Разработка бесконтактного линейного первичного преобразователя микроперемещений

В современном производстве наличие и качество средств контроля в значительной мере определяет производительность труда, качество и надежность выпускаемой продукции.

Основную долю производственных измерений составляют линейно-угловые измерения. Их удельный вес в отечественном машиностроении составляет 90-95%, при производстве электронной аппаратуры – до 50-60%. В зарубежной производственной практике на долю линейных измерений приходится до 80-90% задач контроля качества.

Разработка датчиков линейно-угловых перемещений и, в частности, датчиков микроперемещений, включает в качестве первого звена получение первичной измерительной информации о параметрах технологического процесса.

Приходится констатировать, что из всей цепочки получения, обработки и использования информации до сих пор наиболее слабым остается именно это первое звено. На фоне бурного развития средств переработки и использования информации (вычислительной техники, кибернетики, робототехники и т.п.) такое отставание средств измерительного преобразования особенно заметно. Конечно, успехи в создании вычислительных устройств, в особенности широкое внедрение микропроцессорных комплексов, в определенной мере могут способствовать улучшению характеристики первичных измерительных преобразователей (линеаризация, периодическая поверка и коррекция передаточных характеристик, реализации совокупных и совместных измерений и т.д.). Однако этим путем вряд ли возможно решить упомянутую проблему.

Перспективным направлением следует считать разработку и широкое внедрение таких первичных измерительных преобразователей, которые основаны на простых, хорошо изученных физических принципах, на принципиально линейных зависимостях “вход-выход “, инвариантных по своей природе к влиянию неблагоприятных внешних воздействий, легко поддающихся расчету и воздействию, в том числе при массовом и серийном производстве, совершающих минимальное число измерительных преобразований в тракте, несложных в изготовлении, наладке и настройке. К числу таких перспективных устройств, пригодных для решения широкого круга задач измерения микроперемещений, можно отнести емкостные первичные преобразователи.

Следует отметить, что большинство нерешенных задач при преобразовании линейных величин в производственных условиях связано с бесконтактными микроперемещениями заземленных поверхностей (толщина фольг и лент, форма изделий, давление веществ в трубопроводе, вибрация и деформация изделий и др.).

Емкостные первичные преобразователи делятся на два вида: двухэлектродные и трехэлектродные. Преимуществами трехэлектодных первичных преобразователей перед двухэлектродными являются высокая стабильность, помехоустойчивость и нечувствительность к различного рода влияющим величинам.

Из трехэлектродных первичных преобразователей наилучшую линейность имеет первичный преобразователь с копланарными электродами.

Однако этот преобразователь имеет низкую абсолютную чувствительность. От указанного недостатка свободен первичный преобразователь, основанный на изменении краевой емкости плоского конденсатора, т.е. П-образного первичного преобразователя, имеющий более высокую линейность статической характеристики, чем первичный преобразователь, выполненный в виде плоского конденсатора, но уступающий по этому показателю первичному преобразователю с копланарными электродами.

П-образный преобразователь с краевой емкостью с дополнительными электродами имеет линейную статическую характеристику, наиболее стабилен, помехоустойчив и конструктивно прост в изготовлении. Кроме того, данный тип преобразователя строго рассчетен, в зависимости от диапазона перемещения контролируемого объекта, что обеспечивает высокие метрологические характеристики, например при диапазоне измерения 0±500 мкм абсолютная погрешность составляет 0,2 мкм.

Перемещение заземленной поверхности вызывает изменение емкости, измеряемое уравновешенным трансформаторным мостом переменного тока. Изменение емкости преобразователя вызывает разбаланс моста, который компенсируется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), являющимся управляемым делителем синусоидального напряжения. ЦАПом управляет устройство уравновешивания, которое работает по принципу следящего уравновешивания и изменяет цифровой код на входе ЦАПа в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от знака сигнала, снимаемого с фазового детектора усилителя 5. При этом цифровой код с входа ЦАПа преобразуется в преобразователе кодов 8 в десятичный код, соответствующий измеряемому перемещению (Рисунок 6).

Рисунок 6. - Измерительная цепь линейного преобразователя

1- генератор; 2- трансформатор; 3 и 4 – измерительный и компенсационный преобразователи; 5 – фазовый детектор; 6 – устройство уравновешивания; 7 – цифро-аналоговый преобразователь; 8 – преобразователь кодов; 9 – блок индикации; 10 – заземленная поверхность

Пример конструкции преобразователя с дополнительными электродами приведен на рисунке 7.

Рисунок 7. - Конструкция преобразователя с дополнительными электродами:

1 и 2 – высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды; 3 и 4 – дополнительные электроды; 5 и 6 – охранные электроды; 7 и 8 – экраны; 9 и 10 – диэлектрические прокладки; 11 – объект перемещения

Номинальная статистическая характеристика преобразователя определяется при следующих значениях влияющих величин:

1.Нижний d _н / 2l и верхний d_в / 2l относительные пределы

преобразования устанавливаются d _н / 2l = 0,18 и d_в / 2l = 0,28 соответственно и, следовательно, относительный диапазон D / 2l преобразования D / 2l = d_в / 2l - d _н / 2l = 0,1.

