Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы построения датчиков перемещения плунжера гидроцилиндра 10
1.1. Гидросистемы как объект автоматизации 10
1.2. Основные требования, предъявляемые к датчикам перемещения плунжера гидроцилиндра 16
1.3. Обзор электромагнитных датчиков перемещения плунжера гидроцилиндра 17
1.4. Конструкция недифференциального электромагнитного датчика перемещения 27
Выводы 30
Глава 2. Математическая модель электромагнитной системы датчика перемещения 31
2.1. Особенности электромагнитной системы датчика перемещений 31
2.2. Эквивалентная электрическая схема замещения электромагнитной системы датчика 34
2.3. Определение полного эквивалентного импеданса измерительной обмотки 37
2.4. Коэффициент использования длины датчика 45
2.5. Определение функции взаимной индуктивности измерительной обмотки 53
2.6. Определение параметров компенсационной катушки 59
ВЫВОДЫ 61
Глава 3. Анализ электромагнитной системы датчика как электрической линии 62
3.1. Схема замещения электромагнитной системы датчика в виде электрической цепи с распределенными параметрами 62
3.2. Функция преобразования датчика на основе уравнения для входного импеданса эквивалентной электрической линии 69
3.3. Основная схема включения обмоток датчика 72
3.4. Выходная статическая характеристика датчика 76
3.5. Определение погрешностей функции преобразования 78
3.5.1. Нелинейность статической характеристики 78
3.5.2. Дополнительные погрешности датчика 79
3.5.3. Расчет температурной зависимости параметров электромагнитной системы датчика 83
3.5.4. Динамическая погрешность обусловленная генераторной
э.д.с 87
ВЫВОДЫ 90
Глава 4. Принципы построения электронного модуля для недифференциальных электромагнитных датчиков перемещения
4.1. Особенности схемотехники электронного модуля 91
4.2. Функциональная схема электронного модуля с синусоидальной несущей 92
4.3. Функциональная схема электронного модуля с прямоугольной несущей 98
4.4. Функциональная схема электронного модуля с непосредственным преобразованием в цифровой эквивалент 109
ВЫВОДЫ 115
Глава 5. разраБотка, экспериментальное исследование и практическое использование датчика
5.1. Типовой ряд датчиков перемещения с интегрированным электронным модулем 114
5.2. Схемотехническая реализация 125
5.3. Экспериментальное исследование статической характеристи ки датчиков 134
ВЫВОДЫ 142
Основные результаты и выводы работы 143
Литература
- Обзор электромагнитных датчиков перемещения плунжера гидроцилиндра
- Коэффициент использования длины датчика
- Функция преобразования датчика на основе уравнения для входного импеданса эквивалентной электрической линии
- Функциональная схема электронного модуля с синусоидальной несущей
Введение к работе
Актуальность темы. Объемный гидропривод является одним из наиболее эффективных средств автоматизации производственных процессов в самых различных отраслях современного машиностроения. При этом современный объемный гидропривод рассматривается как комплексная функциональная система, включающая как исполнительную (гидроцилиндр), так и информационно-управляющую части (система датчиков, электронные устройства для приема и преобразования их сигналов, приборы функционального управления, микропроцессорные средства управления), т.е. интеллектуальную часть привода, функционирующую по соответствующим программам и законам управления.
Основные тенденции развития силовых гидроцилиндров направлены на разработку конструкций гидроцилиндров с интегрированными датчиками перемещения плунжера, что позволяет обеспечить встроенный контроль и реализовать требуемые законы управления. Сложность поставленной задачи обусловлена тем, что конструкция датчиков должна предусматривать возможность их интеграции непосредственно в гидравлический цилиндр без изменения его конструктивно-технологических и массогабаритных параметров. При этом обеспечение долговременной стабильности и точности датчиков существенно осложняется широким диапазоном изменения внешних влияющих факторов (температура, давление, вибрации, агрессивная среда) и отсутствием возможности настройки характеристик датчика в эксплуатационных условиях [21, 111].
