Фазовый датчик линейных перемещений

О - частота вращения вала,

а - пространственный угол начального положения вала двигателя,

а - частота генератора, равная 10ж103 рад/сек.,

ф - начальная фаза колебаний выходного напряжения.

Напряжения с выходов датчиков подаются на электронный блок, реализованный на базе операционного усилителя типа ЬМ 32 4 N. Суммарный коэффициент усиления всех каскадов равен 100. Операционные усилители, применяемые в схеме усиления, имеют прямой дифференциальный вход, внутри частотную компенсацию при единичном усилении и защиту от короткого замыкания.

Напряжения с выходов сумматоров 1 и 2 (рисунок 1) величиной 0,5 В подаются на фазометр. В

качестве фазометра использован фазометр типа Ф 2-34.

В разработанной схеме реализована возможность настройки каскадов обработки сигналов подстроенными резисторами в зависимости от качества выходного сигнала.

Авторами решена задача разработки ИИС для измерения угловых перемещений и механических моментов на основе редукционного электромагнитного датчика, отличающаяся простотой построения и использования. Проведенные экспериментальные исследования ИИС для измерения угловых перемещений и механических моментов, построенной на базе опытного образца редукционного электромагнитного датчика с продольным магнитным полем, показали ее хорошие метрологические характеристики. Таким образом, данная модель ИИС крутящих моментов может быть использована в реальных установках.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гаврина О.В., Горячев В.Я., Голобоков С.В., Бростилова Т.Ю. Анализ двухфазного режима работы информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2013. т.1 - с. 164-166.

2. Горячев В. Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем: монография. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 308 с.

3. Горячев В.Я., Кисляков С.В., Бростилова Т.Ю. Анализ информационно-измерительной системы механических моментов // Надежность и качество сложных систем. - Пенза, 2017. №2 (18). с. 46-55.

УДК 53.084.2

Горячев В.Я., Шатова Ю.А., Абдирашев О.К., Бростилова Т.Ю.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан

ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Описана конструкция фазового электромагнитного датчика линейных перемещений с продольным бегущим магнитным полем. В основу функционирования электромагнитной системы (ЭМС) фазового датчика заложено изменение магнитной связи обмоток при изменении положения подвижного магнитопровода по отношению к неподвижной информационной линейке. В ЭМС входят также три обмотки, расположенные в пазах информационной линейки. Количество витков обмоток различно: у равномерно распределенной обмотки количество постоянно, у синусной и косинусной обмоток количество определяется соответствующими зависимостями. Предложенная авторами конструкция ЭМС датчика позволяет осуществлять его питание в однофазном или двухфазном режиме в зависимости от необходимости. При подаче напряжения на обмотку и перемещении магнитопровода создается бегущее магнитное поле, а начальная фаза выходного напряжения будет изменяться пропорционально расстоянию от начала информационной линейки до середины шунта. Отличительной особенностью рассматриваемого датчика от существующих фазовращателей является локальное взаимодействие обмоток.

Ключевые слова:

ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК, ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, МАГНИТОПРОВОД, МАГНИТНЫЙ ПОТОК, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

В связи с активным развитием робототехниче-ской промышленности и мехатроники, задача измерения линейных перемещений остается актуальной в течение длительного времени. Основным элементом информационно-измерительных и управляющих систем является датчик. Для измерения линейных перемещений практически в любых средах наиболее эффективным является использование фазовых электромагнитных датчиков с продольным бегущим магнитным полем.

Рисунок 1 - Конструкция фазового датчика

Конструкция фазового датчика представлена на рисунке 1. Информационная линейка датчика имеет цилиндрическую форму и состоит из трех частей. Верхний и нижний каркасы представляют собой раз-

резанный по продольной оси цилиндр, изготовленный из немагнитного материала, с пазами для размещения обмотки. Между ними расположен магнито-провод статора, состоящий из нескольких пластин электротехнической стали.

Информационная линейка помещена во внутреннюю полость сплошного кольца из ферромагнитного материала - магнитного шунта. Магнитный шунт перемещается по поверхности неподвижной информационной линейки. Между информационной линейкой и магнитным шунтом имеется воздушный зазор.

Форма магнитопровода представлена на рисунке

2.

Число витков «синусной» обмотки в зависимости от номера участка или зубца статора определяется по следующей формуле:

^ = Жт ЯП

где Ж к - количество витков синусной обмотки на участке к ;

п - количество активных участков информационной линейки (в конструкции датчика, приведенной на рисунке 1, магнитопровод статора имеет активных 16 участков);

Ж - максимальное количество витков обмотки, которое зависит от размеров паза и диаметра провода. Это значение выбирается проектировщиком датчика.

к - номер активного участка.

Рисунок 2 - Форма магнитопровода

В верхний и нижний пазы слева уложена обмотка, количество витков которой одинаково на всех участках информационной линейки. Эта обмотка получила название «равномерная». В правые пазы статора уложены «синусная» и «косинусная» обмотки.

Аналогичным образом определяется число витков «косинусной» обмотки в зависимости от номера участка или зубца статора:

(2ж,

кк

:Шт 8ШI—

где "хк ~ количество витков косинусной обмотки

на участке к .

