Изучение механических характеристик полимеров

Изучение механических характеристик полимеров имеет очень важное значение при изготовлении кабелей и проводов для определенных условий эксплуатации, в частности при воздействии внешних деформирующих сил.

В процессе изготовления, монтажа и эксплуатации кабельные изделия могут подвергаться различным механическим воздействиям. Допустимая степень этих воздействий определяется величиной механических параметров кабелей и проводов, к которым относятся гибкость, стойкость к растяжению, перегибам, ударам, вибрациям, истиранию и продавливающим нагрузкам. Иногда эти воздействия могут оказаться весьма значительными.

Одними из важнейших элементов в конструкции кабеля являются элементы, изготовленные из полимерных материалов, такие как, например, изоляция и пластмассовая оболочка. Во многом от них зависит долгая и бесперебойная эксплуатация кабеля. Так при их повреждении может произойти уменьшение электрической прочности и, в конечном счете, пробой изоляции.

Максимально допустимые значения относительного удлинения и разрывной прочности при растяжении определяются на испытательном стенде типа разрывной машины. Эти значения позволят определить срок в течение, которого кабель будет эксплуатироваться под предельными нагрузками без снижения значений основных электрических характеристик.

Стремительные темпы компьютеризации всех сторон человеческой деятельности привели к тому, что сегодня компьютеры, и, прежде всего, персональные ЭВМ, стали непременным атрибутом самых различных технических комплексов. Это касается и современных систем управления и сбора данных, контрольно-измерительного и лабораторного оборудования, т. е. любых комплексов, основной задачей которых является обработка и интерпретация информации, поступающей из «внешнего мира».

В результате перед разработчиками и пользователями любой специализированной системы встаёт задача адекватной стыковки устройств, воспринимающих информацию из внешнего мира, а именно датчиков различного типа, с персональным компьютером, являющимся центральным узлом такой системы и выполняющим задачи координации работы системы, обработки поступающей информации и выдачи её пользователю в наиболее удобной для него форме.

Целью данного проекта является модернизация лабораторного стенда по измерению механических характеристик полимеров, а именно относительного удлинения и предела прочности при разрыве.

Модернизация лабораторной установки позволит повысить её точность, существенно облегчить обработку результатов измерений, их систематизацию, хранение, а также организовать выдачу информации, как в процессе измерения, так и по его окончании в наиболее удобном для пользователя виде.

Литературный обзор

Для проведения испытаний на разрыв и сжатие применяют специальные устройства (разрывные машины, испытательные прессы, динамометры). Разрывная машина имеет зажимы, в которых закрепляется испытуемый образец, подвергающийся действию постепенно возрастающей нагрузки, а также устройства для измерения действующего на образец усилия и деформации образца. Для испытаний материалов применяются разрывные машины самых различных размеров, рассчитанные на нагрузки от сотых долей ньютона до многих килоньютонов. Требования к ним излагаются в ряде стандартов. Так, разрывные машины, применяемые при испытании пластмасс на растяжение, должны по своим техническим характеристикам удовлетворять требованиям стандарта ГОСТ 2048;75. Разрывные машины могут иметь привод — ручной или от электродвигателя. Электропривод предпочтительнее, т.к. он дает возможность более плавно, без рывков, повышать нагрузку с определенной скоростью. [ 14 ]

В работе предлагается модернизация разрывной машины, имеющей электропривод, позволяющей плавно увеличивать нагрузку на образец, и механический динамометр стрелочного типа.

Разрывная машина позволяет отображать на механическом самописце, как удлинение образца, так и усилие, с которым растягивается образец. В виду низкой точности и неудобства обработки информации самописца решено было оснастить машину электронными датчиками удлинения и усилия с минимальными изменениями в конструкции машины.

Ниже приведены характеристики и принцип действия некоторых видов и типов датчиков, с помощью которых оказывается возможным решить поставленную задачу.

Датчики перемещения.

Индуктивные датчики перемещения

Индуктивные датчики перемещения (рис. 1,а) представляют собой датчики изменения длины с пассивным индуктивным чувствительным элементом при измерении малых перемещений или же с дифференциальным дросселем или дифференциальным трансформатором. Датчик с катушками 2 и подвижным сердечником 1 прижимается к объекту измерений контактными измерительными наконечниками.

Индуктивный датчик измеряет удлинение = L/L0 базисного расстояния Lо, в то время как обычные тензодатчики регистрируют непосредственно удлинение независимо от длины L измерительного элемента. Индуктивные датчики обычно имеют номинальное базисное расстояние между наконечниками Lо от 5 до 200 мм, максимальное измеряемое удлинение от ±20 мкм до ±10 мм, относительное удлинение =20*10−3 м/м и частотный диапазон от О до 1000 Гц.

Индуктивные датчики в отличие от тензодатчиков пригодны для многократного использования на разных — объектах, однако они имеют гораздо большую массу и измеряют изменение длины на поверхности объекта около нескольких миллиметров, что легко может привести к появлению погрешностей измерения. [ 2 ]

Рис. 1. Датчики удлинения с базовой длиной Lо:

а — датчик с перемещаемым сердечником 1 и дифференциальным дросселем 2: б — датчик со струной 5, электромагнитом 4 для регистрации частоты колебаний.

Струнный датчик имеет вибрирующий чувствительный элемент, состоящий из механически колеблющейся системы, например, показанной на рис. 1,б натянутой струны. В этой струне 3 с помощью электромагнита 4 возбуждаются прерывистые или непрерывные поперечные колебания с частотой f0 = [½L], где — Е — модуль упругости; Q — плотность материала струны; L-длина струны.

Удлинение пропорциональное квадрату собственной частоты колебаний fо, определяется путем измерения изменения частоты колебаний с помощью электромагнита и преобразователя типа частота-ток. Диапазон частот собственных колебаний составляет 700−1000Гц, на наконечники действует относительно большая сила от 40 до 100Н.

Струнные датчики особенно пригодны для дистанционных длительных измерений в сложных условиях и применяются также для измерений перемещений, угла наклона, силы, момента вращения, давления и температуры. Датчики с прерывисто колеблющейся струной пригодны только для измерений статических величин, а с непрерывно колеблющейся — как для статических, так и для динамических измерений. [ 2 ]

Измерение перемещения.