Анализ технической и патентной литературы показал, что наибольшее распространение для этой цели получили электромагнитные датчики в силу присущих им достоинств, таких как высокая чувствительность, широкий температурный диапазон работы, простота схемотехнической реализации. Однако малый коэффициент использования (отношение диапазона измерений к длине датчика) ограничивает область их применения гидравлическими цилиндрами с ходом плунжера орядка десятков миллиметров. Как правило, такие датчики устанавливаются вне гидравлического цилиндра, аксиально или параллельно его оси, а подвижный элемент механически соединяется с плунжером гидроцилиндра. Интеграция датчиков непосредственно в гидравлический цилиндр требует применения специальных защитных трубок, герметично разделяющих области обмоток датчика и его подвижный элемент, находящийся в зоне давления. В обеих случаях необходима хорошая центровка подвижного элемента датчика относительно его корпуса во избежании возникновения трущихся сопряжений, снижающих надежность работы датчика.
Для наиболее востребованного диапазона от 100 до 600 мм известные датчики не удовлетворяют всей совокупности требований, связанных со спецификой их применения в гидроцилиндрах.
Анализу и синтезу электромагнитных датчиков перемещения посвящены известные исследования отечественных и зарубежных ученых, среди которых следует отметить труды Агейкина Д.И., Туричина A.M., Куликовского Л.Ф., Зарипова М.Ф., Белого М.И., Конюхова Н.Е., Мартяшина А.Н., Урак-сеева М.А., Loos H.R, Haug A., Juttemann Н. Способы построения схем преобразования параметров электромагнитных датчиков в электрический сигнал (напряжение, ток, частота, фаза, цифровой эквивалент) подробно рассмотрены в работах Карандеева К.Б., Шляндина В.М., Скрипника Ю.А., Гутникова В.А., Шахова Э.К., Домрачева В.Г., и др.
Однако, несмотря на многочисленные работы, в которых рассмотрены различные аспекты построения электромагнитных датчиков перемещения существует необходимость дальнейшего их совершенствования прежде всего с точки зрения минимизации габаритов, унификации конструктивного исполнения и схемотехнических решений. Особого внимания требует разработка способов компенсации влияния температуры окружающей среды и ее градиента вдоль диапазона измерений.
С учетом вышесказанного разработка специализированных датчиков перемещения для гидравлических цилиндров является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромагнитных датчиков перемещения плунжера в системах управления гидравлическим приводом, обеспечивающих конструктивную и информационную унификацию, обладающих повышенным коэффициентом использования, линейностью выходной характеристики, температурной стабильностью.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
1. Сравнительный анализ известных методов построения электромагнитных датчиков перемещения для гидроцилиндров.
2. Разработка недифференциальных конструкций датчиков перемещений с подвижным элементом в виде протяженного проводящего экрана.
3. Построение математической модели электромагнитной системы датчика, учитывающей распределенный характер ее параметров и конструктивно-технологические особенности.
4. Определение условий достижения максимального коэффициента использования и температурной компенсации датчика.
5. Экспериментальное исследование опытных образцов датчиков перемещения.
Методы исследований, представленные в диссертационной работе, базируются на основе теории электрических цепей и сигналов, электромагнитных систем с распределенными параметрами, переходных процессов, операционного исчисления, теории погрешностей. Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных и эксплуатационных условиях. Исследования проводились на афедре электротехники СГАУ и в лаборатории измерительной техники фирмы Micro-Epsilon Messtechnik (Германия).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена математическая модель электромагнитной системы датчика, схема замещения которой представлена в виде каскадного соединения двух электрических линий переменой длины, соответствующих открытой и экранированной частям обмотки. Параметры этих линий рассчитывались с учетом электромагнитного взаимодействия элементов конструкции датчика.
2. На основе полученного выражения для импеданса измерительной обмотки найдена функция преобразования датчика в аналитическом виде, позволившая оценить степень нелинейности выходной характеристики и дополнительные погрешности датчика.
3. Получена зависимость коэффициента использования от параметров сердечника, геометрических размеров и характера экранирования обмотки, теоретически обоснован выбор их значений для обеспечения максимального коэффициента использования.
4. Выявлены условия эффективной температурной компенсации датчика, основанной на использовании распределенной компенсационной обмотки, соединенной с измерительной обмоткой по логометрической схеме.
