лабораторная. Л 9 механотропный датчик. Лабораторная работа 9 Исследование механотронного датчика перемещений. Цель работы

• Название: Лабораторная работа 9 Исследование механотронного датчика перемещений. Цель работы
• Анкор: лабораторная
• Дата: 19.05.2022
• Размер: 190.1 Kb.
• Имя файла: Л 9 механотропный датчик.docx
• Тип: Лабораторная работа; #538071

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Исследование механотронного датчика

перемещений.

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия механотронного датчика перемещений, построить графики зависимости анодного тока от расстояния между анодом и катодом, полученныя для постоянного напряжения:

Теоретическая часть.

Для контроля и регулирования различных механических параметров в машиностроении, приборостроении, автоматике и других областям промышленности и техники широко используются электрические методы измерения неэлектрических величин. Различные механические величины, поступая на вход специальных устройств (преобразователей или датчи­ков) преобразуются или в ток или напряжение, а также в частоту-фазу или период электрических колебаний.

К числу перспективных типов электромеханических датчиков отно­сятся электронные ламповые преобразователи, действие которых основа­но на механическом управлении электронным током электровакуумных при­боров. Наиболее обширной группой электронно-механических преобразо­вателей является так называемые механотронные преобразователи или механотроны.

Механотрон - это электронная лампа, электронным током которой управ­ляют непосредственно механическим перемещением ее электродов. В связи с быстрым развитием электрова­куумного приборостроения и техники электрических измерений, неэлек­трических величин, механотроны стали предметом серьезных исследова­ний. В ряде работ были установлены важные преимущества механотронных датчиков, работающих на постоянном токе, по сравнению с датчиками других типов. Была показана возможность создания механотронов, обладавших высокой чуствительностью, малым весом и размерами и отлича­ющиеся простотой механических и электрических схем. Большие возмож­ности механотронов позволяют надеяться на широкое развитие этих при­боров в ближайшем будущем.

Работа механотронного преобразователя в измерительной схеме.


Л

Рис.2. Измерительная схема с диодным механотроном.

Простейшая измерительная схема на основе диодного механотрона представлена на рис.2.

Она состоит из механотрона Л, анодной нагрузки R_A, отечетного прибора П с внутренним сопротивлением R_H и источника пита­ния с внутренним сопротивлением R_U , соединенных последователь­но. Для этой схемы справедливо уравнение:

(1)

Так как при работе механотрона анодный ток является функцией двух переменных то его полный дифференциал запишется в виде:

(2)

где d - межэлектродное расстояние, изменяющееся при перемещении подвижного электрода механотрона. После подстановки в это уравне­ние статистических параметров механотрона и оно примет вид:

(3)

Отсюда, используя уравнение (1) легко получить:

(4)

Последнее выражение представляет собой рабочую чувствительность по току механотрона, включенного по схеме рис.2.

Для механотронного преобразователя определенного назначения этот параметр выражается следующим образом:

(5)

ς_iM- статистическая чувствительность механотронного преобразователя по току к измеряемой механической величине M.

Используя формулы (3) – (5) легко найти следующее выражение для рабочей чувствительности по напряжению (ψ_U.раб) механотрона включенного по схеме рис. 2.

(6)

(7)

Поскольку обычно R_A>> R_n+ R_U , то формулы (5) и (7) можно перепи­сать в более простом виде:

(8)

(9)

Такие простейшие схемы с механотронами на практике встречаются сравнительно редко. Значительно чаще применяются мостовые симметрич­ные схемы на основе сдвоенный механотронов, позволяющих снизить влияние флуктуации источников питания и внутриламповых процессов на выходной сигнал преобразователя рис.3.

Рабочая чувствительность по току симметричных диодных механотронов с двумя подвижными анодами, включенных в мостовую схему, опреде­ляется как производная от тока в цепи отсчетного прибора по измеря­емой механической величине М и выражается следующим соотношением:

(10)

Формула получена при условии работы схемы в области, близ­кой к равновесию моста и обеспечивает достаточную точность при расчете рабочей чувствительности по току для относительно малых переме­щений подвижных электродов механотрона. Кроме того, при выводе этих формул внутреннее сопротивление источника питания R_U принималось равным нулю, что являются допустимым, поскольку в большинстве практических случаев это сопротивление весьма мало по сравнению с вход­ным сопротивлением моста, определяемым относительно точек 3 и 4 схемы рис.3.


3


4

Рис.3. Измерительная схема с двуханодным диодным механотроном.
Выходное сопротивление мостовой схемы, определяемое относитель­но зажимов 1 – 2, равно:

(11)

Шкалы выходных отсчетных приборов в схемах градуируют непосредственно в единицах измеряемой механической величины. Цена деления шкалы механотронного устройства ν_уст. может быть определена как отноше­ние цены деления ν_п. выходного отсчетного прибора к рабочей чувст­вительности по току ψ_i.мост.

(12)

Рабочая выходная характеристика механотрона представляет собой зависимость тока I_n в цепи выходного отсчетного прибора от изме­ряемой механической величины М : I_n = f(M).

Ценным качеством любого электрического преобразователя меха­нической величины является линейность его рабочей (выходной) харак­теристики.