В датчике перемещения измеряется расстояние подвижной точки на объекте от неподвижно закрепленной точки, при этом используются как аналоговые, так и цифровые датчики.

Аналоговые датчики для измерения перемещения изготовляются обычно на основе пассивных резистивных чувствительных элементов, а также индуктивных (Рис2,а-г). Датчики со скачкообразно меняющимся сигналом для измерения любого перемещения с резистивными, индуктивными, электродинамическими и фотоэлектрическими чувствительными элементами (рис. 2, з) выдают импульсы, пропорциональные перемещению. В цифровых датчиках используются различные способы кодирования.

Рис. 2. Устройства для регистрации перемещений S:

аг- с аналоговыми датчиками; д-з — с датчиками со скачкообразно изменяющимися сигналами; а-с резистивным датчиком R; б — с тензорезисторным датчиком, вс индуктивным датчиком, г — с индуктивным бессконтактным датчиком; д — с переключающим элементом; е — с индуктивным бесконтактным датчиком; ж — с электродинамическим чувствительным элементом (индукционной катушкой или магнитофонной воспроизводящей головкой, расположенной у намагниченного слоя);зс фотоэлектрическим чувствительным элементом.

Аналоговые датчики перемещения.

Потенциометрический датчик с резистивным чувствительным элементом R (рис. 2,а) при правильном выборе схемы измерения сопротивления дает выходное напряжение, линейно зависящее от пути S. Номинальные измеряемые значения S лежат в пределах от 10 до 1500 мм при R=10 Ом-50 кОм, максимально достижимое разрешение Q s при потенциометрах из провода не превышает 0,05%, а при потенциометрах из проводящих пластмасс оно близко к 0. Наименьшая относительная линейная погрешность Fлин=0,01%, максимальная допустимая скорость перемещения движка приблизительно равна 0,25 м/с, срок службы — более 30 млн. перемещений движка.

Применяют также датчики перемещения, в качестве чувствительного элемента которых используется пластина из полупроводникового магнитного материала, перемещаемая в постоянном магнитном поле. При этом изменяется ее сопротивление в диапазоне от 100 до 500 Ом прямо пропорционально перемещению. Сопротивление как мера перемещения или другой пропорциональной ему величины может измеряться приборами для измерения сопротивления.

В устройстве с тензорезисторами R1 и R2 (рис. 2,б) деформация пластины, на которой закреплены датчики, прямо пропорциональна перемещению S.

В индуктивных датчиках перемещения и изменения расстояния в качестве чувствительных элементов используются дифференциальные дроссели или трансформаторы и схемы мостов с включением датчиков в соседние плечи и измерительные усилители с несущей частотой.

Номинальный измеряемый путь Sм серийно выпускаемых датчиков составляет примерно 80% длины катушки и равен обычно от ±0,5 до ±500 мм максимальная чувствительность датчиков для конечного измеряемого пути равна U ==80 мВ на 1 В питающего напряжения. Частотный диапазон измерений составляет от 0 до 1250Гц.

Комбинированный датчик перемещения (рис.3) содержит чувствительный элемент — дифференциальный трансформатор ДТ, генератор несущей частоты Г и демодулятор Д в миниатюрном исполнении. Он питается постоянным напряжением Uо = 6−24 В, и при диапазонах измеряемых перемещений от ±1 до ±100 мм общая чувствительность Ss составляет 5—0,1 В/мм.

Бесконтактный индуктивный датчик пути (рис. 2, г) с чувствительным элементом в виде простого дросселя.

Рис. 3. Комбинированный датчик для измерения пути s.

Бесконтактный индуктивный датчик пути (рис. 2, г) с чувствительным элементом в виде простого дросселя, в котором практически отсутствуют силы трения, пригоден для измерения расстояний при любых металлических объектах, кроме магнитных сердечников электромагнитов. При их использовании применяют либо измерительные мосты с несущей частотой, либо более распространенные высокочастотные колебательные схемы. При этом катушка L является элементом колебательного контура, колеблющегося, например, с резонансной частотой fо= 4 МГц. Высокочастотное поле катушки создает в металлическом сердечнике вихревые токи, изменяется добротность колебательного контура, а вместе с этим и потребляемый контуром ток в зависимости от положения сердечника. Кроме того, добротность зависит от материала объекта измерения. Путем подбора электронной согласующей схемы достигается линейная зависимость выходного напряжения от расстояния между катушкой и поверхностью объекта. Измерительная катушка и схема согласования могут быть совмещены конструктивно в датчике.

В зависимости от типа бесконтактных датчиков линейный диапазон измерений расстояния составляет 0,1— 1 мм или 3—30 мм. Чувствительность при стальной поверхности объекта Sg==10 мВ/мм, частотный диапазон измерений — от 0 до 10 кГц. Эти датчики пригодны при измерениях перемещений загрязненных маслом или, пылью деталей машин и для измерения толщины непроводящих слоев материалов.

Датчики приращения расстояния со скачкообразным изменением сигнала Принцип действия этих датчиков, служащих для измерения перемещения или угла поворота, заключается в простом подсчете импульсов, поступающих от резистивного, индуктивного или электродинамического чувствительного элемента (см. рис. 2, г—ж).

Каждый импульс (квант пути SQ) связывается с регистрируемым сигналом, и показание счетчика z определяет расстояние s= SQ z. Погрешности измерения любого импульса сказываются на общем результате. Нулевая точка может быть легко установлена вновь, однако измеряемая информация не обладает избыточностью, так как погрешности вызывают уменьшение регистрируемых импульсов по сравнению с действительными.

Рис. 4. Кодовые растровые пластины с пятью дорожками для двоичного (а) и одноступенчатого (б) кодирования с отверстиями для прохождения считывающего луча лазера.

Синхронно-индуктивный способ измерений с регистрацией перемещений основан на использовании устройства с катушкой, выполненной зигзагообразно проводом на поверхности объекта, и измерении переменного напряжения вдоль катушки. По длине 250 мм при шаге катушки 2 мм максимальное разрешение SQ может достигать 1 мкм.

