Цифровые преобразователи перемещений

Введение.

В настоящее  время и в перспективе одной  из актуальных и технически сложных  задач является цифровое измерение  линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи перемещений (ЦПП).

 В целом  к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляют совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований. К их числу относятся большая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, низкое электропотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, технологичность и низкая стоимость. Диапазон этих требований чрезвычайно широк, что создает серьезные препятствия на пути унификации цпп, являющейся организационно-технической задачей первостепенной важности.

Классификация первичных преобразователей. 

Первичным преобразователем (ПП) перемещения называется устройство, воспринимающее контролируемое входное  перемещение и преобразующее его в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработки, преобразования и, если необходимо, передачи по каналу связи на большие расстояния.

Существующие  первичные приемники линейных перемещений  могут классифицироваться по различным  признакам, основными из которых являются: физический принцип действия чувствительного элемент, структура построения, вид выходного сигнала.

По физическому  принципу действия чувствительного  элемента все существующие ПП можно  разделить на фотоэлектрические (оптоэлектронные), использующие эффект периодического изменения освещенности; электростатические: емкостные (основанные на эффекте периодического изменения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент деформации); электромагнитные (использующие, например, эффект периодического изменения индуктивности или взаимоиндуктивности); электроакустические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной акустической волны); электромеханические: электроконтактные (основанные на эффекте резкого изменения сопротивления парных электроконтактов при их замыкании и размыкании), реостатные (использующие эффект линейного измерения сопротивления) и механотронные (основанные на механическом управлении электронным током электровакуумных приборов путем непосредственного механического перемещения их электродов). Принцип действия чувствительных элементов рассмотрим чуть позже.

По структуре  построения различают в зависимости  от способа соединения элементов ПП различают три основные структурные схемы: с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.

Основными элементами ПП с последовательным преобразованием (рис.1, а) являются: воспринимающий орган или чувствительный элемент ЧЭ, измеряющий контролируемое перемещение Х и вырабатывающий сигнал у₁, пропорциональный этому перемещению; усилительно-преобразующее звено УПЗ, которое усиливает сигнал с ЧЭ, а в случае необходимости осуществляет ряд последовательных преобразований над этим сигналом; исполнительный орган или выходной преобразователь ВП, согласующий выходной сигнал ПП с входными параметрами последующего устройства.

Рис. 1

Схема достаточно проста и надежна, но обладает существенными  недостатками, а именно – наличием ничем не скомпенсированных погрешностей как мультипликативных (за счет нестабильности чувствительных узлов ПП), так и аддитивных (за счет возможных внешних возмущающих воздействий), и, следовательно, низкой точностью

На рис. 1, б  представлена структурная схема дифференциального ПП. Она включает в себя в общем случае две цепочки с последовательным преобразованием, каждая из которых содержит свой ЧЭ и УПЗ. Однако эти цепочки включены так, чтобы полезные сигналы в органе сравнения ОС по возможности суммировались, а мешающие воздействия вычитались. Таким образом, налицо определенная компенсация постоянных составляющих и ряда аддитивных погрешностей. Следовательно, дифференциальные ПП обладают более высокой точностью, большей линейностью характеристики управления и более высокой чувствительностью.

Компенсационные ПП построены на принципе автоматического  уравновешивания измеряемой величины компенсирующей величиной того же рода.

На рис. 1,в  представлена одна из структурных схем компенсационного ПП. Измеряемое перемещение Х поступает на ЧЭ, выходной сигнал которого после усиления и предварительного преобразования в УПЗ сравнивается с помощью органа сравнения ОС с компенсирующим сигналом у₅, поступающим из цепи обратной связи ЦОС. С выхода ОС разностный сигнал, равный у₃=у₂-у₅, подается на промежуточный преобразователь ПрП, который преобразует этот сигнал в форму, удобную для дальнейшего использования. Цепь обратной связи ЦОС является, как правило, так же преобразователем, приводящим сигнал у₄ к тому же физическому виду, что и компенсируемый сигнал у₂.

В коменсационных ПП происходит компенсация мультипликативных  погрешностей, связанных с нестабильностью  характеристик звеньев, охваченных отрицательной обратной связью. При  этом точность измерения в основном определяется стабильностью работы звена обратной связи, входного и выходного элементов схемы. На результат измерения слабое влияние оказывает и нелинейность характеристик управления элементов, охваченных обратной связью. Кроме того, компенсационные ПП обладают и другими положительными свойствами, присущими устройствам с отрацательной обратной связью, а именно – незначительным потреблением энергии на входе и образование выходного сигнала требуемой мощности. К недостаткам компенсационных ПП следует отнести более сложную схему и наличие аддитивных погрешностей.

