Прецизионный измеритель перемещения

Один из перспективных путей создания высокоточных приборов контроля перемещения - использование индуктивных преобразователей с цифровым отсчетом результата измерения. Известны индуктивные измерители линейного перемещения, в которых с целью повышения чувствительности использован фазочувствительный детектор на транзисторах. Такие преобразователи имеют повышенный коэффициент передачи только вблизи точки равновесия измерительного моста, а в остальной части измерительного интервала они сравнимы по чувствительности с традиционными устройствами.

Описаны устройства для контроля перемещения, в которых обмотки датчика включены в измерительный мост с балластными резисторами. Такие устройства без точной настройки и оптимизации режима работы не обеспечивают высокой точности и стабильности результатов измерения. Известны также частотные индуктивные преобразователи с обмотками, включенными в колебательный контур генератора высокой частоты. Частота выходного сигнала таких преобразователей пропорциональна измеряемому перемещению. Подобные устройства также не имеют преимуществ по чувствительности в сравнении с другими.

В Институте геотехнической механики АН УССР разработан и исследован простой индуктивный измеритель перемещения, обеспечивающий высокую чувствительность, точность и стабильность результатов измерения при изменении параметров его элементов. Индуктивный измеритель перемещения (см. схему на рис. 1). содержит преобразователь с дифференциальными обмотками LI, L2, кольцевой диодный детектор VD3-VD6, выходной индикатор Р1, генератор прямоугольного напряжения на транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе Т1.

Параллельные цепи последовательно соединенных дифференциальных обмоток LI, L2,индуктивного датчика и конденсаторов С1, С2 измерительного моста включены в цепь положительной обратной связи генератора. Такое включение автоматически обеспечивает работу преобразователя перемещений в резонансном режиме, то есть когда индуктивное сопротивление скомпенсировано емкостным и полное сопротивление каждой цепи практически равно активному сопротивлению обмоток. Через измерительный мост протекает переменный ток, по форме близкий к синусоидальному, поскольку добротность контура весьма высока. Благодаря наличию диодов VD1, VD2 ток контура непосредственно протекает через эмиттерный переход открытого в соответствующий полупериод транзистора генератора. Второй транзистор в это время закрыт.

Генератор прямоугольных импульсов работает практически без нагрузки, поэтому при его запуске ток в контуре, начиная с первого же такта, достигает установившегося значения. Транзисторы работают без смещения, что обеспечивает их переключение вблизи момента перехода тока контура "через нуль", т. е. преобразователь работает в резонансном режиме, при котором чувствительность измерителя перемещения максимальна.

На рис. 2 схематически изображена конструкция собственно датчика измерителя. Катушки L1 и L2 размещены на двух Ш-образных элементах 2 маг-нитопровода, установленных с зазором. В зазоре между элементами размещен якорь 1, изготовленный в виде пластины из ферромагнитного материала, Якорь механически связывают коромыслом 3 с перемещающимся звеном контролируемого механизма.

Для определения вида математического выражения, определяющего выходной ток преобразователя In, проведены необходимые теоретические исследования, в результате которых получена следующая упрощенная формула:

In=(0,9Um/ХL+R) * (AwLo/(V(AwLo)2+r2)
где Um - амплитудное значение напряжения питания,
XL-индуктивное сопротивление одной катушки преобразователя, R- сопротивление микроамперметра Р1;
A=dh/h - отношение смещения якоря к зазору между якорем и полюсом магнитопровода в исходном положении (см. рис. 2).
L( ) - индуктивность одной катушки при среднем положении якоря, r - активное сопротивление одной катушки (r1=r2);
w - угловая частота генератора.

Экспериментальные исследования преобразователя подтвердили достоверность полученного выражения. Для проверки работоспособности и технических характеристик индуктивности измерителя перемещения проведены лабораторные испытания нескольких макетных образцов в комплексе измерительной системы микробарометра. Установлено, что надежный запуск и устойчивая работа генератора обеспечиваются при напряжении источника питания 0,3 В и более при температуре в пределах от -5 до +50 °С. Работа измерителя при более низкой температуре не проверялась.

Основные факторы, дестабилизирующие работу преобразователя,- изменение напряжения питания и температуры. Поэтому питать преобразователь следует от стабилизатора напряжения. Температурная погрешность устройства в интервале от +5...40°C не превышает 5% на каждые 10°С, причем смещение нулевой точки отсутствует, что особенно важно при использовании преобразователя для индикации рассогласования в компенсационных измерительных системах.

Чувствительность измерителя изменяется незначительно при изменении емкости конденсаторов измерительного моста в пределах от 0,01 до 0,18 мкФ (рис. 3). При этом автоматически устанавливается резонансная частота, определяемая параметрами последовательных LC-цепей. Изменение индуктивности каждой из обмоток, вызванное перемещением якоря в рабочем зазоре, не превышает 10 % номинального значения. Поскольку смещение якоря от нейтрального положения вызывает увеличение индуктивности одной из обмоток и уменьшение индуктивности другой на одно и то же значение, то резонансная частота практически не изменяется. От напряжения питания она зависит очень слабо. Результаты экспериментальных исследований показывают, что при изменении напряжения питания на 33 % уход частоты не превышает 0,25 %.

Описанный измеритель отличается от известных простотой устройства, экономичностью, высокими метрологическими характеристиками и с успехом применяется в высокоточных микробарометpax, выпускаемых рижским опытным заводом "Гидрометприбор". Он может быть использован при точных измерениях перемещения и в других областях техники.

Основные технические характеристики
Рабочий интервал перемещения, мм   +-0,5 
Разрешающая способность, мм, не хуже .........  1Е10-7 
Температурная погрешность, мм/°С 3Е10-3 
Потребляемая мощность, Вт. . . 7Е10-3

Трансформатор Т1 генератора намотан на магнитопроводе Ш4х4 из феррита 2000НМ и содержит три обмотки по 100 витков провода ПЭВ-1 0,12. Катушки L1, L2 датчика состоят из 500 витков провода ПЭВ-1 0,12 каждая. Магнитопровод датчика - два блока Ш4х4 из феррита 2000НМ. Индикатор Р1 - микроамперметр М4205 с током полного отклонения стрелки 30 мкА и нулем посредине шкалы.

Обе части магнитопровода датчика с катушками крепят к основанию посредством специальных скоб с винтами, позволяющих изменять величину воздушного зазора. Его устанавливают с помощью калиброванных пластин. Якорь датчика изготовлен из пермаллоя и имеет сечение 5х0,3 мм.

В преобразователе могут быть использованы практически любые маломощные транзисторы и диоды. Однако применение кремниевых приборов связано с увеличением падения напряжения на р-n переходах, что требует увеличения напряжения питания.

При номиналах и типах элементов. указанных на схеме рис. 1, измеритель потребляет ток около 5 мА, а его чувствительность при воздушном зазоре 2h= 1 мм в магнитопроводе датчика и сопротивлении микроамперметра 0,5 кОм равна 3,5 мкА/мкм, что почти в десять раз превышает чувствительность известных датчиков при равнозначных начальных условиях и соответствует требованиям прецизионных измерений перемещения подвижных элементов барометрических приборов. При использовании описанного прибора в компенсационных измерительных системах стабилизировать напряжение питания не требуется.

РАДИО № 5. 1986 г.