Датчики перемещения с фотоэлектрическими чувствительными элементами содержат растровую пластинку, дискретно отражающую или пропускающую свет (рис2.3) при ее движении, В устройствах с несколькими дорожками на пластине (рис. 4) результат измерение представляется сразу в цифровой форме.

Истинное перемещение при использовании этого способа может быть найдено, например, с помощью двух фоточувствительных датчиков и логической схемы.

В устройствах для измерения поступательного движения максимальная номинальная длина может достигать 3 м, наименьшая абсолютная погрешность масштаба ±1 мкм, максимальное абсолютное разрешение 0,5мкм. [ 2 ]

Датчики перемещения с цифровым кодированием.

В датчиках перемещения с цифровым кодированием перемещение преобразуется с помощью кодирующей плоской пластины, а изменение угла — с помощью такого же кодирующего диска. Перемещение или поворот фиксируется в этих датчиках непосредственно в виде электрических сигналов в двоичной (рис. 4.а) или десятичной системе (рис. 4,б), Для устранения ошибок используют V-логику с дублированием считывания или одноступенчатые специальные коды.

При использовании способов измерения с кодированием требуются большие затраты на приборы для считывания и обработки, которые могут различить при n дорожках 2n различных положений. Смещение нуля возможно только путем перемещения датчика. Эти способы используются в основном при очень жестких требованиях к точности, в самолето — и турбиностроении, при обеспечении безопасности полетов летательных и космических аппаратов и в ядерных реакторах.

Наряду с непосредственным измерением поступательных перемещений с помощью системы с линейным масштабом имеются устройства для косвенного измерение с преобразованием во вращательное движение. При этом измеряемое перемещение преобразуется с помощью механических устройств (планка с зубьями или шпиндель с винтовой нарезкой и гайкой) в угол поворота и затем измеряется датчиком поворота. Эти устройства используются на производстве в станках с цифровым управлением. [ 2 ]

Другие способы измерения перемещений.

Датчики перемещения с емкостными чувствительными элементами, включенными в колебательный контур, или с дифференциальными конденсаторами и измерительным мостом имеют номинальный диапазон измеряемых перемещений 0−2 мм, наибольшая их погрешность не превышает 1,5 мкм или же диапазон 0−20 мм при погрешности не более 2 мкм. Разрешение может достигать 0,02 мкм, а рабочий диапазон частот составляет 0—100 кГц.

В лазерных устройствах для измерения расстояний используется регистрация времени распространения света от лазера — излучателя до объекта — отражателя и фотодиода-приемника. Режим работы импульсный (несколько сотен лазерных импульсов в секунду). Диапазон измеряемых расстояний и составляет, например от 35 до 5 м, относительная погрешность не более 10−4.

Датчики перемещения могут быть использованы в качестве чувствительных элементов при измерениях многих других величин, которые связаны с изменением расстояния. [ 2 ]

Потенциометрические резистивные преобразователи.

Резистивный проволочный потенциометр со скользящим контактом — один из наиболее простых и эффективных преобразователей перемещения. Для его использования нужно лишь соединить скользящий контакт (движок) с движущимся объектом, а остальную часть потенциометра закрепить неподвижно. На рис. 5 показаны потенциометрические преобразователи, предназначенные для измерения как линейных (трансляционных), так и угловых перемещений. В идеальном случае между выходным сигналом преобразователя и перемещением (любого типа) существует линейная связь.

Рис. 5 Три типа потенциометрических преобразователей для измерения перемещении: (а) линейный (трансляционный); (б) однооборотный; (в) многооборотный.

Применение тщательно изготовленных проволочных потенциометров гарантирует малую нелинейность преобразования. Как видно из рис. 5, нелинейность, обусловленная конечным сопротивлением нагрузки потенциометрического преобразователя, возрастает при уменьшении этого сопротивления. Это влияние можно ослабить путём шунтирования верхнего плеча потенциометра резистором с сопротивлением Rm = RL. Характеристика преобразователя для этого случая показана пунктирной линией на рис.6(б); при Х=0,5Хm погрешность, связанная с нелинейностью, обращается в нуль.

Рис. 6 Потенциометрический резистивный преобразователь. (а) Принципиальная схема. Штриховыми линиями показан способ включения шунтирующего резистора. (б) Сравнение выходных сигналов преобразователя с шунтирующим резистором и без него.

Движок потенциометра контактирует с отдельными витками на катушке. Поэтому выходной сигнал (напряжение) преобразователя изменяется не непрерывно, а в виде перемежающихся малых больших скачков (рис.6). Малый скачок имеет место, когда движок замыкает два соседних витка, как показано на рис. 7; большой скачок соответствует моменту перехода движка к следующему витку и размыкает два соседних витка, как показано на рис. 8; большой скачок соответствует моменту перехода движка к следующему витку и размыкания контакта с предыдущим витком. Таким образом, разрешение этого преобразователя зависит от диаметра намоточного провода и может быть улучшено путем использования более тонкого провода. Для потенциометра с плотностью намотки 50 витков на миллиметр, что близко к практическому пределу, предельное разрешение составляет 20 мкм. [ 1 ]

Рис. 7 Скачкообразная зависимость выходного напряжения преобразователя решения потенциометрического (катушечного) типа от перемещения движка потенциометра.

Резистивные тензодатчики.

Резистивный тензодатчик (тензорезистор) — это измерительный преобразователь, который изменяет свое сопротивление в результате деформации, возникающей при перемещении контролируемого объекта. Резистивные тензодатчики для медико-биологических применений разбиваются на два класса: 1) металлические и полупроводниковые датчики и 2) эластичные датчики. Первые пригодны для измерения только очень малых перемещений (< 20 мкм) и, как правило, требуют приложения довольно значительных сил в процессе измерения. Они широко используются в качестве вторичных преобразовательных элементов при измерениях силы, давления и ускорения. С другой стороны, преобразователи эластичного типа способны измерять большие перемещения, достигающие 50% их длины в исходном состоянии, благодаря чему они особенно подходят для регистрации статических и динамических изменений, происходящих в кровеносные сосудах, камерах сердца и др. [ 1 ]

Датчики угла поворота.