Практическую ценность работы представляют:
1. Базовая конструкция датчика перемещения с интегрированным электронным модулем, обладающая высоким коэффициентом использования, линейностью выходной характеристики, температурной стабильностью.
2. Созданный ряд датчиков перемещения с диапазонами измерения от 100 до 600 мм, унифицированный по информационным, метрологическим и конструктивным характеристикам.
3. Разработанная схема включения обмоток датчика, обеспечивающая линейное преобразование изменения импеданса измерительной обмотки в выходной сигнал и компенсацию влияния температуры.
4. Рекомендации по выбору конструктивно-технологических параметров датчиков, на основе которых организовано их серийное производство фирмой «Micro-Epsilon Messtechnik» (Германия).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель электромагнитной системы датчика учитывающая распределенный характер ее параметров и особенности конструктивно-технологического исполнения.
2. Расчетные соотношения для определения коэффициента использования длины датчика с учетом параметров его электромагнитной системы и требуемой линейности выходной характеристики.
3. Функция преобразования, полученная с использованием уравнения для входного импеданса эквивалентной электрической линии.
4. Схемотехническая реализация, обеспечивающая высокую степень линейности выходной характеристики датчика, компенсацию влияния температуры и ее градиента.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на X научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Гурзуф, 1998г.); на XI конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2001г.); на XII конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002г.); на III Международной конференции молодых ученых и студентов, (г. Самара 2002г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ в научных журналах, научных сборниках, тезисы докладов, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 167 страницах, содержит 67 рисунков и 10 таблиц.
Обзор электромагнитных датчиков перемещения плунжера гидроцилиндра
Применение электромагнитных датчиков в гидравлических цилиндрах сопряжено с удовлетворением ряда противоречивых требований, определяющих функциональный состав и конструкцию устройства.
Условно технические требования, предъявляемые к датчикам в гидроцилиндрах, можно разделить на следующие группы: функционально-точностные, конструктивно-технологические и эксплуатационные [50].
Первую группу составляют функционально-точностные требования, к которым относятся требования к диапазону измеряемых величин, полосе частот, быстродействию, соотношению уровней полезного сигнала и помех, точности. Наиболее важными являются точностные требования, лимитирующие погрешности датчика в заданных условиях эксплуатации. Сюда относятся: статические погрешности функции преобразования датчика, дополнительные погрешности, вызванные влиянием дестабилизирующих факторов, случайные и динамические погрешности.
Группа конструктивно-технологических требований включает в себя: регламентацию габаритно-весовых показателей устройства, посадочные размеры, использование в максимальном объеме унифицированных узлов, упрощении технологии изготовления. Эксплуатационные требования призваны обеспечить высокую надежность работы датчика в системе, упрощение профилактического контроля параметров устройства, безопасность и низкую стоимость эксплуатации.
В качестве примера рассмотрим основные параметры гидроцилиндров являющихся составной частью исполнительных механизмов сельскохозяйственных машин. В этом случае необходимо контролировать перемещение поршня гидроцилиндра в диапазоне порядка сотен миллиметров, частотный диапазон перемещений лежит в пределах 0 — 100 Гц, а необходимый класс точности измерений составляет 0,2 — 0,5 %. Аппаратура эксплуатируется при температуре окружающей среды -40 +85 С, относительной влажности 30 — 100%, уровне солнечной радиации до 4 10 Дж/м ч. Датчики должны быть устойчивы к вибрациям с амплитудой до 1 мм в диапазоне частот 0,1 —10 Гц, ускорениям до 2,5 см/с при частоте 0,1 — 90 Гц, к тряскам (ударам) с ускоре-нием до 50 м/ с частотой до 2 Гц [49].
На основе проведенных исследований обобщены параметры датчиков перемещения, обусловливающие возможность их применения в гидравлических цилиндрах: 1. Широкий динамический диапазон измерений, лежащий в пределах от десятков до тысяч миллиметров 2. Коэффициент использования (отношение диапазона измерения к длине) 0,8-0,9 3. Нелинейность статической характеристики - +/-0,2—1% 4. Разрешающая способность +/-0,05%) от диапазона измерения 5. Частотный диапазон (от статики до сотен герц) 6. Работа в условиях статических и динамических давлений (до 400-600 Атм.) 7. Температурный диапазон - 40 4- + 85 С 8. Работа в условиях агрессивных сред 9. Наличие протяженной линии связи (датчик — устройство управления) до 200 м 10. Легкость встраивания в цилиндр 11. Отсутствие трущихся сопряжений 12. Надежность
Электромагнитные датчики, используемые в настоящее время для определения положения плунжера гидроцилиндра, отличаются между собой конст руктивным исполнением, схемотехнической реализацией и метрологическими характеристиками [21, 22, 50, 109].