По характеру  изменения во времени выходного  сигнала различают ПП непрерывного и дискретного действия.

В зависимости  от вида параметра выходного сигнала, находящегося в линейной зависимости от измеряемого перемещения, ПП непрерывного действия разделяются на амплитудные, частотные и фазовые. Соответственно ПП дискретного действия могут быть амплитудно-импульсными, частотно-импульсными, время-импульсными, число-импульсными, кодоимпульсными и др.

Необходимо отметить также, что все ПП дискретного типа (импульсные) по сравнению с аналоговыми (и в частности, с амплитудными) обладают возможностью наиболее простого преобразования в цифровую форму своих выходных сигналов. При этом особенно следует выделить времяимпульсные, числоимпульсные и кодоимпульсные ПП.

Все цифровые преобразователи  перемещений (ЦПП) можно разделить  на три основные группы: с непосредственным преобразование линейного перемещения  в код, с косвенным преобразование и с комбинированным преобразованием.

В ЦПП первой группы операции преобразования подвергается само механическое перемещение. В преобразователях второй группы измеряемое перемещение  сначала представляется в виде удобного аналогового параметра, а затем  преобразуется в цифровой эквивалент. Третья группа – это сочетание первых двух.

Наиболее часто  используются ЦПП с промежуточным  преобразованием в аналоговый параметр, т. е. преобразователи типа перемещение-параметр-код, которые обладают линейной характеристикой  управления, высокой разрешающей способностью, достаточным быстродействием и надежностью. Основными перспективными промежуточными параметрами в этих ЦПП являются фаза и амплитуда переменного напряжения. Высокая помехоустойчивость фазового параметра является положительным фактором при значительном удалении первичного преобразователя на контролируемом объекте от отсчетной части. Кроме того, фазовые измерительные системы в настоящее время обладают наиболее высокой точностью.

К достоинствам ЦПП с промежуточным преобразованием  в фазовый сдвиг относятся: простота осуществления многоканального преобразования и соединения первичного преобразователя перемещений с электронной схемой; высокий уровень унификации и технологичности.

В практике построения ЦПП фазового типа большое значение имеет второй этап преобразования параметр-код, который в значительной степени влияет на точность всего преобразования ЦПП в целом. Т.е. необходимо тщательно подбирать параметры аналого-цифрового преобразователя. 
 
 
 
 

Схема 1. Классификация ПП.

УСТРОЙСТВО ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Фотоэлектрические первичные преобразователи.

Наиболее простым  и надежным является ФПП с перекрытием  светового потока посредством заслонки, шторки или флажка. Схема одного из вариантов построения представлена на рис. 2.

Рис. 2

Шток 4, связанный  одним концом с объектом, линейное перемещение Х которого необходимо измерить, имеет на другом конце заслонку 3. Перемещение заслонки 3 перекрывает отверстие диафрагмы 2, в результате чего изменяется величина светового потока, идущего от источника излучения ИИ с линзой 1 к объективу 5 и фотоприемнику ФП и далее на усилитель У. Таким образом, на выходе датчика имеем сигнал, амплитуда которого пропорциональна перемещению Х.

  Реостатные преобразователи.

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины — перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функций преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью).

Проволока для  обмотки выполняется из сплавов (сплав платины с иридием (5—30%), константан, нихром и фехраль). Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.

Рис. 3

Щетка преобразователя  выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы. Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которой выбирается в широких пределах от  десятых долей грамма до сотых граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

Габариты преобразователя  определяются значением измеряемого  перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.

Для получения  нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции  преобразования очень часто достигается  профилированием каркаса преобразователя .

В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимости изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значении сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом у = ΔR/R, где ΔR—максимальное сопротивление одного витка R — полное сопротивление преобразователя.

Иногда применяются  реохордные преобразователи, в которых  щетка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях отсутствует указанная выше погрешность.

Выходной параметр реостатных преобразователей — сопротивление  — измеряется обычно с помощью  мостовой схемы.

К достоинствам преобразователей относится возможность  получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки — наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.

Применяются реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений.

Электромагнитные  первичные преобразователи.

Электромагнитные  первичные преобразователи ЭПП  перемещений можно разделить  по физическому принципу действия чувствительного  элемента на две основные группы: индуктивные  и трансформаторные.

ЭПП, преобразующие  значения линейных перемещений Х  в значения индуктивности, называются  индуктивными преобразователями ИП.

Простейший ИП состоит из магнитопровода 2 с обмоткой и якоря 1, связанного с перемещающимся объектом (рис. 4, а).