Способы измерения угла поворота во многом аналогичны измерениям поступательного движения.

Среди датчиков угла с электрической редукцией большой интерес у разработчиков представляет индуктосин — многополюсный датчик с плоскими печатными обмотками. Разработанный вначале для применения в специальной технике, индуктосин быстро получил широкое распространение и в других отраслях техники. Особенно широкое применение индуктосин нашел в системах числового программного управления (ЧПУ) металлорежущими станками. Анализ большого количества зарубежных систем ЧПУ станков показывает, что 24% систем оснащено индуктосинами. По прогнозам развития подобных систем потребность до 1990 г. в измерительных преобразователях типа индуктосин только для металлорежущих станков в США составит 250 000 шт. Основное В достоинство индуктосина состоит в том, что при его производстве используется однажды изготовленный комплект фотошаблонов, с которых и производится фотопечать обмоток датчиков. Такая технология обеспечивает высокую повторяемость характеристик, малую стоимость изделий, снижает вероятность брака.

Достоинством датчиков типа индуктосин является также и то, что, хотя высокие точности можно получить лишь при сравнительно больших диаметрах обмоток, объем, занимаемый датчиком, остается малым. Это позволяет создавать встроенные конструкции, когда стабильность поверхностей обмоток обеспечивается жесткостью конструкции основного изделия, либо совмещенные конструкции, когда обмотки выполняются непосредственно на взаимно перемещающихся деталях изделия.

В последнее время применение преобразователей с электрической редукцией находит все большее распространение в индукционном и емкостном вариантах исполнения.

Индукционные преобразователи имеют ряд преимуществ перед емкостными, так как последние в значительной степени подвержены влиянию паразитных емкостей и посторонних электрических полей и требуют тщательной экранировки, кроме того, электронные схемы в случае применения многополюсных емкостных преобразователей сложней, чем при индукционных, в частности, усилитель сигнала должен иметь высокое входное сопротивление, в связи с чем, используют обычно электронные лампы.

Поэтому заслуживают внимание многополюсные воздушные поворотные трансформаторы специального выполнения, позволяющие производить отсчет угла с точностью 1−5 угловых секунд. Эти приборы получили название индуктосинов. Точность измерения угла с помощью индуктосина достигается за счет большого количества полюсов на роторе и статоре прибора, при плоском печатному выполнении обмоток, и некоторых особенностей их исполнения, и включения.

Поворотный индуктосин, являясь многополюсным преобразователем, может быть использован как точный электромеханический редуктор, позволяющий производить преобразование масштабов, при этом угол поворота вала может быть преобразован в фазовый сдвиг или угловое положение нулевого отсчета, которые в дальнейшем могут быть использованы при построении конкретных систем автоматического управления. Масштаб преобразования равен числу пар полюсов обмотки его ротора.

В качестве элемента грубого отсчета может применяться любой однополюсный преобразователь типа фазовращателя или поворотного трансформатора, ось которого сочленяется с осью индуктосина.

Способы согласования каналов грубого и точного отсчетов здесь не рассматриваются, так как в принципе он и не отличается от способов, применяемых в двухскоростных сельсинных передачах.

Индуктосн, ввиду его универсальности, находит применение в ряде специальных систем. Так, он может быть использован для дистанционного измерения углового положения вала, преобразования углового положения вала в код, обратного преобразования кода в угловое положение вала и в других системах. [ 6 ]

Принцип действия и особенности выполнении обмоток

Поворотный индуктосин представляет собой прибор, основным элементом которого являются два диска из изоляционного материала, расположенные соосно и параллельно. Диски могут поворачиваться относительно друг друга на измеряемый угол.

На смежные поверхности дисков печатным способом наносятся обмотки, представляющие собой ряд радиальных токопроводящих пластин-проводников, соединенных поочередно то у центра, то на периферии, образующие непрерывную линяю, имеющую разрывы для присоединения токонесущих проводов. Простейшей формой выполнения обмотки является обмотка, расположенная в 360° диска, имеющая разрыв для подвода тока.

На диске располагают обычно и несколько обмоток. Обмотки эти могут быть непрерывными или разбитыми на секции, соединенные соответствующим образом. [ 7 ]

Индуктосин выполняют в различных вариантах: могут быть использованы два диска, имеющих единичные многополюсные обмотки, или на одном из дисков может быть помещена единичная обмотка, а на втором — секционированная и, наконец, на обоих дисках могут быть помещены секционированные обмотки. Выбор того или иного сочетания обмоток на дисках определяется назначением индуктосина.

Если к первичной обмотке приложить переменное напряжение, то на вторичной обмотке появится напряжение, являющееся функцией углового положения дисков.

Будем в дальнейшем называть угловое расстояние между началами (концами) соседних радиальных проводников полюсным делением обмотки т/2 и удвоенную величину полюсного деления шагом обмотки т. В настоящее время наибольшее распространение получил вариант выполнения поворотного индуктосина, у которого статор состоит из двух многополюсных секционированных фазных обмоток, а ротор — из одной многополюсной обмотки.

Обмотки статора при этом сдвинуты относительно друг друга на половину полюсного деления обмотки ротора.

На рис. 8 схематически показана конфигурация обмоток ротора (рис. 8,а) и статора (рис. 8,б) поворотного индуктосина.

Ряд специальных мер, позволяет получить синусоидальное изменение взаимной индукции между статором и ротором в функции угла поворота ротора. Для лучших образцов прибора высшие гармоники поля составляют меньше 0,1%. Число радиальных проводников ротора должно быть четным, с тем, чтобы направление магнитных полей в двух смежных проводниках, на которых заканчивается обмотка, было противоположным, чтобы обмотка была симметрична. На рис. 8, б показана схематически двухфазная обмотка статора прибора, каждая фаза, которая состоит из четырех секций.