Наиболее перспективным является использование так называемых недифференциальных конструкций электромагнитных датчиков перемещения. На рис.1.4а,б схематично показано выполнение электромагнитных систем таких датчиков соответственно с подвижным сердечником и подвижным экраном.
Датчик, изображенный на рис. 1.3а, содержит однослойную измерительную обмотку (1), намотанную на пластиковый каркас (2) и помещенную в цилиндрический корпус (3). Подвижным элементом служит подвижный сердечник 4, выполненный из магнитного материала, который перемещается внутри катушки в продольном направлении.
Другой вариант выполнения датчика приведен на рис. 1.46. Он также имеет только одну однослойную измерительную катушку (1) равномерно рас пределенную вдоль цилиндрического каркаса (2) из пластика, внутри которого помещен ферромагнитный сердечник (5). Катушка находится в корпусе (3) из немагнитного материала (нержавеющая сталь) толщина стенки которого выбирается в зависимости от величины давления в гидроцилиндре. Подвижным элементом служит трубка (4) из немагнитного материала (алюминий), которая перемещается в продольном направлении и охватывает измерительную обмотку (1).
Заметим, что использование в качестве подвижного элемента сердечника из ферромагнитного материала с достаточно высокой магнитной проницаемостью ограничивает возможности использования датчиков на их основе (рис. 1.4а), вследствие изменения магнитных свойств материала в условиях воздействия вибраций и ударных нагрузок. В этой связи конструкция датчика изображенного на рис.1.46 является более предпочтительной, т.к. выполнение его подвижного элемента из алюминиевых сплавов (например, AlMgS105) является более технологичным и его электрические свойства не подвержены побочным эффектам при эксплуатации в тяжелых условиях.
Использование неферромагнитных подвижных элементов позволяет отнести такие датчики к классу токовихревых [120].
Ряд производителей разрабатывают датчики перемещения на основе рассмотренных выше конструкций (рис1.4а,б). Эти датчики отличаются друг от друга конструктивным исполнением, видом подвижного элемента, схемотехнической реализацией электронного модуля, используемыми методами температурной компенсации.
Коэффициент использования длины датчика
При выбранной схеме включения датчика импеданс его измерительной обмотки служит основой для формирования выходной характеристики. Как показано в предыдущем параграфе, при определенных допущениях эквивалентный импеданс измерительной обмотки является линейной функцией положения подвижного элемента. Главные из таких допущений - однородность магнитного поля по длине обмотки датчика и пренебрежение краевыми эффектами на ее концах. Если эти условия не соблюдаются, то погонная индуктивность не остается постоянной, что приводит к увеличению нелинейности функции преобразования при его фиксированной длине или к сокращению диапазона измерения при заданной погрешности. Чтобы оценить коэффициент использования длины датчика, т.е. отношение диапазона измерений к общей длине измерительной обмотки, необходим более точный расчет величины ее индуктивности с учетом реального потокораспределения по длине обмотки.
Для этих целей, аналогично [27], удобно использовать функцию взаимной индуктивности, отражающую электромагнитное взаимодействие витков обмотки, ее сердечника и защитной трубки. Функция взаимной индуктивности M(v-s) описывает магнитную связь между витками обмотки с координатами s и v (рис.2.9). Предполагая, что ток протекает через всю измерительную обмотку, индуктивность ее части длиной JC С учетом соотношений (2.73)- (2.76), определяется выражением / О О Л (v — вспомогательная переменная, имеющая смысл координаты произвольного витка обмотки на расстоянии v от ее начала). Функция (2.26) выражает характер изменения индуктивности по длине обмотки.
