Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном производстве наличие и качество приборов контроля в значительной мере определяет производительность труда, качество и надежность выпускаемой продукции, поэтому их количество непрерывно возрастает. Как отмечено на европейской конференции «Евросенсор -IV», только в странах Западной Европы было выпущено около 3000 типов средств контроля на сумму 8 млрд. германских марок в год.
Значительную часть производственных задач контроля
составляет контроль линейно-угловых величии.
Так как в приборах контроля микроперемещений преобразование информации обычно производится в одном направлении, то их обобщешгую структурную схему можно представить в виде последовательно включенных первичного измерительного преобразователя и измерительного устройства. Поэтому разработка приборов контроля линейно-угловых перемещений и, в частности, микроперемещений, включает в качестве первого звена получение первичной измерительной информации о параметрах технологического процесса.
Приходится констатировать, что из «всей цепочки получения, обработки и использования информации до сих пор наиболее слабым остается именно первое звено. На фоне бурного развития средств переработки и использования информации (вычислительной техники, кибернетики, робототехники и т.п.) такое отставание основных узлов приборов контроля микроперемещений особенно заметно. Конечно, успехи в создании вычислительных устройств, в особенности широкое внедрение микропроцессорных комплексов, в определенной мере способствуют улучшению характеристик первігчньїх измерительных преобразователей (линеаризация, периодическая поверка и коррекция передаточных характеристик, реализация совокупных и совместимых измерений и т.д.). Однако этим путем вряд ли возможно решить упомянутую проблему совершенствования приборов контроля микроперемещений.
Перспективным направлением следует считать разработку и
широкое внедрение в приборах контроля таких первичных
измерительных преобразователей (далее первичных
преобразователей), которые основаны на простых, хорошо изученных физических принципах, на принципиально линейных зависимостях «вход-выход», инвариантных по своей природе к влиянию
неблагоприятных внешних воздействий, легко поддающихся
расчету и воспроизведению, в том числе при массовом и серийном производстве, совершающих минимальное число измерительных преобразований в тракте, несложных в изготовлении, наладке и настройке. К числу таких перспективных устройств, пригодных для решения широкого круга задач контроля микронеремещсний, можно отнести емкостные первичные преобразователи.
Среди основных трудностей, сдерживающих развитие этой области приборов контроля, следует отметить сложность создания линейного электростатического поля в рабочей области первичного преобразователя. Вместе с тем характеристика емкостного первичного преобразователя микроперсмещеннй может быть строго расчетной. Точный аналитический расчет его метрологических характеристик может быть осуществлен на основе весьма эффективного метода непосредственного определения напряженности поля, предложенного профессором АЛ. Сочневым и методик, сформулированных М.Г. Струнским, М.М. Горбовым, П.И. Госьковым, В.В. Евстигнеевым, О.И. Хомутовьш и Г.М. Горбовой.
Следует отметит*,* что большинство нерешенных задач при преобразовании линейных величин в производственных условиях связано с бесконтактными микроперемещениями заземленных поверхностей (толщина фолы и лент, форма изделий, давление веществ в трубопроводе, вибрация и деформация изделий и др.).
Емкостные первичные преобразователи делятся на два вида:
двухэлектродные и трехэлектродные. Преимуществами
трехэлектродных первичных преобразователей перед
двухэлектродными являются высокая стабильность,
помехоустойчивость и нечувствительность к различного рода влияющим величинам.
Из трехэлектродных первичных преобразователей наилучшую линейность имеет первичный преобразователь с копланарными электродами. Однако этот преобразователь имеет низкую абсолютную чувствительность. От указанного недостатка свободен первичный преобразователь, основанный на изменении краевой емкости плоского конденсатора, т.е. П-образного первичного преобразователя, имеющий более высокую линейность статической характеристики, чем первичный преобразователь, выполненный в виде плоского конденсатора, но уступающий по этому показателю первичному преобразователю с копланарными электродами.
Работа по теме диссертации выполнялась по договорам с Государственным оптическим институтом им. СИ. Вавилова и Выксунским металлургическим комбинатом.
Целью настоящей работы является совершенствование
приборов контроля микроперемещений с использованием емкостных
первичных преобразователей через аналитические исследования
емкостного П-образного первичного преобразователя
микроперемещений и разработка на основе этих исследований приборов контроля с первичным преобразователем, имеющим линейную статическую характеристику.
Идея работы: к известному нелинейному П^образному первичному преобразователю параллельно подключается такой дополнительный емкостной первичный преобразователь, при котором зависимость общей емкости первичного преобразователя от перемещения будет практически линейной.
Для достижения поставленной цели, исходя из идеи работы, можно сформулировать в настоящей работе следующие задачи:
1. Рассчитать емкость дополнительного первичного
преобразователя.
