masie 470g, zakresie przenoszenia 0,1÷1000 Hz (częstotliwość rezonansowa 6,5 kHz) jest przeznaczony do pomiarów małego przyspieszenia obiektów o dużej masie.

W elektrokinetycznych przetwornikach przyspieszenia wykorzystuje się elektroniczne zjawisko potencjału przepływu. Napięcie wyjściowe przetwornika jest proporcjonalne do przyspieszenia.

Czujniki średnich przesunięć

Potencjometry

Jednymi z najpopularniejszych czujników położenia w zakresie małych i Średnich przesunięć są potencjometry, najczęściej drutowe. Ich wspólną wadą jest ziarnistość - nieciągłość charakterystyki rezystancji w funkcji położenia, wynikająca z przeskoków suwaka o cały zwój. Suwaki muszą spełniać warunki dobrej styczności, niewielkiego tarcia i dużej trwałości mechanicznej. Czułość elektryczna zwiększa się ze wzrostem wartości prądu przepływającego przez potencjometr, ale pożądana jest mała moc tracona na rezystancji i niewielkich rozmiarów obudowa; są to więc wymagania sprzeczne.

Uwzględniając cechy konstrukcyjne i użytkowe, wyróżnia się grupę potencjometrów -jednoobrotowych, wieloobrotowych i liniowych. Uzwojenia potencjometrów drutowych jednoobrotowych są nawinięte na rdzeniu toroidalnym, liniowość ich charakterystyki jest nie większa niż 0,25%, kąt obrotu osiąga wartość do 320÷360⁰, rezystancja wynosi od kilkudziesięciu omów do kilku kiloomów. Dla zmniejszenia tarcia stosuje się w nich łożyska kulkowe. Większą dokładność i czułość można uzyskać stosując potencjometry wieloobrotowe, nawijane na długim rdzeniu, który układa się w kanale śrubowym na powierzchni walcowej. Przy rezystancji równej kilkadziesiąt kiloomów uzyskuje się liniowość charakterystyki 0,025%. Potencjometry o liniowym ruchu suwaka mogą mieć liniowe, lub nieliniowe (lecz znane), charakterystyki przetwarzania. O liniowości decyduje stałość na całej długości: skoku, przekroju i rezystancji drutu oraz przekroju uzwojenia (płytki lub pręta do nawijania drutu).

Potencjometr liniowy: a) układ pomiarowy; b) charakterystyki

Potencjometry wykorzystuje się jako kalibrowane dzielniki napięcia. Wypadkowa charakterystyka przetwarzania potencjometru obciążonego skończoną rezystancją różni się od znamionowej ~ błąd z tym związany jest największy przy nastawieniu potencjometru na 2/3 zakresu i jest tym większy, im mniejszy jest stosunek rezystancji obciążenia do rezystancji potencjometru.

Należy o tym pamiętać, choć nie ma obecnie trudności ze spełnieniem tego wymagania. Przy większych częstotliwościach napięcia zasilania potencjometr należy traktować jak element z impedancją zespoloną - ujawniają się bowiem efekty związane z indukcyjnością i pojemnościami szczątkowymi między uzwojeniami; jest to bardziej widoczne w potencjometrach o dużej rezystancji.

W zakresie małych częstotliwości napięcia zasilania źródłem błędów są jego wahania oraz efekty termoelektryczne. Potencjometry bez obudów hermetycznych mają mniejszą trwałość z powodu zanieczyszczeń styków, wpływów atmosferycznych i korozji.

Selsyny

Selsyn jest maszyną elektryczną zawierającą stojan i wirnik. Stojan tworzą trzy identyczne uzwojenia połączone w gwiazdę o osiach magnetycznych przesuniętych o kąt 120°. Wirnik o biegunach wydatnych, wykonany z materiału magnetycznie miękkiego ma jedno uzwojenie. Schemat uzwojeń selsyna jest pokazany w części A na rys.

Łącza selsynowe: a) transformatorowe; b) wskaźnikowe, A - obwód pojedynczego selsyna; c) ich charakterystyki

W każdym położeniu kątowym wirnika istnieje sprzężenie magnetyczne ze stojanem, przy czym współczynniki sprzężeń między poszczególnymi uzwojeniami zależą od kąta α. Widać, że jeżeli do wirnika -jest doprowadzone napięcie Uzas = Um sin(ω)t o stałej amplitudzie Um

i częstotliwości , f to w uzwojeniach stojana indukuje się sem o tej samej częstotliwości i amplitudzie E zależnej od kąta α:

e₁ = E cosαsinωt

e₂ = Ecos(α-120⁰)sinωt

e₃ = Ecos(α+120⁰)sinωt

Amplituda E osiąga maksymalną wartość wtedy, gdy oś magnetyczna wirnika pokrywa się z osią danego uzwojenia. Selsynów używa się parami; położone nieraz w odległych miejscach i połączone torem przewodowym tworzą tzw. łącza selsynowe. Najczęściej spotykanymi układami są łącza transformatorowe i wskaźnikowe.