Концы всех перечисленных обмоток выведены за корпус датчика.

В основу функционирования электромагнитной системы (ЭМС) фазового датчика заложено изменение магнитной связи обмоток при изменении положения подвижного магнитопровода или «магнитного шунта».

При отсутствии подвижного магнитопровода магнитная система статора однородна. При подаче на равномерную обмотку статора переменного напряжения определенной частоты ток этой обмотки создаст магнитный поток, сцепленный с витками синусной и косинусной обмотки. В любой момент времени магнитное поле информационной линейки будет однородным. Этот магнитный поток отдельных участков будет наводить в витках синусной и косинусной обмоток электродвижущую силу (ЭДС). Однако суммарная ЭДС витков всех участков синусной обмотки, обусловленная законом распределения витков, будет равняться нулю, т. е. взаимная индуктивность равномерной и синусной обмотки будет равняться нулю. Аналогичная магнитная связь между равномерной и косинусной обмоткой тоже будет равной нулю.

На рисунке 3 представлен поперечный разрез датчика в произвольной зоне без магнитного шунта и зоне наложения магнитного шунта на информационную линейку. Соответствующие магнитные потоки обозначены двумя силовыми линиями и величинами Ф1 и Ф2. Следует отметить, что удельный магнитный поток Ф1 на единицу длины информационной линейки будет весьма мал из-за того, что магнитное сопротивление эквивалентного воздушного зазора будет достаточно большим.

Рисунок 3 - Поперечный разрез датчика

На основе задания геометрических размеров ЭМС фазового датчика, можно определить законы распределения удельной магнитной проводимости по

длине магнитопровода у =/(X).

—м * '

Удельная магнитная проводимость в общем случае определяется по формуле:

М/и +1

/ в

где / - абсолютная магнитная проницаемость воздуха;

к - длина магнитного шунта;

к -

длина воздушного эквивалентного воздуш-

/

относительная магнитная проницаемость

материала магнитопровода и шунта.

Относительная магнитная проницаемость представлена в форме комплексного значения с целью отражения явления магнитной вязкости [4], представляющего собой преобразование кривой намагничивания в эллипс в слабых магнитных полях и при повышенных частотах перемагничивания. В этом случае возникает фазовый сдвиг фм между напряженностью и индукцией магнитного поля и тогда справедливым будет выражение для определения относительной магнитной проницаемости в виде отношения абсолютной магнитной проницаемости к проницаемости вакуума:

И= //о =И

¡Ф

ного зазора;

где / - абсолютная магнитная проницаемость.

Необходимость учета данного эффекта для определения параметров ЭМС датчиков более подробно описаны в монографии [2].

Параметры ЭМС на участке информационной линейки, свободной от действия магнитного шунта, и параметры ЭМС на участке информационной линейки с наложением магнитного шунта будут различны. В зоне действия магнитного шунта удельная магнитная проводимость скачкообразно возрастает по сравнению с зоной, свободной от влияния магнитного шунта, по причине нарушения однородности магнитопровода из-за увеличения в несколько десятков раз магнитной проводимости участка информационной линейки, перекрываемой шунтом. Удельный магнитный поток Ф2 (рисунок 3) в зоне расположения магнитного шута увеличивается в десятки раз. Результирующий магнитный поток равномерной обмотки будет зависеть от увеличения магнитного потока в зоне расположения шунта. Начальная фаза выходного напряжения будет определяться начальной фазой результирующего магнитного потока. При перемещении магнитного шунта начальная фаза выходного напряжения будет изменяться пропорционально расстоянию от начала информационной линейки до середины шунта.

Кроме того, в одном зубцовом делении удельная магнитная проводимость также не является постоянной величиной, а различается для области паза и зубца. Этот эффект обусловлен изменением величины воздушного промежутка / и длины активной

Выше рассмотрены электромагнитные процессы в датчике, у которого однофазное напряжение подано на «равномерную» обмотку. При наличии двухфазного генератора, напряжения на выходе которого равны по величине и сдвинуты по фазе на 90 градусов, на «синусную» и «косинусную» датчика можно подать двухфазное напряжение. «Синусная» и косинусная обмотки датчика, питаемые двухфазным напряжением, создают бегущее магнитное поле, силовые линии которого замыкаются в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения шунта.

Если магнитопровод информационной линейки однороден, т. е. его удельное магнитное сопротивление постоянно по всей длине линейки, то взаимная индуктивность «равномерной» обмотки, «синусной» и «косинусной» обмоток будет равна нулю и напряжение на выходе равномерной обмотки тоже будет равно нулю.

При наложении магнитного шунта на информационную линейку однородность магнитопровода нарушается, увеличивается магнитный поток участка информационной линейки. Результирующий магнитный поток равномерной обмотки будет зависеть от увеличения магнитного потока в зоне расположения шунта. Начальная фаза выходного напряжения будет определяться начальной фазой результирующего магнитного потока, сцепленного с равномерной обмоткой. При перемещении магнитного шунта начальная фаза выходного напряжения будет изменяться

/м - длина активной части магнитопровода;

части магнитопровода /

м

м

пропорционально расстоянию от начала информационной линейки до середины шунта. Более подробно вопрос создания бегущего магнитного поля для использования в фазовых датчиках рассмотрен в трудах авторов [1, 2, 5].