На рисунке указаны направления токов в обмотках и способ их соединения. Как и на роторе, каждая секция обмотки статора должна содержать четное число проводников. Интересен вопрос об определении числа проводников обмоток индуктосинов. Казалось бы, чем меньше шаг обмоток, т. е. чем больше число проводников, тем большая точность может быть получена. Фактически же для воздушного трансформатора коэффициент индуктивной связи весьма низок и при большом числе полюсов емкостная связь между первичной и вторичной обмоткой может оказаться соизмеримой с индуктивной связью.

Рис. 8 Конфигурация обмоток индуктосина: а — обмотка ротора, б — обмотка статора.

Распространены плоские трансформаторы, имеющие 100, 108, 128, 144, 180, 256 и 360 пар полюсов. Выбор числа пар полюсов зависит от назначения прибора. Так, при использовании двоичного кода удобны 128-и 256-парные полюсные приборы, при десятичной системе обмотки индуктосина должны иметь 100−200 пар полюсов, а для градусного отсчета приборы с числом пар полюсов 180 и 360. Проводники на дисках должны быть нанесены с относительно высокой степенью точности, хотя большое число проводников и вызывает усреднение в общей индуктивной связи между обмотками ротора и статора, тем самым, снижая влияние ошибки в нанесение отдельных проводников. [ 6 ]

Синусно-косинусные трансформаторы

В качестве датчиков углового положения в цифровых преобразователях угла (ЦПУ) фазового типа широкое применение находят фазовращатели (ФВ) на основе синусно-косинусных трансформаторов (СКТ). Основной технической характеристикой ФВ является линейность изменения фазы выходного напряжения как функции угла поворота ротора СКТ. Она, в первую очередь, характеризует метрологические возможности тракта в аппаратуре, в котором используется ФВ. Поэтому построение высокоточных ФВ является актуальной задачей аналого-цифрового преобразования. Наиболее часто в ЦПУ используются однофазные и двухфазные ФВ на основе СКТ. В однофазных ФВ питание обмоток возбуждения (0В) СКТ осуществляется от однофазного источника напряжения, а СКТ работает в режиме пульсирующего магнитного поля, в двухфазных ФВ — от двухфазного источника напряжения питания (ИП, СКТ работает в режиме вращающегося магнитного поля). В настоящее время затруднительно отдать предпочтение какому-нибудь типу ФВ, так как высокая точность одних определяется использованием стабильных и точных пассивных элементов, а других — наличием прецизионного квадратурного источника питания. Фазовращателям указанных типов присущи погрешности, которые можно разделить на два вида. К первому виду следует отнести погрешности, обуславливаемые нестабильностью и разбросом параметров пассивных элементов — для однофазных ФВ; асимметрией напряжений питания — для двухфазных ФВ; асимметрией СКТ, возникающей за счет конструктивных и технических ограничений. Ко второму виду относятся погрешности, определяемые изменением сдвига фазы выходного напряжения относительно входного (вследствие комплексного характера входного сопротивления СКТ и нагрузки на ФВ), задержками в линиях связи (СКТ может находиться на значительном удалении от электронной части ЦПУ). Эти погрешности существенно меняются под влиянием климатических факторов (в основном температуры) окружающей среды.

Применение ФВ с перестраиваемой структурой позволят существенно уменьшить указанные погрешности. Повышению точности ЦПУ способствует использование в схемах ФВ многополюсных датчиков угла (СКТ, редуктосинов, индуктосинов), работающих в режиме с пульсирующим или вращающимся магнитным полем. При этом суммарная погрешность ЦПУ практически уменьшается в p раз (число пар полюсов датчика угла) и определяется, в основном, только точностью многополюсных СКТ. В связи с этим актуальной является разработка прецизионных многополюсных СКТ для схем ФВ. [ 7 ]

Особенности проектирования СКТ для работы в режиме вращающегося магнитного поля

Создание прецизионного ИП, обеспечивающего работу СКТ в режиме вращающегося магнитного поля с двумя или тремя фазами 0В; (сдвиг векторов междуфазных напряжений с точностью 2—5', разность междуфазовых напряжений — не более 0,02%, максимальное содержание высших гармоник — менее 0,02%), и разработка совершенных методов измерения фазовой погрешности СКТ в схемах ФВ позволили провести сравнение особенностей проектирования СКТ, предназначенных для работы в режиме пульсирующего или вращающегося магнитного поля.

Если в режиме пульсирующего магнитного поля m-фазные выходные обмотки (ВО) ФВ практически разомкнуты (нагрузкой входной части блоков преобразователей угол—фаза—код можно пренебречь), то в режиме вращающегося магнитного поля m-фазные 0 В замкнуты на близкое к нулю внутреннее сопротивление ИП. Эти различия, как показывает практика, приводят к необходимости, разработки специальных методов проектирования многополюсных СКТ (СКТМ), работающих в режиме вращающегося магнитного поля, поскольку критерии, которыми руководствуются при проектировании многополюсных СКТ, в определенной части отличаются от критериев для СКТ, предназначенных для работы в дистанционной синхронной передаче угла (ДСПУ).

К многополюсным СКТ, предназначенным для работы в качестве датчика и приемника точного отсчета (ТО) ДСПУ, кроме точности предъявляется требование обеспечения максимальной крутизны выходного сигнала. Это достигается применением синусных 0 В и ВО с высокой добротностью.

Для ФВ нет необходимости обеспечения максимальной крутизны выходного сигнала, поскольку входные элементы ЦПУ обеспечивают надежную работу при сравнительно низких уровнях выходного напряжения (0,5—5 В). Главным критерием работы СКТМ для схем ФВ является обеспечение строго линейной зависимости фазы выходного напряжения в функции угла поворота ротора изм=f ().

