Лаб.раб.№2

18

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГРА1ДАНСКОЯ АВИАЦИИ

Кафедра технической эксплуатации авиационных

электрифицированных и пилотажно-навигациониых комплексов

В. В. Глухов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам

по дисциплине

"АВТОМАТИКА И УПРАВЛЕНИЕ"

для студентов специальности 160903

всех форм обучения

Часть II

Исследование индуктивных датчиков

Москва-2006

ББК 6Ф6.5

Г55

Рецензент канд. техн. наук, доц. В. С. Соловьев

Глухов В.В.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине

"Автоматика и управление". Часть 2. - М.: МГТУ ГА, 2006. - 20с,

Данные методические указания издаются в соответствии' с учебным планом для студентов специальности 160903 всех форм обучения.

Рассмотрены и одобрены на заседаниях кафедры 00.10.2006 г. и

методического совета 00.00.2006 г.

Корректор

ЛР №	2006 г.			Подписано в	печать		г.
Печать офсетная				Формат 60x84/16	1,25 уч	.-изд.	л.
1,16	усл.печ.л.			Заказ * 923/У**/	Тираж	250 экз.

^

Московский государственный технический университет ГА Редакционно-издательский отдел 125493 Москва, ул.Пулковская, д.6а

Московский государственный технический университет ГА

ВВЕДЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Датчиками систем автоматического управления (САУ) называются устройства или комплексы устройств, которые обеспечивают получение или преобразование первичной информации о физических величинах, характеризующих состояние объекта управления и его систем.

В отличие от приборов, снабжающих визуальной информацией человека-оператора, датчики выдают сигналы соответствующим блокам САУ для последующей их обработки и использования при решении задач регулирования и управления. Так, в САУ с обратными связями датчики сигналов совместно с элементами сравнения выдают информацию об ошибке или отклонении регулируемой величины от заданного уровня и преобразуют её в сигнал, удобный для дальнейшей обработки.

Как правило, входной сигнал датчика имеет одинаковую физическую природу с регулируемым параметром (линейное и угловое перемещение, частота вращения вала, давление, температура и т.д.), а выходной сигнал датчика является электрической величиной (ток, напряжение, частота).

Датчик первичной информации в общем случае состоит из воспринимающего чувствительного элемента и одного или нескольких промежуточных (дополнительных) преобразователей сигнала в электрическую величину. Если промежуточных преобразований входного сигнала не требуется (например, в термопаре, фотоэлементе и т.д.), то понятие датчик и чувствительный элемент совпадают.

При возникновении необходимости получения от датчика электрического выходного сигнала, пропорционального изменениям входного сигнала, кроме чувствительного элемента в датчике имеются дополнительные устройства, преобразующие промежуточный сигнал в электрический выходной сигнал. Такие промежуточные преобразующие устройства (например, потенциометрические преобразователи в датчиках давления) в инженерной практике тоже называют датчиками сигналов, так как они могут быть использованы как самостоятельные датчики при линейных или угловых перемещениях. В современных САУ, например, в автопилотах, датчиками являются целые подсистемы, то есть датчиками могут быть сложные устройства, состоящие из множества элементов.

Датчики электрических сигналов по принципу действия можно разбить на три группы:

1. параметрические (потенциометрические, индуктивные, емкостные и т.д.);

2. индукционные (индукционные, сельсинные, трансформаторные и т.д.);

3. генераторные (термопары, фотодатчики, пьезодатчики и т.д.).

Основными характеристиками датчиков являются:

статическая характеристика , которая показывает функциональную зависимость выходной величины от входной величины ;

коэффициент усиления или чувствительность:

,

который является отношением приращения выходной величины ∆ к приращению входной величине ∆;

порог чувствительности датчика, который определяется наименьшим изменением входной величины , которое вызывает изменение на величину большую, чем уровень шума на выходе датчика;

погрешности датчика, которые определяются величиной отклонения реальной статической характеристики от идеальной;

номинальная мощность, которая определяется максимально допустимой мощностью, длительно рассеиваемой в электрических цепях датчика без нарушения его нормальной работы;

мощность входного сигнала, которая определяется максимально допустимой мощностью без нарушения работы датчика.

