Особенности конструкции двухкоординатного датчика ускорений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Особенности конструкции двухкоординатного датчика ускорений

УДК 621.314.25 Комаров М.В.; Зуенков А.Г.

Практика использования измерительных устройств показывает, что иногда возникает необходимость контроля смещения предмета цилиндрической формы относительно заданного положения, например при установке соосности валов двух агрегатов. Проблема изменения «биений» или «соосностей» решается путем использования датчика соосности или двухкоординатного датчика.

Датчик состоит из статора, на котором расположены 2 обмотки возбуждения (синусная и косинусная) и выходная равномерная обмотка и ротора, представляющего собой внутренний шунт. Схематично конструкция датчика показана на рисунке 1.

Рисунок 1.

При однородном магнитопроводе выходное напряжение датчика равно нулю, как и при отсутствии магнитного шунта - ротора датчика, приведении внутрь цилиндра из ферромагнитного материала диаметром меньшим внутреннего диаметра статора и расположить его так, чтобы величина зазора 5 не зависела от пространственного угла, то однородность магнитопровода не нарушится и выходное напряжение останется равным нулю.

Если ось цилиндра сместить относительно статора на величину DO в направлении, составляющем с вертикальной осью угол b. Смещение ротора приведет к перераспределению удельного магнитного потока в зазоре магнитной системы датчика. Удельный магнитный поток будет иметь максимальное значение в месте минимального зазора. С противоположной стороны магнитопровода магнитный поток уменьшится.

Это приведет к появлению выходного напряжения датчика. При малых смещениях подвижной части датчика амплитуда этого напряжения будет пропорциональна смещению DO, а начальная фаза этого напряжения (фазовый сдвиг его относительно опорного) покажет направление перемещения, причем фазовый сдвиг может иметь значения от 0 до 2р рад. Величина перемещений, при которых сохраняется линейная зависимость «перемещение-напряжение», зависит от величины зазора при соосном расположении внутреннего цилиндра относительно статора датчика. Амплитуда выходного напряжения будет пропорциональна смещению осей. Начальная фаза выходного напряжения покажет направление смещения.

Датчик позволяет измерять не только смещение осей относительно статора, но и «биения» вращающихся валов.

Описанная магнитная система позволила создать двухкоординатный датчик ускорений. Если в статор датчика ввести цилиндр из ферромагнитного материала массой m и закрепить его на упругом стержне, то получим датчик ускорений. Ось цилиндра, который играет роль инерционной массы, должна совпадать с осью статора и с осью упругого стержня. Упругий стержень предназначен для преобразования ускорения в линейное перемещение инерционной массы. При ускорении а на инерционную массу m будет действовать сила инерции F=ma, которая, деформируя упругий стержень, сместит инерционную массу-цилиндр относительно статора в направлении, противоположном направлению действия ускорения. Если при отсутствии ускорений воздушный зазор равномерный, то выходное напряжение будет пропорционально действующему ускорению. Измеритель фазового сдвига выходного напряжения определит направление действия ускорения.

Магнитное поле датчика ускорений образовано проводниками, расположенными на поверхности внешнего или внутреннего цилиндра перпендикулярно образующей. В этом случае магнитные силовые линии замыкаются в зазоре через поверхности внутреннего и внешнего цилиндров.

Для вычисления магнитного потока, образованного обмоткой, важно знать закон изменения воздушного зазора при отклонении оси внутреннего цилиндра относительно оси внешнего цилиндра. Это отклонение пропорционально ускорению всего корпуса датчика.

Под шириной зазора понимают длину отрезка, соединяющего две точки, одна из которых лежит на внешней, а другая на внутренней окружности. Сечение магнитопровода датчика представлено на рисунке 2.

2

Точка Оз делит расстояние между центрами окружностей Оі и О2 в отношении, пропорциональном отношению радиусов Ri и R2. Если плоскость сечения считать плоскостью полярной системы координат, то длина зазора может быть представлена в следующем виде:

O3B = O3O2 cos(j -о) + т]R - O3O\ sin2 (j - a),

O3A = O1O3 cos(i80 - j + a) + -^R - O1O32 sin2 (180 - j + a),

OO =

AR1 .

Ri + R2.

O3O2

ar2

R1+R2,

где A - смещение центров окружностей, пропорциональное ускорению. Таким образом, ширина зазора в функции угла j определится уравнением

S(<p) = R1

A

R1 + R2

cos(180 - j + a)+ 1 -

A2

(R1+r2 )2

sin2 (j-a)

-R

A

R1 + R2

cos(j-a)+ 1

Или

A2

R+Rj

sin2(j-a) .

3

А2

«.-О,,- «2 )J I -w+ « )

при ф . 0 А = R, - R2 5(ф) = 0;

sin2 ф -А cos ф;

при ф = p/2 А = R, - R2;

при R,

-Ща

RI + R2

I;

если a . 0; б(ф) =

А2

(R, + «2)

-sin2 ф(«, - R2 - Acosф),

,

где 8(ф) - длина зазора;

А - расстояние между центрами окружностей;

R, - радиус внешней окружности;

R2 - радиус внутренней окружности.

Входной величиной датчика является ускорение наблюдаемого объекта, а выходной величиной - амплитуда и фаза выходного сигнала.

Анализ работы рассмотренного датчика производится аналогично другим электромагнитным датчикам, а именно определяются электрические параметры его обмоток, составляется схема замещения и его определяется передаточная функция.

Литература

1) Горячев В.Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем. Пенза: Издат-во ПГУ, 2005 г. - 304с.

2) Дадаян А. А. Математика: Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2003. -

552 с.

3) Бермант, А. Ф., Араманович, И. Г. Краткий курс математического анализа для ВТУЗов. - М.: Наука I967 г. - 736 с.

4