определение статической характеристики индуктивного

Лабораторная работа №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНДУКТИВНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Цель
работы:
автоматизированной
Ознакомиться
системы
с
определения
аппаратными
и
статической
программными
средствами
характеристики
индуктивного
соленоидного
индуктивного
преобразователя перемещения.
Задание:
Определить
статическую
характеристику
преобразователя перемещений.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Под приборами с индуктивным датчиком понимают измерительные средства с
электрическим преобразованием, в которых линейные или угловые перемещения преобразуются в
изменения индуктивности электрической цепи.
Электрическая схема этого вида приборов состоит из датчика, в котором механические
перемещения вызывают изменение индуктивности, и параметров элементов цепи,
представляющих собою электрическую цепь измерения индуктивности.
Виды индуктивных датчиков. Индуктивным датчиком называют устройство для
преобразования
механических перемещений в электрический сигнал, а именно изменение
индуктивности катушки с магнитопроводом и подвижным ферромагнитным сердечником
(якорем), положение которого относительно магнитопровода зависит от геометрического размера
объекта контроля.
Индуктивность (от латинского слова inductio–наведение, побуждение) – это физическая
величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток, текущий в проводящем
контуре, создает в окружающем пространстве магнитное поле, причем магнитный поток Ф,
пронизывающий контур, прямо пропорционален силе тока I т. е. Ф=LI. Коэффициент
пропорциональности L называют индуктивностью, или коэффициентом самоиндукции контура.
Индуктивность зависит от размеров и формы контура, от магнитной проницаемости проводников,
образующих цепь, и от окружающей среды.
Схема индуктивного датчика состоит из катушки индуктивности, т. е. проводника, свернутого
в спираль, магнитопровода, состоящего из сердечника (постоянной части) и якоря, который при
измерении размера смещается относительно катушки и этим самым изменяет магнитную
проницаемость (сопротивление) сердечника, а, следовательно, изменяет индуктивность катушки
В принципе, как и в емкостных датчиках, изменение индуктивности происходит либо в
результате изменения зазора между подвижной частью магнитопровода (якоря) и сердечником,
либо в результате изменения площади. Индуктивные датчики так же, как и емкостные, могут быть
либо недифференциальными, либо дифференциальными.
Изменение индуктивности происходит от изменения параметров зазора по следующей
зависимости:
L
w2
k
lj
l 0i



i 1  0 S 0 i
j 1  j S j
N
где w – число витков катушки; l0i, S0i – длина и площадь i-го воздушного участка магнитной
цепи; lj, Sj – длина и площадь j-гo ферромагнитного участка магнитной цепи;
µ0, µj – магнитная проницаемость соответственно воздуха и материала j-гo участка магнитной
цепи; N – число воздушных участков магнитной цепи; k – число ферромагнитных участков
магнитной цепи.
Если якорь индуктивного датчика механически связать с объектом контроля, то изменение
размера объекта или перемещение его в пространстве, приведет к изменению длины или площади
немагнитных участков цепи магнитного потока, а значит и к изменению индуктивности катушки.
Датчики подобного типа применяются для контроля размеров деталей, а так же для измерения
толщины покрытия из немагнитных материалов, при условии, что под ним находится
ферромагнитное вещество. На этом принципе построена работа прибора типа ИЗС -1 (см. рисунок
1), который применяется для неразрушающего контроля расстояния от поверхности бетонных
плит до расположенной в них металлической арматуры. Роль якоря выполняет стержень 3
арматуры и в зависимости от глубины его залегания, изменяется толщина немагнитного слоя
бетона l0, а, следовательно, индуктивность катушки датчика 1.
Рисунок 1. Функциональная схема толщиномера защитноя слоя бетона ИЗС-1.
Таким образом, показания вторичного прибор ВП подключенного к преобразователю 4,
зависят от толщины слоя l0 бетона до арматуры.