При использовании СКТМ в режиме вращающегося магнитного поля, вследствие замыкания 0 В на ИП, наблюдается значительное влияние индуктивной связи фаз 0 В по лобовым и пазовым частям, существенно снижающее точность СКТМ. В ДСПУ влияние индуктивной связи обмоток синхронизации на точность СКТ существенно ослаблено, поскольку обмотки синхронизации СКТ — датчика и СКТ — приемника не замкнуты накоротко, а нагружены друг на друга. При этом влияние индуктивной связи фаз, как показывает практика, хотя и ощущается, но не столь значительно, как в схеме ФВ с вращающимся магнитным полем СКТМ. В связи с этим СКТМ могут обеспечить высокую точность определения положения контролируемого объекта только при работе в схеме с пульсирующим магнитным полем. Для работы в схемах ФВ с вращающимся магнитным полем необходима разработка специальных методов проектирования СКТМ. [7]

Аналоговые датчики угла поворота

Аналоговые датчики угла поворота пригодны для измерений больших углов до 360°и выше.

В качестве чувствительных элементов в датчиках угла используются резисторы с подвижным контактом, изготовленные из тонкого провода (рис. 9,а) в сочетании со схемой измерения сопротивления.

В пассивных датчиках индуктивного и емкостного типов, а также в активных и пассивных фотоэлектрических датчиках вид характеристики задается фигурной шайбой, выполненной в виде спирали Архимеда, или круглой шайбой, насаженной на ось с эксцентриситетом (рис. 9,б). Сельсиновые системы измеряют и передают, на расстояние углы поворота 360° с малой абсолютной погрешностью F = ±0,1°.

Рис. 9. Аналоговые датчики угла поворота:

а — датчик из микропровода с подвижным контактом; б — датчик с фигурной шайбой и индуктивным L, емкостным С или фотоэлектрическим Р чувствительными элементами.

Рис. 10. Аналоговые датчики малых углов поворота с индуктивным (а), емкостным (б) или электролитическим (в) чувствительными элементами.

Аналоговые датчики угла при малых значениях измеряемого угла содержат индуктивный пассивный чувствительный элемент — дифференциальный дроссель (рис. 10,а) или емкостный пассивный элемента дифференциальный конденсатор (рис.106*) или электролитический чувствительный элемент с дифференциальными сопротивлениями, образованными плоскими электродами в устройстве, показанном на рис. 10,б. Они измеряют углы не более ±45° и служат для передачи на расстояние отклонений стрелок измерительных приборов.

Датчики наклона измеряют очень малые изменения угла относительно вертикали (порядка нескольких градусов). [ 2 ]

Цифровые датчики угла поворота

Датчики угла поворота, включая кодирующие (рис. 11 и 12), особенно распространены при измерениях в условиях производства, например в станках с программным и цифровым управлением.

Датчики угла поворота выпускаются серийно в разных исполнениях (рис. 11, а — в). Шайба с выступами (рис. 11,0) является чувствительным элементом бесконтактного пассивного индуктивного датчика, содержащего отдельный дроссель, включенный в высокочастотный колебательный контур или в мост с несущей частотой. Они служат для статико-динамических измерений угла. Активные датчики с индукционной катушкой Е (рис. 11, б) служат для динамических измерений в течение длительного времени.

Рис. 11. Датчики угла поворота со ступенчатым изменением сигнала:

а — с зубчатой шайбой и пассивным дросселем L или активной индукционной катушкой Е; б — с шайбой с постоянными магнитами и датчиком Холла Н; в — с шайбой с прорезями, световым лучом и активным или пассивным фотоэлектрическим чувствительным элементом, например фотодиодом Р.

Рис. 12. Устройство для кодирования угла, большего 360°, с кодирующими шайбами, разделенными на 16 частей и редукторами Р б передаточным числом 16: 1.

Устройства с диском или барабаном, на котором размещены постоянные магниты (рис. 11, б), и датчиком Холла Н или полупроводниковой пластинкой, сопротивление которой зависит от индукции магнитного поля, служат для статико-динамических измерений угла.

Датчики с шайбами, имеющими отверстия или щели (или же с барабанами, отражающими свет растром), имеют источники света в виде ламп тлеющего разряда или диодов из арсенида галлия и чувствительные элементы, например кремниевые диоды или фототранзисторы. При использовании фотоэлектрических датчиков от объекта измерений не потребляется энергии.

Фотоэлектрические датчики угла поворота с двум сдвинутыми по фазе выходными напряжениями при 5000 делениях (20 000 ступеней на 360°) имеют абсолютное разрешение по углу Q=360/200 000,018°1,08' или же относительное разрешение Q=0,05 промилле на 360°.

Кодирующие датчики угла поворота имеют круглую шайбу с контактными щетками или же с магнитной или фотоэлектрической измерительной системой. В таких датчиках, например с 10 дорожками достигается абсолютное разрешение по углу Q=360/2100,35°21'. При 13 дорожках получается абсолютное разрешение Q=360/81 920,0439°2,64'. Достижимо максимальное, количество ступеней J=214.

Для увеличения разрешения по углу необходимо повышать количество дорожек на шайбе, закрепленной непосредственно на объекте измерений, или использовать редуктор. Если приводить во вращение кодирующую шайбу через передаточные шестеренки (рис, 12), то можно как угодно расширить диапазон измерений угла поворота. При передаточном числе до 105 достигается 106 ступеней измерений. [ 2 ]

Фотоэлектрические преобразователи угла (ФПУ)

Основные разновидности и их характеристики

Из ФПУ наибольшее распространение получили преобразователи считывания (ПС) и растровые интерполяторы (РИ), которые используются для построения абсолютных и накапливающих преобразователей угла в код (преобразователей абсолютных значений и приращений угла).

