Прибор для измерения малых перемещений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Там 172

1967

ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Л. Я. ЗИННЕР, А. И. СКОРОСПЁШКИН

(Рекомендована семинаром кафедр электрических машин и общей

электротехники)

Для изучения 'влияния механических факторов на коммутацию коллекторных машин |в настоящее (время разработан ряд 'приборов, использующих тот или иной метод. Нами ранее предлагался профилометр, использующий метод ¡амплитудной ¡модуляции [1, 2],). В качестве чувствительных к малым перемещениям элементов использовались токовихре-вой и емкостный датчики с мостовым и трансформаторным включением в измерительную цепь.

В случае трансформаторного включения выходной величиной датчика является э. д. с. измерительной обмотки, при этом измерительная схема реагирует на один из параметров э. д. е., которым может быть амплитуда, фаза, действительная и /мнимая составляющие. Токовихре-вой датчик обеспечивает наибольшую чувствительность к малым нарушениям поверхности коллектора при настройке в резонанс на частоту генератора. В этом случае измерительная схема реагирует как на изменение э. д. с. сигнальной обмотки, так и на изменение импеданса и добротности ее.

Профилометр с трансформаторным включением токовихревого датчика, обеспечивая ;выоокую чувствительность, страдает рядом существенных .недостатков. Это, прижде всего, необходимость обеспечить высокую стабильность тока задающего генератора и линеаризацию характеристики преобразования датчика, что приводит к увеличению схемной погрешности.

Профилометр с мостовым включением емкостного датчика [2] во многом свободен от 'недостатков, присущих ¡вышеописанному.

Последнее заключается в том, что профилометр с емкостным датчиком обеспечивает большую надежность, более высокую разрешающую способность и 'меньшую схемную погрешность. Испытания, проведенные на заводе «Электромашина», ,показали, что профилометр с емкостным датчиком удовлетворяет всем требованиям, "предъявляемым к измерителям малых перемещений. Однако, несмотря на высокие эксплуатационные качества, данный прибор также не свободен от недостатков, заложенных в самом методе измерения амплитуды, так как контроль по амплитуде не обеспечивает необходимой точности при непрерывных измерениях из^за действия дестабилизирующих факторов, кроме того, измерение амплитуды трудно производить с достаточной точностью.

На практике обычно измерения производятся по частоте, так как стабильность частоты даже при параметрической стабилизации значительно выше стабильности по амплитуде, и, следовательно, измерения частоты обеспечивают большую точность.

Учитывая вышеизложенное, нами разработан профилометр, основанный на измерении частоты генератора при изменении одного из параметров сеточного контура Ь или С. В качестве преобразователя используется однообмоточный токовихревой и емкостный датчик с охранным кольцом.

Следует указать, что в настоящее время уже имеется шродбор для измерения нарушений поверхности коллектора, использующий метод измерения девиации (частоты [3]. Однако описанный прибор страдает одним важным недостатком, заключающимся в наличии только одного измерительного генератора, что приводит к нестабильности во времени частоты. Уход частоты в основном определяется температурной нестабильностью элементов .контуров генератора и нестабильностью источника питания, что особенно важно в данном случае, когда емкость датчика составляет несколько единиц, а измеряемые отклонения емкости сотые и тысячные доли пикофарад.

С целью уменьшения погрешности, обусловленной уходом частоты измерительного генератора, нами использована схема на биениях (рис. 1), где принцип сравнения осуществляется не в контуре, содержащем датчик, а в самой измерительной схеме.

|В применении к емкостному и иодуктив'ному датчикам метод основан на сравнении частот измерительного и опорного генераторов.

Непосредственно измерительная схема состоит: из опорного генератора Л2(6С4П), работающего на частоте {г, измерительного генератора Л1(6С4П) с частотой ¡2, изменяющейся в функции измеряемого перемещения; двух катодных повторителей Л3, Л4 (6Ж1П); смесителя Лв(6ИШ), в анодном контуре которого -выделяется промежуточная частота; усилителя-ограничителя промежуточной частоты (Л6(6Ж1П); ограничителя Л1 (6Ж1П); дискриминатора Лз(6Х2П и двух каскадов видеоусилителя Лд, ю (6Н1П),

Для установления рабочей точки дискриминатора и начального зазора датчика в схему профилометра введен ламповый милливольтметр Лн(6Н1П), снабженный микроамперметром М-24.

Одновременно милливольтметр служит для измерения общего боя коллектора в статике.

Питание профилометра осуществляется от электронного стабилизатора напряжения, собранного на лампах Ли (6НЗ), Л^бЖШ), Л,3(СГ-4С).

С целью стабилизации накалов ламп и емкости катод — нить накала в цепи накала введены дроссели 5 мкгн и емкости 1500 пф.

Вышеперечисленные ¡мероприятия позволили овести к минимуму схемную погрешность.