Рассмотрим основные схемы включения датчиков.

Типовая нереверсивная схема включения параметрического датчика приведена на рис. В.1. Она состоит из источника питания и двух последовательно соединенных сопротивлений. Одно из них является сопротивлением нагрузки , с которого снимается выходное напряжение , другое сопротивление , относящееся непосредственно к датчику, изменяет свои параметры в зависимости от изменения измеряемой величины .

Рис.В.1. Типовая нереверсивная схема включения датчика.

Типовые реверсивные схемы включения датчиков возможны двух вариантов:

дифференциальные – с источниками питания на постоянном и переменном токах, представлены на рис.В.2; мостовые, представлены на рис.В.3.

Рис.В.2. Типовые дифференциальные схемы включения датчиков:

а – с источником на постоянном токе;

б – с источником на переменном токе.

Рис.В.3. Типовая мостовая схема включения датчиков с источниками на постоянном и переменном токах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Исследование индуктивных датчиков

Цель работы

Основной целью работы является изучение принципа действия, конструктивных особенностей, области применения индуктивных датчиков, а так же приобретение практических навыков по снятию статических характеристик и определению их чувствительности.

Домашнее задание

1. Изучить принцип действия и конструктивное исполнение изучаемых датчиков.

2. Ознакомиться с методикой проведения лабораторной работы.

Общие сведения

Индуктивные датчики относятся к группе параметрических летчиков (рис.2.1), сопротивление которых имеет индуктивный характер. Конструктивно они представляют собой электромагнитный дроссель, индуктивность которого меняется в зависимости от перемещения одной ив подвижных деталей дросселя, а именно якоря.

Выражение для определения индуктивности L катушки с сердечником и воздушным зазором (рис.2.1.) имеет вид:

, (2.1)

где

	- магнитное сопротивление воздушного зазора;
	-магнитное сопротивление материала сердечника;
L	- индуктивность;
W	- число витков обмотки;
l0 , S0	- общая длина и площадь сечения воздушного зазора;
l , S	- длина средней силовой линии и площадь сечений сердечника магнитопровода;
	- магнитная проницаемость воздуха и материала сердечника (магнитомягкие материалы)

Для того чтобы такой дроссель (рис. 2.1) использовать в качестве датчика, необходимо изменять индуктивность L дросселя. Проще все это изменение производить за счет величины l₀ или So, т.е. за счет изменения геометрических параметров воздушного зазора, например, путем перемещения якоря 1 вверх-вниз или влево-вправо относительно неподвижной части статора 2.

Рис. 2.1. Электромагнитный дроссель

Если такой дроссель включить по схеме рис. В.1 вместо сопротивления Zg , то получим схему индуктивного датчика (рис 2.2).

Рис.2.2. Индуктивного нереверсивного датчика

Выходное напряжение индуктивного датчика (для случая активной нагрузки):

, (2.2)

Uвых	- выходное напряжение индуктивного датчика;
Iн	- ток нагрузки;
Rн	- сопротивление нагрузки;
R	- активное сопротивление катушки индуктивности;
Uп~	- питающее напряжение;
	- частота питающего напряжения;
L	- индуктивность катушки с сердечником.

где

Для участка ненасыщенного магнитопровода Xвх =0,1+0,5 мм (участок линейности статической характеристики) сопротивление во много раз больше активного , поэтому этой составляющей можно пренебречь. Кроме того, можно пренебречь магнитным сопротивлением железа по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора и считать, что ; если не учитывать выпучивание магнитных силовых линий в воздушном зазоре. Тогда выражение (2.1) для индуктивности дросселя (рис.2.1) будет:

,

а выражение (2.2) для выходного напряжения

или

,

где Xвх – входная величина (2Xвх – общая длина воздушного зазора);

- крутизна статической характеристики датчика (рис 2.3)

Рис 2.3. Статическая характеристика нереверсивного индуктивного датчика

Расхождение расчетной и реальной характеристик (рис.2.3) на начальном участке (Xвх - мало) объясняется пренебрежением магнитным сопротивлением магнитопровода Rмм, а на конечном участке (Xвх - велико) характеристики - активным сопротивлением катушки и сопротивлением нагрузки (R + Rн).