Отличительной особенностью рассматриваемой ЭМС от существующих магнитных систем фазовращателей является локальное взаимодействие обмоток. Удельный магнитный поток любого сечения магнитопровода зависит от намагничивающей силы обмоток только этого сечения распределенной магнитной линии. Это позволяет достаточно просто получить практически любое распределение магнитного поля вдоль информационной линейки. Механическая сила взаимодействия обмоток направлена

перпендикулярно направлению перемещения магнитного поля. Результирующее значение этой силы вдоль направления перемещения равно нулю, так как обе обмотки расположены на информационной линейке.

Определив законы распределения удельной магнитной проводимости по длине магнитопровода, удельной собственной индуктивности, удельной взаимной индуктивности, можно рассчитать электрические параметры обмоток ЭМС [3], что позволит в дальнейшем получить передаточную функцию информационно-измерительной системы линейных перемещений на основе фазового датчика с бегущим магнитным полем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горячев В. Я. Бегущие волны магнитных линий с распределенными параметрами в датчиках механических величин // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 200 6., т.1 - с. 328-332.

2. Горячев В. Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем: монография -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 307 с.

3. Горячев В. Я., Шатова Ю.А., Абдирашев О.К. Индуктивные параметры фазовых датчиков линейных перемещений // «Традиции и инновации в современной науке». XXXII Международная научно-практическая конференция. - М.: Издательство «Олимп», 2018. - с. 66 - 68.

4. Зильберман Г. Е. Электричество и магнетизм - М. : Наука, 1970. - 384 с.

5. Николаева Е. В., Горячев В. Я. Фазовые датчики в неоднородном магнитном поле // Материалы Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2005. т.1 - с. 391-392.

УДК 53.084.2

Горячев1 В.Я., Матова1 Ю.А., Абдирашев2 О.К., Бростилова1 Т.Ю.

*ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

2Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Описаны и представлены структурные схемы информационно-измерительных систем (ИИС) линейных перемещений на основе фазового датчика. В зависимости от источника питания возможны однофазный или двухфазный режим работы ИИС. Независимо от режима питания входными величинами ИИС являются напряжение источника питания и линейное перемещение фазового датчика. Выходной величиной ИИС является фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения. На основе системы уравнений, описывающей электрические цепи ИИС, рассчитаны токи в обмотках датчика, определены функции преобразования ИИС в однофазном и двухфазном режиме питания. Уравнения передаточных функций при однофазном питании и двухфазном питании совпадают, что доказывает отсутствие отличия в режиме работы датчика с точки зрения функционирования ИИС. Более предпочтительным является однофазный режим работы, т. к. в этом режиме входное сопротивление датчика постоянно и не зависит от положения магнитного шунта относительно информационной линейки.

Ключевые слова:

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, ФУНКЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, ФАЗОВЫЙ ДАТЧИК, ЛИНЕЙНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

При современном состоянии науки и техники управление различного рода технологическими процессами и энергетическими устройствами, оценка технического состояния разнообразных механизмов и эксплуатируемых объектов и проведение сложных научных исследований предъявляют такие требования к измерительной технике, которые требуют измерения большего числа величин, различных как по физической природе, так и по диапазонам их значений, в большом числе точек и за ограниченное время. Результаты измерений при этом должны быть сосредоточены в одном центре, причем объекты измерения могут быть удалены на значительное расстояние от этого центра. Для решения указанных задач применяются информационно-измерительные системы (ИИС).

Авторами разработаны ИИС различных перемещений на основе фазового электромагнитного датчика, обладающие высокой разрешающей способностью в совокупности с простотой технической реализации [1-6] . Далее будут рассмотрены принципы построения и описаны рабочие характеристики ИИС для измерения линейных перемещений.

Для создания магнитного поля в ИИС линейных перемещений возможно два варианта питания. В однофазном варианте используется однофазный источник питания, а магнитное поле датчика является пульсирующим. В двухфазном варианте для создания бегущего магнитного поля используется двухфазный или трехфазный источник питания.

Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений в двухфазном режиме питания представлена на рисунке 1.

ИИС в этом случае состоит из двухфазного источника питания И2, фазового датчика линейных

перемещений Д, фазовращателя опорного напряжения ФВ, усилителя У и фазометра Ф.

Рисунок 1 - Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений в двухфазном режиме питания

На синусную и косинусную обмотки датчика Д подается напряжение от двухфазного источника питания И2. Входной величиной является перемещение объекта измерения ОИ, выходным рабочим напряжением является напряжение равномерной обмотки датчика и . Выходное напряжение датчика подается на усилитель У. Фаза выходного напряжения усилителя сравнивается с фазой опорного напряжения и . Выходным напряжением фазометра Ф является напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу напряжений, который, в свою очередь, пропорционален линейному перемещению X .

Структурная схема ИИС для измерения линейных перемещений с источником однофазного питания представлена на рисунке 2.