W układzie transformatorowym pokazanym na rys. napięcia el, e2,wywołują prądy w uzwojeniach stojana selsyna odbiorczego oraz indukują w wirniku składowe, które po zsumowaniu dają napięcie Uwy o tej samej częstotliwości co Uzas i amplitudzie Uw zależnej od różnicy kątów α i β . Istotnie, równym kątom α i β odpowiada maksymalne sprzężenie magnetyczne wirników obu maszyn. Jest pożądane, aby zerowe napięcie na wyjściu łącza

transformatorowego występowało przy zgodnych przestrzennie położeniach wirników - gdy

α = β, wtedy łącze może być czujnikiem różnicy kątów położenia dwóch wałów, z którymi się sprzęga selsyny. Aby to osiągnąć, wirnik jednego z nich przestawia się względem wału o kąt 90⁰. Wtedy charakterystyka wypadkowa przechodzi przez zero - jej kształt pokazano

linią ciągłą na rys.; należy jednak pamiętać, że punktom charakterystyki leżącym na lewo i prawo od punktu α = β odpowiadają przebiegi napięć różniących się fazą o 180".

Łącze wskaźnikowe pokazano na rys. Jeżeli położenia kątowe wirników względem stojanów będą w obu selsynach zgodne α= β to indukowane w uzwojeniach stojanów siły elektromotoryczne e będą równe i przeciwnie skierowane; jest to stan równowagi trwałej - w obwodach stojanów nie płyną prądy. Chwilowe wywołanie stanu α ≠ β, przez obrócenie wirnika selsyna nadawczego, spowoduje niezgodność napięć indukowanych w odpowiadających sobie uzwojeniach stojanów; między selsynami popłyną prądy wyrównawcze, które wytworzą strumienie magnetyczne w stojanach, Oddziaływanie wirników i stojanów spowoduje powstanie momentów sił ustawiających wirniki w położeniach zgodnych (względem stojanów): nastąpi ruch wirnika selsyna odbiorczego do czasu uzyskania równowagi tych momentów - prądy wyrównawcze staną się równe zeru. Moment obrotowy M w odbiorniku jest wywołany momentem obrotowym nadajnika.

Resolver

W resolverze zarówno stojan, jak i wirnik mają dwa uzwojenia przesunięte względem siebie o kąt 90⁰.

Interpretację tych zależności przedstawiono na rys. Jeżeli napięcia Ew1, Ew2 są współrzędnymi prostokątnymi punktu A na płaszczyźnie (x, y), to napięcia Es1, Es2 są współrzędnymi tego samego punktu na płaszczyźnie (x', y') obróconej o kąt ϕ. Zatem, jeśli wirnik zasili się napięciami Ewl, Ew2 przesuniętymi w fazie o kąt 90° i równych amplitudach, to na podstawie amplitud i faz napięć Es1 i Es2 można jednoznacznie określić kąt obrotu φ wirnika względem stojana. Przy zasilaniu układu napięciem o częstotliwości

równej 400 Hz można uzyskać dokładność pomiaru wynoszącą kilka minut kątowych.

Resolver a) schemat uzwojeń; b) interpretacja geometryczna funkcji resolvera

Czujniki dużych przesunięć

Induktosyn

Działanie induktosyna można omówić korzystając ze schematu przedstawionego na rys. Na nieprzewodzącą listwę l, nie zmieniającą wymiarów pod wpływem otoczenia, naniesiono ścieżkę przewodzącą - jej poprzeczne odcinki znajdują się w odległości m od siebie. Na ślizgaczu 2 umieszczono dwa uzwojenia wykonane tą samą techniką z przesunięciem o m/4. Listwa i Ślizgacz mogące przesuwać się nad sobą w bliskiej odległości są mechanicznie

sprzęgnięte z tymi elementami, których względne przesunięcie należy mierzyć.

Induktosyn 1- listwa, 2 - ślizgacz

Uzwojenie listwy jest zasilane napięciem przemiennym o częstotliwości do kilku kHz. Podczas ruchu zmienia się sprzężenie magnetyczne między listwą a poszczególnymi uzwojeniami ślizgacza. W sytuacji przedstawionej na rysunku maksymalne sprzężenie występuje między uzwojeniami a-b i w-z,

W uzwojeniu x - y napięcie nie indukuje się, bo odcinki pionowe tego uzwojenia są w równej odległości od sąsiadujących odcinków listwy, przewodzących prąd w przeciwnych kierunkach. Jednoznaczny związek między przesunięciem a wartościami amplitud i faz napięć w uzwojeniach x- y, w-z istnieje w przedziale o długości m. Przy większych przesunięciach trzeba stosować układy zliczające kwanty m drogi. W obrębie segmentu uzwojenia

listwy łatwo jest uzyskać dokładność pomiaru równą 0,01 mm. Pełny zakres pomiarowy jest określony długością listwy, a dokładność zależy od dokładności naniesienia ścieżek na listwę.

---