Принцип их действия основан на модуляции потока излучения, воспринимаемого приемниками, и преобразовании сигналов приемников. Модуляция осуществляется сопряжением подвижного (модулирующего) и неподвижного (индексного) элемента, которые имеют переменную от угла прозрачность и располагаются на пути потока от источника к приемнику. В качестве модулирующего и индексного элементов используются растровые решетки, представляющие собой кольцевые дорожки, состоящие из чередующихся прозрачных и непрозрачных участков. Особенность таких ФПУ состоит в том, что угол преобразуется в пространственную фазу сигналов приемников излучения с коэффициентом электрической редукции Np. При этом Nр = 2/Tр, Tр = Tр. лин /Rср, где Tр, Tр.лин., Rср — угловой, линейный шаг чередующихся участков растровой дорожки и ее средний радиус. Поскольку минимальные размеры шага чередующихся участков Tр. лин составляют сотые и даже тысячные доли миллиметра, что значительно меньше размеров чередующихся участков в преобразователях угла, использующих другие физические принципы построения, заданный коэффициент электрической редукции Np достигается в ФПУ при меньших, чем у других видов преобразователей, габаритах. [ 7 ]

Преобразователи считывания

ПС характеризуется тем, что двоичные цифры «0» и «1» разрядов кода задаются непрозрачными и прозрачными участками растровой дорожки. Обычно для построения абсолютного преобразователя угла на каждый из n разрядов кода требуется отдельная растровая дорожка. Модулирующий элемент n-разрядного ПС представляет собой диск, содержащий n дорожек, которые образуют так называемую кодовую маску. Сигналы разрядных цифр формируются системой из n компараторов, на входы которых поступают сигналы, считываемые приемниками с дорожек кодовой маски. Из принципа действия следует, что ПС представляют собой систему из n параллельно работающих одноразрядных преобразователей угла, каждый из которых состоит из последовательно соединенных аналогового ФПУ и компаратора. ФПУ линейно преобразует угол, а в фазу сигнала U с коэффициентом электрической дедукции Np, равным соответствующей степени числа «2». Компаратор преобразует фазу в одноразрядный двоичный код. Наибольшее распространение получили ПС, в которых для устранения погрешности неоднозначности при считывании вместо маски двоичного позиционного кода применяется маска кода Грея, а двоичный позиционный код формируется из кода Грея с помощью логического устройства. Размер единицы младшего разряда двоичного позиционного кода q определяется шагом Tр дорожки младшего разряда кодовой маски q = Tр/4. Поэтому число разрядов n ПС ограничивается максимально возможным средним радиусом дорожки и минимально возможными размерами ее участков. Максимальное число разрядов ПС при приемлемых габаритах (внешнем диаметре, меньшем 100 мм) составляет 13−14. Дальнейшее увеличение числа разрядов при ограниченном внешнем диаметре приводит к значительному усложнению кодовой маски и считывающей системы. Быстродействие ПС определяется, главным образом, временем срабатывания компараторов. Выбором компараторов с соответствующим временем срабатывания можно строить ПС, производящие 10s—107 отс/с.

Для построения накапливающих преобразователей угла, принцип действия которых состоит в подсчете приращения угла на единицу младшего разряда кода, применяются импульсные преобразователи угла. Импульсный преобразователь представляет собой двухразрядный ПС состоящий из последовательно соединенных синусно-косинусного ФПУ и АЦП, выполненного из двух компараторов. Из сигналов, считываемых с растровой дорожки, ФПУ формирует два сигнала US = Um sin и Uc = Um cos, где Um — амплитуда и = Nр — фаза сигналов. Зависимости сигналов компараторов от угла имеют вид двух периодических последовательностей прямоугольных импульсов, смещенных друг относительно друга на Tр/4. Для получения n-разрядного двоичного позиционного кода сигналы ПС подаются на кодирующее устройство, осуществляющее формирование и подсчет импульсов, соответствующих приращениям угла на величину q = Tр/4, или, что-то же, q = 2/4Np. Подсчет импульсов производится реверсивным счетчиком с учетом знака приращений, т. е. в зависимости от направления вращения. Разрешающая способность и быстродействие импульсного преобразователя определяются число импульсов на оборот Nимп = Np и максимальной частотой следования импульсов fимпmax. Существующие преобразователи характеризуют Nимп = 27−213 при внешнем диаметре диска 25−50 мм и fимптэх==100−200 к Гц. [7]

Растровые интерполяторы

Применение растров связано с тем, что технология их изготовления проста и отличается высокой точностью, поскольку используются процессы, основанные на методах фотолитографии и фотопечати и применении дисков-шаблонов, на которых с высокой точностью выполнена маска. Современная технология позволяет изготавливать диски-шаблоны с погрешностью рисунка, не превышающей десятой доли угловой секунды. Технология печати с диска-шаблона должна обеспечивать однородность копий и передачу геометрии рисунка диска-шаблона с требуемой точностью.

РИ характеризуются тем, что с помощью сигналов, считываемых с одной растровой дорожки, формируется группа из k разрядов кода. Наибольшее применение получили РИ, состоящие и последовательно соединенных синусно-косинусного ФПУ и k-разрядного АЦП, осуществляющего преобразование фазы в пределах периода 2; что соответствует преобразованию угла, а в пределах шага Тр. При этом размер q определяется не только размерами участков растровой дорожки, как у ПС, но и числом разрядов АЦП. При одинаковых параметрах дорожки РИ и дорожки младшего разряда ПС qри в 2k- 2 раза меньше qпс. Поскольку число разрядов k может составлять 6−10, разрешающая способность РИ при тех же габаритах значительно выше, чем у ПС. Быстродействие РИ определяется временем преобразования его АЦП. При использовании параллельных или конвейерных АЦП быстродействие РИ практически такое же, как и ПС. В основном РИ применяются для формирования группы младших разрядов кода. Формирование старших разрядов осуществляется либо с помощью ПС, либо подсчетом числа приращений угла на шаг дорожки интерполятора. Иногда в преобразователях абсолютного типа, для того чтобы свести число дорожек модулирующего элемента до минимума, РИ используются также для формирования старших разрядов. В этом случае можно получить либо минимальный внешний диаметр диска, либо отношение средних диаметров внешней и внутренней дорожек, близкое к единице. Погрешность неоднозначности, имеющая место в преобразователях абсолютного типа, которые состоят из нескольких параллельно работающих преобразователей меньшей разрядности (РИ или ПС), устраняется с помощью так называемого согласования или сопряжения отсчетов.