Для
повышения
чувствительности
индуктивных
преобразователей
применяют
дифференциальные индуктивные датчики. На рисунке 2 показана схема дифференциального
индуктивного датчика, работающего по принципу измерения длины немагнитного зазора. Здесь
перемещение якоря 1 приводит к увеличению индуктивности одной катушки (например L1) и
уменьшению индуктивности другой катушки (L2). Эти катушки включены в мост переменного
тока, поэтому напряжение разбаланса моста зависит от положения якоря.
2
Рисунок 2. Схема дифференциального индуктивного датчика
Широкое применение получили соленоидные контактные преобразователи. В этих датчиках
положение измерительного стержня, зависящее от контролируемого параметра, определяет
взаимное положение якоря и катушек датчика, а значит, их индуктивность. Контактные
индуктивные датчики могут быть простыми или дифференциальными. Верхний торец
измерительного стержня 1 воздействует на якорь 2, подвешенный на плоской пружине 3.
Изменение положения якоря, определяемое размером контролируемой детали 6, вызовет
изменение воздушного зазора между якорем 2 и катушкой 5 простого датчика или
перераспределение воздушного зазора между катушками 5 и 7 и якорем 2 дифференциального
датчика (рисунок 3, б). При уменьшении зазора между якорем и катушкой 5 зазор между якорем и
катушкой 7 увеличивается. Изменяется одновременно индуктивность обеих катушек, поэтому
чувствительность дифференциального датчика вдвое выше, чем простого. Измерительное усилие
создается пружиной 4. Металлические части 8 и 9 корпуса выполняют также функцию
экранирования катушек индуктивности от внешних магнитных полей.
Рисунок 3. Конструкции соленоидных преобразователей
3
Сила магнитного притяжения в простом датчике может быть значительной и измерительному
стержню, перемещающему якорь, приходится ее преодолевать, что вызывает необходимость
увеличения измерительного усилия и является одним из недостатков простого индуктивного
датчика.
В дифференциальном датчике силы магнитных притяжений в воздушных промежутках
уравновешиваются и измерительный стержень должен преодолевать лишь силу тяжести
подвижной системы датчика и усилие в пружинном шарнире.
Схема включения индуктивного датчика перемещений осуществляет его согласование с
электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного
сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электрические
вторичные измерительные преобразователи индуктивных измерительных устройств являются
общими для самых разнообразных электрических устройств, предназначенных для измерения различных неэлектрических величин. Такие преобразователи достаточно подробно рассмотрены в
литературе. Поэтому ниже мы ограничимся рассмотрением только схем включения индуктивных
датчиков перемещений, нашедших применение в современных индуктивных измерительных
устройствах.
В любую схему включения индуктивный датчик размера может входить либо
непосредственно, либо в составе резонансного контура, параллельного или последовательного.
Применение включения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев повысить
чувствительность измерения и улучшить линейность характеристики датчика. С этой точки зрения
все схемы включения индуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в которых
индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резонансные, в которых индуктивный
датчик входит в схему в составе колебательного контура.
Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения
индуктивных датчиков:

последовательную (схема генератора тока);

схему делителя напряжения;

мостовую;

частотную;
 трансформаторную.
Схема включения датчика с трансформатором (рисунок 4, а). В этой схеме катушки датчика
с индуктивностями L1 и L2 образуют мостовую схему вместе с первичными обмотками
трансформатора Tp1. Эти обмотки трансформатора имеют w1 = w2. В исходном положении, т. е. в
среднем положении якоря L1 = L2, поэтому токи, протекающие по первичным обмоткам
трансформатора, равны и магнитные поля обмоток w1 и w2 взаимно компенсируются, а поэтому
напряжение на выходе Тр1 равно нулю. При перемещении якоря изменяются индуктивности L1 и
L2, и тогда ток в одном плече уменьшится, а в другом увеличится. По трансформатору пойдет ток
I, который вызовет отклонение стрелки на вторичном приборе ВП, пропорциональное
перемещению измерительного стержня датчика. Дополнительный трансформатор Tp2 установлен
в качестве усилителя тока от датчика, и он питается обычно от сети с частотой 50 Гц или от
генератора с большей частотой.