Относительная погрешность измерения емкости и индуктивности датчиков равна удвоенной погрешности определения частоты:

йС 0 <И С ~ 1 \ '

Ь {

При работе на частоте 105 мг, как это имеет место в данном при-г ^

поре, —р весьма мало, чувствительность к изменению зазора велика, а относительная погрешность может быть доведена до тысячных долей процента.

На практике обычно прибегают к кварцеванию опорного генератора, что не исключает влияния всех дестабилизирующих факторов на частоту измерительного генератора.

«о <=Q

п

CJ

12. Известия, т. 172.

177

На наш взгляд, более эффективно применение двух генераторов — измерительного и опорного, идентичных то схеме исполнения, монтажу и использованным деталям, благодаря чему компенсируется изменение частоты, вызванное дестабилизирующими факторами. В качестве индикатора изменения частоты при изменении малых перемещений в схеме используется частотный дискриминатор с парой индуктивно связанных контуров Лв(6Х2П), дающего на выходе напряжение, пропорциональное уходу частоты от резонансной.

ивых = ^-{рез). ' (2)

Контур дискриминатора настроен на промежуточную частоту 500 кгц и индуктивно связан с контуром ограничителя Л7(6ЖШ).

ивых = и0соэ Об; а), (3)

где и0 напряжение на контуре ограничителя,

в — угол отсечки диодного детектора,

^(а) —функция, зависящая от параметров связанных контуров.

Из (3) вытекает необходимость ввести в схему ограничитель, так как выходное напряжение дискриминатора зависит не только от ухода частоты, но и от напряжения на контуре.

Чувствительность схемы к изменению емкости или индуктивности датчика определяется крутизной характеристики дискриминатора, которая повышается с увеличением резонансной частоты.

Однако при выборе резонансной частоты необходимо учитывать тот факт, что с ее повышением уменьшается диапазон измеряемых перемещений.

Зависимость выходного напряжения для данной схемы от изменения емкости и индуктивности датчиков при изменении зазора определяется подстановкой в(2) выражения для Г через параметры контура;

ивых = ТЦ^{уЩГ~ ); (4)

вш ус рез рез

где к — коэффициент пропорциональности,

Ьрез,Срез—резонансные значения параметров контура в мкгн и пф.

ДЦ АС — приращения емкости и индуктивности датчиков при изменении зазора.

Для (4), выразив ДС1 через изменение зазора между коллекторами и обкладкой датчика, имеем

ивых = 1--^ , (6)

V Ьрез ^рез

(1-8

оде с1 — начальный зазор © ж,

Ь — изменение зазора в м.

Для случая, когда используется токовихревой датчик, получение выражения, описывающего зависимость ивь1Х в функции от измеряемого зазора, связано со значительными трудностями, тем более, что используется датчик с ферритовым сердечником. Имеющиеся в настоящее время работы [4, 5, 6, 7] дают решение поля накладного датчика в общем виде и не позволяют выбрать оптимальные размеры датчика и параметры питания с целью обеспечения максимальной чувствительности к измеряемому параметру.

В случае использования датчика с магнитным экраном и феррито-

вым концентратором решение вносимого импеданса связа-но с непреодолимыми математическими трудностями, что приводит к необходимости в каждом конкретном случае опытным путем выбирть параметры датчика и питания для достижения максимальной чувствительности.

Для качественного представления зависимости Ь'вых от девиации частоты возьмем простейший случай, когда датчик представляет собой маловитковую катушку конечных размеров.

Для этого случая индуктивность датчика в воздухе может быть определена как

и = ^0п2-у- к А (7)

где (ло — магнитная проницаемость вакуума, п — [Количество витков обмотки датчика, В — диаметр датчика, м, 1 — высота намотки, м,

кд — коэффициент, который ^находится по табл. 6—2 [8]. Внесенный импеданс при установке датчика над контролируемой поверхностью определим из выражения для внесенной э.д.с. [4]:

1т = - -1вн = ]«> н п2 Б Ш, (8)

ч

где Ь — зазор между датчиком и контролируемой поверхностью, м,

^1(Ро) = 2^ + ]+2?0УР7+1 (9)

— функция, несущая информацию о свойствах материала контролируемой поверхности; 3

ро — --— обобщенный. параметр;

О у со ¡л.0§

б — электропроводность материала поверхности.