Для наглядности дальнейших выкладок введем приведенную индуктивность (по аналогии с относительной индуктивностью [18]) которую удобно выразить через безразмерные величины 2\m — l + e ) На рис.2.10 показаны графики функции Ln(z) для различных значений параметра т. В силу (2.74) производная L u{x) = dLu{x)ldx функции Lu(x), приведенная к значению в начале (или, что тоже самое на конце) обмотки, совпадает с приведенной величиной магнитного потока через сечение обмотки с координатой х: Графики функции Ф„(г) приведены на рис.2.11.
Учитывая физический смысл функции Фп(г), из сравнения графиков на рис.2.10 и рис.2.11 очевидно, что линейный участок кривой L„(z) соответствует сегменту обмотки с однородным магнитным полем (постоянным по величине магнитным потоком). Нелинейный характер изменения индуктивности на концах обмотки обусловлен краевыми эффектами, приводящими к неравномерному распределению поля в областях, примыкающих к концам обмотки.
Для того, чтобы оценить степень нелинейности функции Ln(z), воспользуемся стандартной методикой сравнения рассматриваемой зависимости с некоторой эталонной (градуировочной) прямой. В данном случае естественно принять в этом качестве прямую, проходящую через концы кривой L„(z) на отрезке [0,1], соответствующем длине обмотки в абсолютной координате л: є [О,/]. Уравнение такой градуировочной прямой — очень простое: g(z)=z, т.к. она проходит через точки (0,0) и (1,1). В силу (2.27) - (2.30) разность 2[m -\ + e ) «(і---) (2.31) имеет смысл отклонения функции Lu(x) от градуировочной прямой, приведенного к диапазону измерения индуктивности на отрезке [0,1]. Для измерительных обмоток реальных датчиков параметр т имеет значения порядка J О2, поэтому во всех предыдущих выражениях и далее можно пренебречь слагаемым ёт, а во втором корне в формуле (2.33) пренебречь единицей. Тогда из (2.33) имеем два значения координаты zm, симметричных относительно концов отрезка [0,1]: м1=-1п-, zv2=\ In-, (2.34) т 2 т 2 На рис.2.12 схематично показано расположение точек zmi и zm2, а на рис.2.13 зависимость zm] от величины параметра т. В силу симметрии кривой Ln(z) для нахождения степени нелинейности є достаточно подставить в (2.32) одно из значений zm, например zml: . ч /т[ 2 і 2 s = S(zM)= V (2.35) m — \ Характер зависимости є от значений параметра т иллюстрирует рис.2.14. При заданной степени нелинейности є0 є и длине обмотки, границы диапазона измерений и соответственно коэффициент использования определяются (в относительных единицах) координатами z0, для которых выполняется S(zo)=8o т.е. в силу (2.32) ZQ является решением уравнения 2(w -1) Очевидно, что (2.36) удовлетворяют четыре значения, однако физический смысл имеют лишь два из них z0j и z02, лежащие внутри отрезка [zmJ, zm2] симметрично относительно концов обмотки. В связи с этим достаточно найти одно из этих значений, например z0i, положив для наглядности
Функция преобразования датчика на основе уравнения для входного импеданса эквивалентной электрической линии
Основная схема включения обмоток датчика. Как было показано выше, входной импеданс измерительной обмотки линейно связан с положением подвижного элемента датчика. Поэтому схема включения измерительной и компенсационной обмоток должна, с одной стороны, обеспечивать линейное преобразование изменения импеданса измерительной обмотки в напряжение, а с другой стороны, должно выполняться условие температурной компенсации выходной характеристики датчика. Наиболее эффективно реализация этих требований может быть осуществлена на основе схемы преобразования импедансов (рис.3.4).
В этой схеме измерительная включается в цепь обратной связи операционного усилителя (ОУ), а компенсационная обмотка включена между инвертирующим входом ОУ и землей. Входной сигнал переменного тока с фиксированной амплитудой и частотой поступает на неинвертирующий вход ОУ, который, как известно является высокоомным и поэтому практически не нагружает источник входного сигнала [31, 45]. Выходной сигнал может непосредственно сниматься с выхода ОУ, либо с выхода дополнительного инструментального усилителя, входы которого соединены непосредственно с отводами измерительной обмотки (рис.3.46). Выходное напряжение для схемы (рис.3.4а) имеет вид ( z Ї i+ V Zk ) (3.40) и U выл U (3.41) а для схемы (рис.3.46) где Zu- комплексный импеданс измерительной обмотки, Zk — комплексный импеданс компенсационной обмотки.