4
Эту схему целесообразно использовать при датчиках с большим сопротивлением.
Погрешность таких схем составляет 2–3 % от измеряемой величины.
Схема включения датчика с реостатом. Один из простейших вариантов этой схемы приведен
на рисунке 4, б. Индуктивности L1 и L2 дифференциального датчика образуют вместе с
потенциометром R мостовую схему, в диагонали которой расположен прибор ВП или
регистрирующее устройство. При среднем положении якоря датчика L1=L2, и при среднем
положении движка потенциометра мост находится в сбалансированном состоянии и выходное
напряжение равно нулю. При изменении положения якоря изменяется индуктивность его катушек
и в диагонали моста появляется ток.
В принципе возможны два режима работы прибора с мостовой схемой. В уравновешенном
режиме добиваются условия нулевого напряжения в диагонали моста, т. е. на выходе. Это
достигается тем, что при появлении тока в диагонали моста движок потенциометра R смещается
до момента достижения баланса и производится отсчет величины перемещения движка, которая
пропорциональна величине смещения якоря датчика. По такой схеме, в частности, работают
некоторые самописцы с индуктивным датчиком, у которых перо связано с движком
потенциометра, а ток в диагонали моста подается на реверсивный двигатель, перемещающий перо
через движок потенциометра.
5
Рисунок 4. Схемы включения индуктивных преобразователей
6
В неуравновешенном режиме работы при изменении индуктивности катушек L1 и L2
от перемещения якоря в диагонали моста появляется ток, и напряжение этого тока
измеряется пропорционально перемещению якоря, т. е. изменению размера. Погрешность
этих схем измерения составляет 1–3 % от измеряемой величины.
Дифференциальные схемы. Эти схемы также являются мостовыми схемами (рисунок
4, в), у которых вторичные обмотки трансформатора Тр1 являются плечами моста вместе с
индуктивностями катушек L1 и L2 датчика. Через эти вторичные обмотки трансформатора
осуществляется питание датчика. При перемещении якоря датчика и изменении
индуктивности L1 и L2 снимается выходное напряжение со средних точек вторичных
обмоток трансформатора и датчика.
Частотная схема включения. Для преобразования индуктивности датчика в частоту
переменного тока применяют генераторные схемы (рисунок 5).
Рисунок 5. Генераторные схемы включения.
Основой генераторной схемы является колебательный контур, составленный
индуктивностью датчика Lд и постоянной емкостью С. Контур включен в схему
электронного генератора Г, который генерирует переменное напряжение с частотой, равной собственной частоте колебательного контура. При изменении индуктивности датчика
изменяется частота на выходе генератора, измеряемая частотомером. Частота генератора
зависит в основном от индуктивности датчика и не зависит от его сопротивления потерь
(это верно только в первом приближении). Поскольку сопротивление потерь датчика
обычно в большой степени зависит от различных внешних факторов, то избавление от его
влияния на результаты измерения повышает точность измерений.
Генераторная схема может применяться для включения как недифференциальных
датчиков (рисунок 5, а), так и дифференциальных (рисунок 5, б). В последнем случае
имеется два колебательных контура, составленных каждой обмоткой датчика и
конденсаторами С1 и С2, и два генератора Г1 и Г2. Частоты с обоих генераторов f1 и f2
поступают на смеситель, который выделяет разностную частоту. Эта разностная частота, в
свою очередь, измеряется частотомером.
7
Подбором емкостей С1 и С2 генераторы настраиваются так, чтобы в одном из
крайних положений измерительного стержня датчика выполнялось условие f1= f2 и Δf=0.
Тогда показания частотомера будут пропорциональны величине смещения
измерительного стержня из крайнего положения.