Как показано Шкарлетом [4], функция бИ] (Во) с погрешностью 5% может быть аппроксимирована экспонентой вида

1,55[30е-2?о_]е-2Зо. (ю)

После подстановки (10) в (8) и некоторых преобразований получим выражение для вносимой индуктивности:

Ь

, 6"0

Ьвн=ц0п2Бе ^ Л (11)

Считая, что выходное напряжение дискриминатора равно нулю при удалении датчика от проводящей поверхности, резонансная частота генератора определится из выражения

и=-^ (12)

1,77пБ|/ ^кАС

рез

При установке датчика над проводящей поверхностью новое значение индуктивности датчика будет

кд -6-^ + 230 Ь = ^пЧ) |О-е ' ° / (13)

12* , 179

и новое значение частоты генератора

/

'рез

1

С-ое

6 "о +2р(

(И)

Исходя из (12) и (14), найдем выражение, описывающее зависимость ивыхот изменения параметров датчика:

1/77Б

V

кА

С

рез

1

1

/

*ОкА

Б

+ 2Р(

(15)

Чувствительность схемы к изменению расстояния от проводящей поверхности до емкостного и индуктивного датчиков определим как

й к (16)

ь

V

^рез Срез

(с! — 2Ь)

31 к е

к,

где

лОк.

-I б "о + гро

к, = 1,77кЮ

кд 1

С

рез

(17)

(18)

Таким образом, из выражений для чувствительности и ивых токо-вихревого датчика ввдно, что на величину ее влияют как изменение зазора И, так и изменение электропроводности материала. Однако, считая неоднородность материалов коллектора незначительной, тем более, что на рабочей частоте 10 мгц чувствительность схемы к изменению электропроводности пренебрежимо мала, можно ограничиться рассмотрением влияния на ивыхи Бь диаметра катушки датчика, количества витков и зазора.

Увеличение чувствительности за счет увеличения диаметра катушки датчика не представляется возможным, так как это противоречит необходимости обеспечения высокой разрешающей способности по ширине ламели коллектора. Изменение витков датчика также ограничивается выбором рабочей частоты и отстройкой от влияния электропроводности.

Таким образом, на величину ивыхв разработанном измерителе перемещений влияет только изменение расстояния от коллектора до датчика, определяющее, в свою очередь, и чувствительность схемы. Следует также отметить, что, хотя изменение индуктивности датчика с изменением зазора происходит по экспоненте, всегда можно выбрать участок характеристики датчика, где зависимость и вых от зазора будет практически линейной.

Необходимая разрешающая способность для различения отдельных коллекторных пластин достигается экранировкой токовихревого датчика и использованием ферритового концентратора для локализации электромагнитного поля. В случае использования емкостного датчика последний изготовляется с охранным кольцом, что позволяет устранить краевой эффект и тем самым обеспечить необходимую разрешающую способность.

На рис. 2 приведена зависимость ивЫх от изменения зазора между коллектором и емкостным датчиком для установочного зазора 310 мк.

При этом на зазоре 370 мк ивых равно нулю и дальнейшее увеличение зазора связано с изменением полярности выходного сигнала. Как видно из рис. 2, разработанный прибор обеспечивает хорошую линейность характеристики преобразования и постоянную высокую чувствительность 10 ти/мк в диапазоне ожидаемых изменений поверхности коллектора.

На рис. 3 приведена развертка профиля коллектора машины П-42, снятая с помощью вышеописанного профилометра. Из рис. 3 видно, что профилометр обеспечивает хорошую разрешающую способность и дает возможность различить соотносительное выступание как группы пластин, так и двух рядом лежащих пластин. При необходимости увеличить разрешающию способность прибора обкладка емкостного датчика может быть сведена к точечному щупу.

Таким образом, обобщая вышеизложенное, можно сказать, что разработанный авторами профилометр во многом свободен от недостатков ранее предлагавшихся профилометров и обладает высокой чувстви-

Рис. 2. Зависимость иВых от зазора.

Рис. 3. Профилограмма коллектора машины П-42.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Скорое пешкин, Л. Я 3 и кн. ер, А. И. Прошин. Прибор для исследования механических факторов в коллекторных электрических машинах. Известия ТПИ, том 160, 1967.

2. Л. Я. 3 и ннер, А. И. Скор ос пешкин. Мостовой црибор для исследования динамики 'коллекторов электрических машин Известия ТПИ, том 160, 1966.

3. К. К. Н а м и т о к о б, В. Ф. Ч е п у ,р а, В. Г. Брези.некий. Прибор для исследования динамических изменений формы поверхности коллекторов электрических машин. Электромеханика, № 1, 1966.

4. Ю. М. Ш к а р л е т. Неразрушающие методы контроля материалов и изделий. Оптиприбор, 1964.

5. В. В. Клюев. Некоторые водросы расчета высокочастотных накладных датчиков вихревого тока. Дефектоскопия, № 4, 1966.

6. И. И.'Кифер, В. С. Фастрицкий. О выборе режимов работы накладного датчика, расположенного над ферромагнитным полупространством. Дефектоскопия, № 4, 1966.

7. В. С. Соболев. О выборе параметров датчиков для. бесконтактных измерений электропроводности материалов методом вихревых токов. Измерительная техника, № 3, 1964.

8. П. Л. Калан та ров, Л. А. Цейтлин. Расчет индуктивностей. Гос-энергоиздат, 1955.