Из соотношений (3.40) и (3.41) следует, что компенсационная обмотка является токозадающей, при этом выходной сигнал 1/вых пропорционален отношению импедансов измерительной и компенсационной обмоток. Величина тока, протекающего через последовательно включенные комплексные сопротивления измерительной и компенсационной обмоток определяется как i = Uml ZK, т.е. зависит от величины входного напряжения ОУ и значения ZK компенсационной обмотки. Соотношения (3.40) и (3.41) справедливы если коэффициент усиления ОУ не охваченного отрицательной обратной связью (ОС) стремиться к бесконечности (К — оо ) и при наличии ОС операционный усилитель находится в линейном режиме усиления. Это означает, что в любой момент времени должно выполняться неравенство и{вых)ж (Z. + Z,)% + (Л. + Я, )i (3.42) где и(еых)мах — максимальное выходное напряжение ОУ. Для эффективной работы схемы (рис.3.4) необходимо, чтобы Zk « (0,2 4- 0,25)Zu, а с другой стороны сумма (Zk +Zu)должна быть приемлема в качестве нагрузочного сопротивления ОУ. Таким образом, импеданс компенсационной катушки должен быть в 4-5 раз меньше импеданса измерительной катушки, что является также оптимальным с точки зрения конструктивно-технологического выполнения электромагнитной системы датчика. Так для датчиков с диапазоном измерений от 100 до 500 мм число витков компенсационной обмотки для выполнения условия Zu 4 -г- 5ZK составляет 12..16, а ее требуемая добротность обеспечивается выбором соответствующего диаметра намоточного провода.
Современные ОУ имеют высокое быстродействие и обеспечивают значительную величину тока нагрузки. Так, например ОУ TLE2142 имеет скорость нарастания выходного напряжения порядка 28 В/мкс, величину тока 50..80 мА и эффективно работает на индуктивных нагрузках при емкостях в сотни пикофарад.
Комплексное сопротивление Zu измерительной обмотки можно представить как Zu = Z0 + AZ, где ZQ - начальный импеданс измерительной обмотки в одном из крайних положений подвижного элемента (например, когда он полностью выведен из первичного преобразователя), AZ — сопротивление измерительной обмотки, обусловленное изменением положения подвижного элемента.
Если положение (перемещение) подвижного элемента характеризовать координатой х, отсчитываемой вдоль его оси от фиксированной точки (например, от края сердечника), то изменение сопротивления измерительной обмотки — функция от х, близкая к линейной: Z(x) = cx (3.43) где с - коэффициент пропорциональности, в основном определяемый начальным импедансом части измерительной обмотки, охваченной под 75 вижным элементом, a 2(0)=0. В этом случае выражение (3.31) принимает вид: /_ = \х (ZQ+cx) \ и (3.44) Число витков и диаметр провода дополнительной обмотки выбираются так, чтобы ее добротность равнялась добротности Q измерительной обмотки в начальном состоянии: X, Q=X Rn R,. (3.45) где R0, Хо и RK, Хк — активное и реактивное сопротивление измерительной и компенсационной обмоток соответственно. При этом выражение для начального выходного напряжения ивых имеет вид: =(1 + - -) = ґи R0+coL U = + R0(\ + a)LJR{ { Rk(\ + coLkIRk) (3.46) Основным фактором, влияющим на величину дополнительной погрешности, является температура. При этом зависимость активного сопротивления от температуры / имеет вид: R(t) = R(L)(\ + at) (3.47) где а - температурный коэффициент электрического сопротивления проводника, R(t0) - сопротивление при номинальной температуре (обычно при t=20 С).
Функциональная схема электронного модуля с синусоидальной несущей
Выходной сигнал последнего представляет собой ступенчатую функцию, которая фильтруется с помощью сглаживающего фильтра 2-го порядка. При числе ступеней на период, равном 16, в спектре сигнала на выходе СР содержится 15 гармоника (-24 ДБ) и семнадцатая гармоника (-25 ДБ). Принципиальная схема генератора синусоидального напряжения приведена в гл. 5. Одновременно с выхода ГПН снимается сигнал прямоугольной формы с уровнем TTL, достаточным для управления синхронным демодулятором СД.