Описание лабораторной установки
Лабораторный
стенд
позволяет
определять
статическую
характеристику
индуктивного преобразователя перемещения, отображать её на экране персонального
компьютера в виде графика и таблицы, просматривать осциллограмму выходного сигнала
индуктивного преобразователя, а так же сохранять полученные данные в текстовый
файл.
Лабораторный стенд включает в себя следующие элементы (рис. 6):
1) блок питания 12 В (А2) для шагового двигателя и индуктивного
преобразователя;
2) блок питания 10 В (А3) для оптрона;
3) индуктивный преобразователь перемещения (А1), состоящий из (рис. 7):
- корпуса;
катушки индуктивности в форме соленоида с перемещаемым внутри
сердечником в виде стального стержня, выходящего за пределы корпуса
преобразователя;
- платы преобразования индуктивности в частоту переменного напряжения;
4) микрометр, микровинт которого соединён со стержнем индуктивного
преобразователя;
5) шаговый двигатель (М1), вал которого жестко соединен с микровинтом
микрометра;
6) оптрон,
состоящий
из
светодиода,
фоторезистора
и
шторки,
закрывающей/открывающей просвет между светодиодом и фоторезистором,
прикреплённой к стержню преобразователя;
7) блок транзисторных ключей для управления шаговым двигателем;
8) клеммник для подключения лабораторного стенда к плате сбора данных,
установленной в персональном компьютере;
9) соединительные кабели.
8
Рисунок 6. Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда
Рисунок 7. Принципиальная схема индуктивного преобразователя перемещения
Выходным сигналом преобразователя является переменное напряжение, частота
которого зависит от положения сердечника относительно катушки. Таким образом,
статической характеристикой индуктивного преобразователя будет являться зависимость
частоты выходного сигнала от перемещения сердечника относительно начального
положения. Для определения статической характеристики индуктивного преобразователя
9
необходимо перемещать сердечник и с каким-либо шагом измерять частоту выходного
сигнала индуктивного преобразователя. Пользователь задает размер шага перемещения
сердечника в мм, через который будет измеряться частота выходного напряжения
преобразователя, и общее перемещение сердечника (не более 14 мм). Шаговый двигатель
поворачивает микровинт микрометра на угол, соответствующий шагу линейного
перемещения
микровинта.
Вместе
с
микровинтом
перемещается
и
сердечник
индуктивного преобразователя, вызывая изменение индуктивности катушки, а значит и
изменение значения частоты выходного напряжения. Затем программа измеряет частоту
выходного напряжения индуктивного преобразователя и записывает значения этой
частоты и перемещения стержня относительно начального положения в таблицу, а так же
отмечает точку на графике статической характеристики. После этого шаговый двигатель
снова поворачивает микровинт на угол, соответствующий шагу, и снова измеряется и
записывается частота выходного сигнала преобразователя. Этот цикл повторяется до тех
пор, пока не будет достигнуто заданное пользователем общее перемещение сердечника.
Если требуется произвести повторное определение статической характеристики
индуктивного преобразователя, необходимо перед этим установить сердечник в начальное
положение
(крайне
левое
положение).
Для
этого
в
программе
реализована
инициализация, в которой задействован сигнал оптрона. Инициализация происходит
следующим образом. Шаговый двигатель вращает микровинт в обратную сторону.
Шторка, прикрепленная к сердечнику индуктивного преобразователя, перемещается вдоль
просвета между светодиодом и фоторезистором. Программа через равные промежутки
времени измеряет падение напряжения на фоторезисторе. При закрытом просвете между
светодиодом и фоторезистором падение напряжения равно 5 В. Когда шторка открывает
просвет,
что
соответствует
начальному
положению
сердечника
индуктивного
преобразователя, падение напряжения на фоторезисторе уменьшается до 1 В, и программа
останавливает вращение шагового двигателя.
Описание графического пользовательского интерфейса. Окно программы
управления стендом показано на рис. 8.