2. Отношение высоты 2h потенциальных электродов 1 и 2 к расстоянию 2l между ними h/l =1, а отношение длин L₁/L дополнительного 3 или 4 и низкопотенциального 2 электродов составляют L₁ /L =1.

3. Разность высот D h между высокопотенциальным 2h ₁ и низкопотенциальным 2h электродами равна нулю.

4. Смещение по высоте D d одного потенциального электрода относительно другого d₁ - d равна нулю.

5. Скругление R краев потенциальных электродов, обращенных к объекту перемещения, отсутствует, т.е. радиус кривизны R=0.

6. Неплоскостность и шероховатость поверхностей электродов преобразователя отсутствуют, поверхности электродов и экранов имеют между собой углы нуль или 90°.

7. Ширина m потенциальных электродов, обращенных к объекту перемещения, равна бесконечности.

8. Длины охранных L ₃ и высокопотенциальных L ₂, а также высота b экранных электродов L₃=L₂=b= ¥.

9. Толщина t металлической пленки и зазор s между электродами и экраном равны нулю, т.е. t=s= 0.

10. Градуировка прибора производится при нормальных условиях.

Отклонение влияющих величин от указанных номинальных значений приводит к погрешности преобразователя.

Таким образом, при выполнении указанных условий расчет, проектирование и изготовление преобразователя, можно производить, исходя из погрешности от нелинейности его статической характеристики.

Последовательность расчета:

1) Для получения заданных метрологических характеристик выбирается преобразователь, изображенный на рисунке 7, с номинальной статической характеристикой.

2) По заданному диапазону D преобразования из выражений d _н / 2l = 0,18;

d_в / 2l = 0,28; D / 2l = d_в / 2l - d _н / 2l = 0,1 определяются расстояния 2l между потенциальными электродами, на основе которого находятся наименьшее d _н и наибольшее d_в значения перемещений, а согласно d_k / 2l = d_н / 2l + D / 2·2l = 0,23 выбирается расстояние d_k.

3) Согласно hl = L₁ /L = 1;

L / 2l ≥ 2; L₃ / 2l ≥ 1; L₄ / d_в ≥ 3; L₂ = 3L + 2 L₃; b/2 l = 0,1; s/2l = 0,02 и m / d_в = 3 находятся высоты потенциальных 2h, экранных b электродов, зазор s между ними и ширина m межу ними.

4) В соответствии с hl = L₁ /L = 1; L₃ / 2l ≥ 1; L₄ / d_в ≥ 3; L₂ = 3L + 2 L₃; b/2 l = 0,1 и

L₅ = 2l + 2d₁ + 2L_4; L₆ = L₄ + b + 2h + 2s; L₇ ≈ L₆ находятся длины низкопотенциального L, дополнительных L₁, охранных L₃, высокопотенциального L₂ электродов, ширина L₄ экрана и габаритные размеры L₅ – L₇ .

5) Технологическими допусками на высоту Δ(2h) потенциальных электродов, расстояние между ними Δ(2l), разность высот Δ h₁ между потенциальными электродами влияющими на погрешность от нелинейности по расчетным данным можно пренебречь.

6) Начальная емкость C₂ (при d _н / 2l = 0,18) и наибольшее приращение ΔC₂ емкости преобразователя находятся по формулам:

C₂ (d _н / 2l = 0,18) = 4,854138 ε (L + s);

ΔС= (C₂ (d / 2l = 0,28 - C₂ (d / 2l = 0,18) ε (L+s).

7) Для измерения приращения емкости ΔC₂ выбирается уравновешенный трансформаторный мост переменного тока.

На основе приведенной методики разработан прибор контроля микроперемещений.

Технические характеристики прибора для контроля микроперемещений подвижной платформы

Диапазон перемещения, мкм 0±500

Абсолютная погрешность, мкм 0,2

Габариты:

первичного измерительного

преобразователя, мм 24×36×54

блока измерения, мм 120×130×150

Питание, В 220

Частота, Гц 50

.

Литература

1. Раннев Г.Г. Методы и средства измерений (6-е изд.): учебник. – М.: Академия, 2010.

2. Схиртладзе А.Г., Ярушин С.Г. Проектирование нестандартного оборудования: учебник. - М.: Новое знание, 2009.

3. Раннев Г.Г. Измерительные информационные системы (1-е изд.): учебник. – М.: Академия, 2010.

4. Схиртладзе А.Г. Интегрированные системы проектирования и управления: учебник. - М.: Академия, 2010.

5. Фуфаев Э.В. Компьютерные технологии в приборостроении: учебное пособие. – М.: Академия, 2009.

Дата добавления: 2014-01-07