Индуктивные датчики имеют следующие основные достоинства:

высокую чувствительность;

высокую надежность;

мощный выходной сигнал.

Нереверсивные индуктивные датчики имеют следующие недостатки:

нелинейность статической характеристики;

большие электромагнитные усилия на якоре;

наличие нулевого выходного сигнала Uхх;

зависимость крутизны статической характеристики от частоты и напряжения питания.

Рис 2.4. Дифференциальная схема включения индуктивного датчика.

От указанных недостатков свободны реверсивные (двухтактные) датчики, представленные либо по дифференциальной (рис.2.4), либо по мостовой (рис.2.5) схемами и являющиеся совокупностью 2-х нереверсивных датчиков с общим якорем. Статическая характеристика индуктивного датчика показана на рис. 2.6.

Недостаток дифференциального датчика (рис.2.4) определяется необходимостью наличия двух источников питания, что обеспечивается разделительным трансформатором со средней точкой(РТ).

Мостовые схемы (рис. 2.5) менее экономичны из-за потерь в балластных сопротивлениях и поэтому применяются для маломощных датчиков. Уравнение для статической характеристики то же, как и у дифференциального датчика, но вход и выход имеют знаки, т.е. датчик реверсивен. Фаза Uвых меняется в зависимости от функции направления перемещения и крутизна статической характеристики в 2 раза выше.

Рис. 2.5. Мостовая схема включения индуктивного датчика.

Рис. 2.6. Статическая характеристика реверсивного индуктивного датчика.

Преимущества реверсивных датчиков:

большая чувствительность;

усилия на якорь частично компенсируются (полная компенса­ция - в среднем положении якоря);

большая линейность статической характеристики;

меньшая зависимость от температуры и изменения питания;

меньшая величина Uп~;

меньшая зависимость от частоты питания.

Расчет датчиков сводится к определению статической характеристики Uвых=f(Xвх) , определению перегрева обмоток и расчету тяговых характеристик Ft=f(Xвх).

Перегрев определяется из уравнения теплового баланса:

,

R	- активное сопротивление обмотки;
Pg	- мощность потерь на вихревые токи и перемагничивание;
	- коэффициент теплоотдачи;
S	- площадь сопротивления дросселя;
	- перегрев относительно среды;
l	- ток в обмотке.

где

Тяговое усилие, действующее на якорь (в одном воздушном зазоре нереверсивной схемы) для ненасыщенной магнитной цени датчика определяется как

,

F	- сила сопротивления электромагнита;
I	- ток в обмотке.

где

При Rмж = 0, получим

Подставляя это выражение в выражение для усилия, будем иметь:

.

Для расчета статической характеристики реверсивной схемы чаще всего определяют напряжение на выходе ненагруженной схемы, а затем определяют

Uвыхх	- напряжение холостого хода (при );
Zвых	- сопротивление схемы со стороны выхода (выходное сопротивление);
Zн	- сопротивление нагрузки.

где

Максимум активной мощности в нагрузке Zн будет при

Так как Xвых - индуктивное сопротивление, то реактивное сопротивление цепи нагрузки должно быть емкостным. Такие схемы называют резонансными. Так как Zвых=f(L) , резонанс имеет место лишь в одном положении якоря.

Достоинства индуктивных датчиков:

бесконтактность;

надежность;

высокая чувствительность;

высокая разрешающая способность (доли микрон) и т.д.

Рис 2.7. Соленоидный тип датчика (мостовая схема)

Недостатки индуктивных датчиков:

техническая сложность регулирования (балансировки) датчика;

наличие напряжения небаланса при Xвх =0 ( Uхх ) за счет неполной симметрии схемы;

резкое снижение чувствительности с увеличением Хвх;

зависимость Uвых от частоты питания;

работа лишь на переменном токе.

