Учебное пособие Харьков 014 удк
жүктеу/скачать 23,07 Mb. Pdf көрінісі
|
|
6.3 Датчики технологических параметров Датчики технологических параметров позволяют получить информацию о переменных мехатронной системы, которая участвует в том или ином технологическом процессе. К этим датчикам можно отнести датчик силы, момента, температуры, массы и другие. Измерение силы заключается в уравновешивании ее противо- действующей силой таким образом, что тело, к которому оно прило- жено, остается в покое, и тогда результирующая сила равна нулю. Датчик силы содержит чувствительный элемент, подвергаю- щейся действию неизвестной силы. В этом элементе возникает деформация, которая порождает противодействующую силу. В зоне упругости деформация, в соответствии с законом Гука, пропорци- ональна силе. В робототехнике, биомеханике с помощью датчиков силы измеряется вес тела. Эти измерения дают возможность определить массу тела (объекта), что имеет важнейшее значение, поскольку в ряде случаев позволяет исключить датчики расхода материала. Деформация, а, следовательно, сила может быть измерена косвенно, если какое-либо из электрических свойств материала зависит от деформации (например, пьезоэффект). Явление пьезоэффекта заключается в возникновении (или в изменении) электрической поляризации в некоторых диэлектриках таких как: кварц, турмалин, сульфат лития, специально обработанная керамика и т.п. 208 Если расположить пару обкладок на противоположных сторонах пьезоэлектрической пластины и приложить к ней силу, то на обкладках появятся заряды противоположных знаков, т.е. разность потенциалов, которая будет пропорциональна приложенной силе. Такое конденсаторное устройство позволяет измерить силу, давление, ускорение. За исключением кварца, известного своей стабильностью и твердостью, в датчиках обычно используется керамика как более дешевая, более удобная в обработке, обладающая достаточно высокой чувствительностью. Схема формирования сигнала с электрическим зарядом на входе от пьезодатчика и пропорциональным ему напряжением на выходе показана на рис. 6.11. Рис. 6.11. Схема формирования сигнала с электрическим зарядом на входе от пьезодатчика Наличие конденсатора обеспечивает полный разряд пьезо- датчика при любом входном сопротивлении усилителя. Часто на практике для измерения деформации используются достаточно простые тензодатчики. Работа тензодатчика основана на эффекте, при котором электрический проводник с высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом при изменении длины изменяет свой электрическое сопротивление. Тензодатчики наклеиваются на деформируемую поверхность так, чтобы прямолинейные участки проводника растягивались либо сужались в соответствии с деформацией детали. Конструкция распространенного тензодатчика спирального типа показана на рис. 6.12. Такие датчики совместно с тензоусилителями позволяют измерять малые механические деформации составляющие несколько микрон. 209 1 – проволочная спираль, 2 – контакты подвода Рис. 6.12. Конструкция тензодатчика При измерении момента, возникающего вследствие приложения силы к рычагу, существует проблема передачи информации с движу- щегося датчика в стационарную измерительную цепь. Эта связь может осуществляться контактным или бесконтактным путем. При контактной связи применяются скользящие контакты, либо погруженные в ртуть вращающиеся контакты. Очевидно, что рабочий ресурс таких датчиков ограничен ресурсом контактов. Поэтому в современных системах полу- чила распространение бесконтактная связь. В этом случае для передачи электрического сигнала используется емкостная (вращающийся конден- сатор) или индуктивная (вращающийся трансформатор) связь. Такой датчик состоит из передающей и принимающей частей. В передающей части, для измерения момента, может быть использован магнитострик- ционный измеритель. Его работа основана на явлении изменения маг- нитной проницаемости µ ферромагнитного материала в случае прило- жения к нему усилия. Так, например, µ растет в области растяжения материала и убывает в области сжатия. Если на ферромагнитный цилин- дрический стержень действует момент, ось которого совпадает с осью стержня, то возникающие напряжения определяют на его поверхности два взаимно перпендикулярных направления к оси цилиндра, вдоль которых изменение магнитных проницаемостей µ 1 и µ 2 максимально и противоположно по знаку. Для выявления этих изменений можно ис- пользовать сердечник крестообразной формы, показанный на рис. 6.13. На сердечнике расположена первичная обмотка и две пары соединенных последовательно вторичных обмоток, включенных дифференциально, как показано на рис. 6.14. Если момент отсутствует, то µ 1 = µ 2 , U 2 = 0. При появлении момента эти условия не выполняются, т.е. µ 1 ≠ µ 2 и U 2 ≠ 0. Более высокой точностью измерения момента обладает датчик, использующий пьезоэффект или датчики индуктивного типа с измерением угла кручения. 210 Рис. 6.13. Крестообразный сердечник Рис. 6.14. Схема обмоток Внедрение микропроцессорной техники позволяет перейти от процедуры измерения к процедуре вычисления момента. Если движущий момент создается двигателем постоянного тока, у которого магнитный поток – величина постоянная, то в этом случае момент пропорционален току, который легко определить с помощью датчика тока (в простейшем случае шунта). Измерение потока двигателя возможно с помощью датчиков Холла, которые изготавливают из германия, сурьмянистого индия и других полупроводниковых материалов. Кроме того, необходимо отметить, что момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату статорного напряжения, поэтому используются датчики напряжения (в простейшем случае делитель напряжения). Развитие робототехники вызвало появление тактильных дат- чиков, воспроизводящих осязательные свойства человеческой кожи. 211 Тактильные датчики матричного типа дают целостное представление о форме предмета, поскольку каждая ячейка матрицы, есть не что иное, как микроэлектронный датчик силы или деформации, вырабатываю- щий электрический сигнал, позволяющий распознавать образ. Тактиль- ные датчики на интегральных схемах с применением кремня, кварца и поликристаллической керамики могут обеспечить достаточно высокий диапазон измерений при относительно небольшой стоимости. Наиболее часто измеряемой физической величиной различных тех- нологических процессов является температура. Температура представ- ляет собой важнейшую характеристику состояния вещества. Работоспо- собность любой системы ограничена некоторым диапазоном температур. Для измерения температуры используют термодатчики. Их работа основана на способности проводников и полупроводников изменять удельное сопротивление под действием температуры. В термодатчиках используют терморезисторы, представляющие собой резисторы с явно выраженной зависимостью R(Т). Обычно терморезисторы выполняются в виде цилиндров, таблеток, бусинок, на концах которых укрепляются электроды. В качестве полупро- водников используют оксиды, сульфиды и нитриды металлов. Температурная характеристика R(Т) терморезистора имеет вид, показанный на рис. 6.15. Рис. 6.15. Температурная характеристика R(Т) терморезистора Терморезисторы могут использоваться в качестве датчиков вакуума, скорости и направления потока жидкости или газа, посколь- ку в зависимости от этих параметров изменяется коэффициент теплоотдачи. |