На лицевой панели программы находятся следующие элементы управления и
отображения:
- поля ввода, в которые пользователь вводит размер шага перемещения стержня в
мм, через который будет измеряться частота выходного напряжения преобразователя, и
общее перемещение стержня (не более 14мм);
-
кнопки:
«показать/скрыть
сигнал
датчика»
-
открывает/закрывает
осциллограмму выходного сигнала индуктивного преобразователя; «инициализация» 10
производит установку сердечника индуктивного преобразователя в начальное положение;
«снять статическую характеристику» - запускает автоматический процесс определения
статической характеристики индуктивного преобразователя; «STOP» - завершает работу
программы;
-
элемент
отображения
частоты
выходного
напряжения
индуктивного
преобразователя, работающий в реальном времени;
-
графический элемент отображения, показывающий статическую
характеристику (белым цветом) и её линейную аппроксимацию (красным цветом) в виде
графика;
-
таблица, в которую программа записывает значения входного и выходного
сигналов.
Рисунок 8. Окно программы управления стендом
Порядок выполнения работы
1) В строке адреса Интернет-браузера было введено: http:\\82.179.148.50\zav.html.
После этого в Интернет-браузер загрузится панель управления виртуального
прибора, показанная на рисунке 8. Нажатием правой кнопки мыши вызвать
контекстное меню, в котором выбрать команду «Request Control of VI»
(Предоставить управление виртуальным прибором).
2) Изучить пользовательский интерфейс программы и её работу;
3) Запустить программу;
4) Ввести требуемые значения шага и перемещения;
11
5) Нажать кнопку «Снять статическую характеристику» и дождаться, когда
программа закончит определение статической характеристики индуктивного
преобразователя;
6) Перед повторным определением статической характеристики следует нажать
кнопку «Инициализация» и дождаться, когда программа переместит микровинт в
начальное положение;
7) Для завершения работы программы нажать кнопку «STOP». При этом откроется
диалоговое окно с вопросом «Сохранить полученные данные в файл?». Для
сохранения следует нажать кнопку «Да» и в открывшемся окне выбрать имя и путь
к файлу. Если вы не хотите сохранять данные в файл, нажмите кнопку «Нет».
8) Определить начало и конец интервала статической характеристики, который можно
аппроксимировать линейной зависимостью.
9) Занести данные, соответствующие линейной зависимости в таблицу 2 и построить
по ним график зависимости частоты f выходного сигнала датчика от перемещения
h.
10) Закрыть виртуальный прибор, не сохраняя изменения.
11) Определить коэффициенты а и b зависимости f  a  bh для выбранного
интервала, где f - частота выходного сигнала датчика, h- перемещение.
Таблица 2
n
F, Гц
h, мм
Контрольные вопросы
Какое устройство называют индуктивным датчиком?
Что характеризует индуктивность?
От чего зависит индуктивность?
Для каких целей применяются индуктивные датчики?
Какие датчики применяют для повышения чувствительности индуктивных
преобразователей?
6. Устройство соленоидных контактных преобразователей.
7. Что вызывает необходимость увеличения измерительного усилия
измерительного стержня индуктивного преобразователя?
8. Для чего индуктивный датчик включают в резонансный контур?
9. Что является выходным сигналом преобразователя перемещения?
10. Что является статической характеристикой индуктивного преобразователя?
11. Как
определить
статическую
характеристику
индуктивного
преобразователя?
12. Что называют виртуальным прибором?
13. Как работает измеритель толщины защитного слоя бетона ИЗС-1.
14. К какому виду погрешности, аддитивному или мультипликативному можно
отнести погрешность прибора ИЗС-1.
1.
2.
3.
4.
5.
12
15. Поясните назначение и устройство оптрона, используемого в составе
лабораторной установки.
16. Что такое «шаговый двигатель»
17. Объясните схему управления шаговым двигателем.
18. Зачем нужны диоды VD1-VD4 в схеме управления шаговым двигателем.
.
13