Использование современных операционных усилителей с дифференциальным входом и парафазным выходом [108, 119] позволяет эффективно организовать схему включения измерительной и компенсационной обмоток датчика рис.4.2.
Функциональная схема включения обмоток датчика Сигнал Uex от генератора синусоидального напряжения требуемой амплитуды и частоты поступает на неинвертирующий вход ОУ1, при этом на его выходах образуются напряжения Ui и С/г, находящиеся относительно друг друга в противофазе. Ввиду того, что усилитель ОУ1 является относительно маломощным, его выходы соединяются с неинвертирующими входами ОУ2 и ОУЗ, в обратной связи которых включены измерительная и компенсационная обмотка. Сигнал U /(х) на выходе ОУ2 пропорционален отношению импедан-сов измерительной и компенсационной обмоток датчика, а сигнал U 2 и l/г и оба сигнала U i(d) и U 2 находятся в противофазе. Это позволяет осуществить установку нуля по переменному току в любой точке диапазона измерений. С этой целью сигналы U i(d) U2 суммируются с помощью ОУ4 каждый со своим коэффициентом передачи, определяемыми через Ro/R-i и R0/R2 соответственно. При этом сопротивление R2 выполняется переменным. Выходной сигнал может быть записан в виде:
Как было отмечено в главе 2 оптимальным, с точки зрения температурной компенсации, является равенство добротностей компенсационной и измерительной обмоток. При этом соотношение (4.2) запишется в виде:
Из 4.3 следует, что в этом случае фаза выходного сигнала совпадает с фазой входного сигнала, и с помощью переменного сопротивления R2, можно установит нуль Uebix(d) в требуемой точке диапазона измерений (например в положении, когда измерительная катушка полностью экранирована подвижным элементом). Для точной подгонки равенства добротностей измерительной и компенсационной обмоток целесообразно последовательно с компенсационной обмоткой включать дополнительный резистор R к с сопротивлением, не превышающим как правило несколько Ом. При этом в соотношении (4.3) вместо Rk должно быть записано (Rk +R О
Выходной сигнал суммирующего усилителя Ucy(d) = Ucymax xsin(&tf + if/), где \\f — фазовый сдвиг между сигналом на выходе ОУЗ и на входе ОУІ, подвергается синхронной демодуляции, и последующей фильтрации. Необходимость синхронной демодуляции Ucy(d), в отличие от обычной схемы детектирования сигнала или схемы, обеспечивающей выделение его амплитуды, вытекает из следующих соображений. Если сигнал Ucy{d) представить виде совокупности реальной КєОсу(сі)и мнимой части JmUcy{d), линейно связанных с положением подвижного элемента датчика, то его модуль запишется как: КИ = е2 u«oQ + х У + Jm2 (1 + mf = Re2UcyQ+Jm2Ucy0x aRQ2Ucy0+fiJm2Ucy0 a2 Re2 Ucy0 + f Jm2Ucy 2 (4-4) Re2 Ucy0 + Jm2Ucy0 Re2 Ucy0 + Jm2Ucy0
Из соотношения 4.4 видно, что несмотря на то, что реальная и мнимая компоненты сигнала Ucy(d) линейно связаны с координатой „d" , модуль изменяется нелинейно в функции „d", т.е. использование обычных схем детектирования оказывается неэффективной. Фазочувствительная синхронная демодуляция оказывает линеаризирующее воздействие на выходной сигнал схемы. Другой важной особенностью синхронного демодулятора является то обстоятельство, что с его помощью может быть эффективно выделена амплитуда полезного сигнала на фоне помех, воздействующих как непосредственно на электромагнитную систему датчика, так и на его электронный модуль [120].
Для целей синхронной демодуляции сигнала на выходе суммирующего усилителя ОУ4, возможно использование достаточно простой схемы (рис.4.3), содержащей аналоговый переключатель АК на два положения, конденсаторы С] и Сг, дифференциальный усилитель ДУ и фильтр нижних частот ФНЧ.