2. Произвести анализ емкостей П-образного и дополнительного
первичгалх преобразователей микроперемещений и выбрать условия,
при которых зависимость общей емкости первичного преобразователя от перемещения линейна.
3. Исследовать погрешность от линеаризации (аппроксимации)
статической характеристики П-образного первичного преобразователя
с дополнительными электродами при нормальных значениях ' -влияющих величин.
4. Определить выражения для емкостей и погрешностей от
линеаризации первичного преобразователя с дополнительными
электродами с учетом различных влияющих величин.
5. Разработать методику проектирования первичного
преобразователя микроперемещений с дополнительными электродами.
-
Провести эксперименталыгую проверку методик расчета и проектирования первичных преобразователей.
-
Создать на основе проведенных исследований совершенные приборы контроля микроперемещений.
Для решения поставленных задач применялся метод конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля. Экспериментальные исследования выполнялись на приборах и специально изготовленных стендах.
Научная повита выполненных исследований и разработок заключается в следующем:
1. Методом конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля получена точная формула для
расчета емкости модели первичного преобразователя
микроперемещений с дополнительными электродами.
2. Дан анализ емкостей П-образного и дополнительного
первичных преобразователей и выбраны условия, при которых их
суммарная емкость характеризуется линейной зависимостью от
перемещения.
3. Исследована погрешность приборов контроля от линеаризации
статической характеристики полученного линейного преобразователя.
-
Рассчитаны емкости и погрешности приборов контроля от линеаризации первичного преобразователя с дополнительными электродами с учетом различных влияющих величин.
-
Предложена методика проектирования приборов контроля на основе линейного П-образного первичного преобразователя микроперемещений с дополнительными электродами с приведенной погрешностью 0,026%; на конструкцию преобразователя получен патент.
Автор защищает:
1. Результаты теоретических и аналитических исследований линейного емкостного П-образного первичною, преобразователя микроперемещений с дополнительными электродами.
2. Расчеты емкостей и метрологических характеристик линейного
первичного преобразователя микроперемещений с учетом различных
влияющих величин. * -
3. Конструкцию, технологию изготовления, расчет и
разработанную методику проектирования линейного первичного
преобразователя микроперемещений с приведенной погрешностью
0,02% в приборах контроля микропремещений.
Практическая ценность приведенной научно-
исследовательской работы:
1. Полученные выражения и таблицы с численными значениями
позволяют с малой погрешностью определять параметры линейного
первичного преобразователя микроперемещений.
2. Разработана конструкция линейного первичного
преобразователя микроперемещений с изготовлением электродов
методом фотолитографии для приборов контроля микроперемещений.
3. Предложенные методики расчета емкостей сложных
плоскопараллельных систем могут быть использованы при расчете
образцовых конденсаторов и резисторов, конструировании печатных
плат, интегральных схем, электрокондуктометров и других устройств.
Реализация результатов работы. На основе разработанного
линейного первичного измерительного преобразователя
микронеремещений, защищенного патентом на изобретение,
7 Барнаульским ОКБА НПО «Химавтоматика» разработаны, изготовлены и переданы Государственному оптическому институту им. СИ. Вавилова экспериментальные образцы прибора для контроля перемещений с диапазоном ± 400 мкм и приведенной погрешностью 0,1%, и с диапазоном ± 500 мкм и приведенной погрешностью 0,02%, а НТЦ «Ангстрем» Алтайского филиала ИА РФ, поставлены Выксунскому металлургическому заводу два прибора контроля объема (толщины) пористой металлической ленты Микрон-3 с абсолютной погрешностью измерения 0,02 г /см3.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы
докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах
кафедры «Информационные технологии» и кафедры «Теория
электромагнитного поля и электроэнергосбережения» Алтайского
государственного технического университета им. И.И. Ползунова,
докладывались на научно-технической конференции «Измерения и
контроль при автоматизацію производственных процессов» (г.
Барнаул, 1997 г.), Всесоюзной научно-технической конференции
«Методы и средства измерения физических величин» (г. Нижний-
Новгор'од, 1998 г.), международном конгрессе
«Биоэнергоинформатика» (г. Барнаул, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Датчик 98» (г. Москва), 6-й Всероссийской научно-технической конференции Московского государственного технического университета им. Баумана (г. Москва; 1999 г.), 57-й научно-технической конференции АлтГТУ (г. Барнаул, 1999 г.).
Публикации. По материалам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 12 печатных работ, получен патент на изобретение.
Объем и структура работы. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, включая рисунки на 12 страницах, состоит из введения, грех глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и приложений. Содержание работы.