Основные параметры индуктивных датчиков

Статическая характеристика линейна для рабочего диапазона Xвх. В зависимости от конструкции Xвх –() мм (датчик с плоским сердечником) и Xвх - () см (соленоидный тип датчика, рис.2.7).

Коэффициент усиления (чувствительность):

По току мА/мм;

По напряжению В/мм.

Шумы высокой интенсивности, характерные для конкретных устройств, здесь отсутствуют. Основная причина шумов - неодинаковость параметров половин датчиков и наводки за счет внешних низкочастотных электромагнитных полей. Возможность таких наводок обусловлена зазором и незамкнутостью магнитной цепи (характер случайный).

Мощность выходного сигнала зависит от Zн, Xвх. Так как Zвых=f(L) точное согласование с Zн всего диапазона Хвх невозможно. Выходная мощность может составить несколько десятков ватт.

Динамические свойства.

Выходной сигнал - сигнал переменного тока, промодулированный по амплитуде. Частота огибающей определяется частотой изменения. Из-за наличия индуктивности обмоток имеется инерционность. В первом приближении передаточная функция

W(s) = K/Ts+1 .

При частотах входного сигнала, достаточно малых в сравнении с частотой питания, датчик можно считать безынерционным элементом. Это соотношение обычно имеет место в системах автоматического управления и регулирования.

Описание лабораторной установки.

Лабораторная установка состоит из панели, на которой смонтированы (см. рис.2.8):

а) три индуктивных датчика: индуктивный датчик (ИД-1);

реверсивный индуктивный датчик (ИД-2), выполненный по мостовой схеме из двух нереверсивных датчиков с общим сердечником;

реверсивный индуктивный датчик соленоидного типа, выполненный по мостовой схеме (ИД-3);

б) переключатели: выключатель, подающий питание на индуктивные датчики; переключатель, подключающий ИД-1, ИД-2, ИД-3 к измерительному прибору; переключатель, с помощью которого можно ввести некоторые неисправности в схему индуктивных датчиков; переключатель, позволяющий подключать разные виды нагрузки;

в) измерительный прибор.

Схема лабораторной установки приведена на панели.

Задание

1. Ознакомиться с принципом действия датчиков.

2. Снять и построить статические характеристики исследуемых индуктивных датчиков при исправном и неисправном режимах работы датчиков.

3. Определить чувствительность датчиков, линейность характеристик и величину остаточного напряжения исследуемых датчиков.

4. Определить исправность исследуемых датчиков.

5. Определить вид нагрузки, подключенной к индуктивным датчикам (с помощью переключателя).

Методика выполнения работы

Перед началом работы получите у преподавателя номер вари­анта работы. Включите питание лабораторной установки с помощью переключателя S1 (рис. 2.8).

1. Для снятия статической характеристики нереверсивного индуктивного датчика ИД-1 при исправном и неисправном режимах работы выполните последовательно п.п. а, б, в табл.2.1., устано­вив переключатели S3, S4 в положения, указанные в таблице. Положение переключателя S2 - "ИД-1".

Пункты	а		б		в
Переключатели	S3	S4	S3	S4	S3	S4
Вариант	Положение переключателей
1, 2, 3, 4	1	1	1	1	3	1

Таблица 2.1

Рис. 2.8. Схема лабораторной установки.

2. Для снятия статических характеристик реверсивного индуктивного датчика при исправном и неисправном режимах работы установите переключатели в положения, указанные в табл. 2.2, в соответствии с Вашим вариантом. Необходимо последовательно сиять статические характеристики ИД-2 и ИД-3 по пунктам а, б, в, г табл.2.2.

Таблица 2.2

Пункты

а

б

в

г

Переключатели

S2

S3

S4

S2

S3

S4

S2

S3

S4

S2

S3

S4

Вариант

1

ИД-2

ИД-2

ИД-2

ИД-2

2

2

ИД-3

1

1

ИД-3

2

1

ИД-3

3

1

ИД-3

1

2

3

ИД-2

ИД-2

ИД-2

ИД-2

3

4

ИД-3

ИД-3

ИД-3

ИД-3

3