Максимальное число разрядов преобразователей угла с РИ при диаметре диска, равном примерно 100−150 мм, составляет 22−23, a в отдельных случаях может достигать 25—27. Однако диаметр диска при этом возрастает до 200—300 мм. [ 7 ]

Модулирующие и считывающие элементы ФПУ

Основными элементами ФПУ являются модулирующий или кодирующий диск и фотоэлектрическая считывающая система. Она состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть содержит источник излучения и оптическую систему, состоящую из линзовой зеркальной или волоконной оптики и служащую для формирования параллельного потока, а приемная — индексную диафрагму и приемники излучения. Модулирующий диск и индексная диафрагма представляют собой диски _из оптического стекла, расположенные соосно и параллельно, на обращенных друг к другу поверхностях которых печатным способом нанесены маски с соответствующим рисунком.

Оптическая схема ФПУ имеет дорожки на подвижном диске и окно диафрагмы на неподвижном диске, которые имеют переменную вдоль окружности их среднего радиуса прозрачность, что достигается за счет непрерывного или, что чаще, ступенчатого изменения оптической плотности покрытия маски.

При вращении диска меняется ослабление лучей потока, вырезанного окном диафрагмы, за счет различной прозрачности участков дорожки, стоящей на их пути, что приводит к изменению в функции угла потока, поступающего от лампы накаливания через коллимирующую линзу и сопряжение дисков на чувствительную площадку приемника, а, следовательно, и сигнал на его выходе. Причем в случае, когда дорожка и окно выполнены в виде повторяющихся прозрачных и непрозрачных участков, величина потока определяется площадью перекрытия прозрачных участков. 7]

Обоснование выбора датчиков проектируемого прибора

Имеется стандартная разрывная машина, приводимая в движение электродвигателем переменного тока. В этой установке имеется несколько движущихся частей, поэтому было бы целесообразно проектировать датчики на базе этих подвижных частей.

Итак, в рассматриваемой разрывной машине образец полимера помещается между зажимами, закрепляется там, и посредством двигателя через цепь создается усилие. В результате верхний зажим остается почти неподвижным, а нижний под действием всё увеличивающегося усилия, постепенно движется вниз. Верхний зажим связан со стрелкой динамометра закреплённой на оси, посредством шестерёнки. Указатель стрелки двигается по шкале, на расстоянии 360 мм от оси, показывая усилие.

Т.о., имеются следующие вращающиеся части: ведомый шкив двигателя, зажимы, шкив стрелки и сама стрелка с указателем, фиксирующим усилие.

Для внесения минимальных изменений в конструкцию разрывной машины логично произвести сопряжение проектируемых датчиков со шкивом, установленном на валу двигателя, и стрелкой динамометра.

Для измерения угла поворота вала двигателя и вала стрелки динамометра возможно использование синусно-косинусного трансформатора, либо индуктосина, т.к. они обеспечивают высокую точность. К их недостаткам следует отнести громоздкость, большое энергопотребление, и их высокую стоимость, а также сложность преобразования аналового сигнала в цифровой вид и наличие соответствующей аппаратуры для этой цели. Поэтому используем фотоэлектронный датчик, состоящий из фотоизлучающего и фотоприемного узлов, который будет генерировать электрические импульсы. Импульсы будут генерироваться на выходе с датчика при прохождении шторки между фотоизлучающим и фотоприемным узлами. Частота следования импульсов будет пропорциональна угловой скорости () шкива двигателя. Продифференцированное значение угловой скорости даст перемещение () или относительное удлинение образца.

К достоинствам фотоэлектронных датчиков следует отнести их небольшую энергоёмкость, небольшие габариты, простоту монтажа и легкость преобразования в цифровой сигнал, а также небольшую их стоимость.

В качестве датчика усилия можно использовать датчики угла поворота, как аналоговые, так и цифровые, но надо отметить, что угловое перемещение шкива вала стрелки очень небольшое, поэтому его сложно фиксировать с требуемой точностью. Поэтому разумно совместить датчик с указателем стрелки динамометра, т.к. он достаточно удален от оси вращения и его перемещение можно будет легче фиксировать. Принцип работы этого датчика аналогичен первому. На шкале динамометра надо установить шкалу с прозрачными и непрозрачными штрихами, которая будет проходить между светодиодом и фотодиодом. Надо отметить, что цена деления этой шкалы будет меньше ценны деления существующей шкалы, это позволит несколько увеличить точность.

Разработка блок-схемы проектируемого прибора

Проектируемый прибор является, устройством, состоящим из нескольких блоков.

Имея в виду, что выбранные датчики фотоэлектронного типа, блок-схема проектируемого прибора будет иметь вид (Рис.11).

Первый датчик состоит из двух каналов сбора информации и следующих блоков. Блок генерации модулированного сигнала служит для модуляции инфракрасного излучения с высокой частотой. Для приема излучения служит фотоприемный блок, где производится демодуляция и фильтрация сигнала. Далее информация поступает на блок обработки сигналов. Второй канал полностью идентичен первому, он необходим для определения направления движения стрелки.

Второй датчик, образованный третьим каналом сбора информации, предназначен для подсчета количества импульсов и состоит из блока излучения, фотоприемного блока и блоков фильтрации.

Основным блоком является блок обработки сигналов. Его роль заключается в сборе и обработке сигналов, идущих с двух датчиков.

Блок индикации приема и передачи служит для отображения процессов приемо-передачи информации между стендом и ЭВМ.

Блок сброса необходим для инициализации работы лабораторной установки и устранения случайных сбоев, связанных с питанием устройства, в процессе работы.

Блок формирования интерфейса нужен для согласования логических уровней блока обработки информации с уровнями сигналов интерфейса RS232.

Проектирование электрической схемы прибора

В проектируемом приборе используем фотоэлектронные датчики, которые состоят из светоизлучающего и фотоприемного узлов.

Фотоизлучающий узел состоит из светодиода VD1 и балластного его сопротивления R3. Светодиод включен в цепь коллектора транзистора VT1, который служит усилителем тока, идущего с генератора.

Чтобы исключить влияние видимого спектра излучения и возможного инфракрасного, от искусственных источников света с частотой f=50−100 Гц, а также естественного излучения, необходимо применять генератор с заведомо большей несущей частотой. Постоянная времени генератора задается элементами R1 и C1 в цепи генератора. Т.о., медленноменяющийся сигнал, просто не будет вызывать ни каких изменений в работе схемы.