Рабочая характеристика механотрона I_n = f(M) общем случае нели­нейна, причем ее нелинейность зависит как от нелинейности соответствующих характеристик электродной и кинематической систем механо­трона, так и от параметров измерительной схемы.

В результате широкого исследования диодных механотронов про­дольного управления было установлено, что нелинейность указанных характеристик зависит от отношения анодной нагрузки R_A к внутрен­нему сопротивлению механотрона R_i . При некотором оптимальном зна­чении сопротивления R_A рабочие характеристики диодного механо­трона продольного управления становятся линейными с высокой точно­стю в широком диапазоне перемещений подвижных электродов. Для простейшей схемы оптимальное значение R_A определяется соотношением:

(13)

где R_io - внутреннее сопротивление диода в рабочей точке.

Для мостовой симметричной схемы значение R_A.опт. связано с R_io следующим образом:

(14)
ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.
Конструктивные особенности установки.

Экспериментальная установка для измерения перемещений с помо­щью электронно-механического преобразователя изображена на рис.4. Конструктивные особенности этой установки заключаются в следующем: на основании 1 крепится неподвижная стойка 2, на которой находит­ся зажатая с одного конца стальная пластина 3. Зажимается она при помощи двух угольников.



Рис.4. Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования характеристик механотронного датчика перемещений.
Со свободным концом стальной пластины 3 соединен индикатор 4, служащий для контролирования нужных перемещений, он укреплен на стойке 5. С этим же концом пластины соединен механотронный датчик перемещений 6. Датчик крепится металлическими хомутами на 2-х стойках таким образом, чтобы штырь механотронного преобразователя лежал на пластине. Перемещается свободный конец пластины с помощью регулировочного винта 7.

Механотронный датчик перемещений изображен на рис.5. Он представляет собой механотронный преобразователь 1 с крепежным кольцом 2 и измерительным наконечником 3, укрепленный в металличес­кий цилиндрический кожух 4.


Рис.5. Конструкция механотронного датчика перемещений.

1 – механотронный преобразователь; 2 – крепежное кольцо; 3 - измерительный наконечник; 4 – цилиндрический кожух; 5 – ограничитель хода измерительного наконечника; 6 – стандартная панель для лампы.
В датчике предусмотрены ограничители хода измерительного на­конечника механотрона, выполненного в виде винтов 5. Соединение механотрона с электрической схемой осуществляется посредством стандартной панели 7.

В приборе применен электронно-механический преобразователь типа 6MXIC, включенный в мостовую измерительную, причем ток в диагонали моста измеряется микроамперметром, шкала которого проградуирована в микронах перемещения измерительного наконечника. Механотрон питается от стабилизированного источника питания.

Пределы измерения механотронного датчика +1 мм.

Измерительное усилие наконечника - не более 20 гс.

Электрическая измерительная схема установки.

Электрическая схема установки (рис.6.) состоит из блока пи­тания и мостовой симметричной схемы на основе сдвоенного механотрона.

В блок питания входят: выходной трансформатор T_PI, диодный мост, состоящий их 4-х диодов Д-237, двух электролитических конденсаторов емкостью 30 мкФ∙300B (C₁ = C₂ = 30∙300B) и одного конден­сатора емкостью 100мкФ∙100В (С₃ = 100∙100В), резистора R₅ = 3000 Ом трех последовательно подключенных стабилитронов и переменного ре­зистора R₄ = 220 Ом. Параллельно с переменным резистором включен вольтметр.

Диодный мост служит для выпрямления переменного тока, который подается через выходной трансформатор T_PI.

Электролитические конденсаторы C₁, C₂ и С₃ служат для фильтра­ции выпрямленного тока. Резистор R₅ включен параллельно конденса­торам С₁ и С₂ . С его помощью достигается падение напряжения с 180 до 14 В.

Включенный в схему стабилитрон служит да стабилизирования на­пряжения и поддерживания его в пределах 14 вольт.

При помощи переменного резистора R₄ можно изменять напряже­ние источника питания от 14 B до нуля.

Вольтметр служит для контролирования напряжения, поступающего от источника питания в мостовую измерительную схему.

Мостовая измерительная схема с двуханодным диодным механотро-ном состоит из механотрона Л, анодной нагрузки R₁ и R₂, отсчетного прибора П с подключенным к нему через выключатель внешнего сопротивления R₃. Питание схемы осуществляется от ста­билизированного источника питания, в мостовой измерительной схеме применен механотрон типа 6MXIC.



Рис.6. Измерительная схема установки с блоком питания.

Сопротивления на анодную нагрузку подбираются с таким расче­том, чтобы рабочие характеристики механотрона были линейными с вы­сокой точностью в широком диапазоне перемещений.

Используя формулу (14) производим расчет анодной нагрузки. Из документации на механотрон знаем, что внутреннее сопротивление каждой анодной половины равно 2 кОм. Подставляя это значение в вы­ражение (14) получаем R_{A опт.} = (2 – 3,5)∙2 = 3 кОм, т.е. R₁ = R₂ = 3 кОм.

Отсчетным прибором является гальванометр типа М-906. Внешнее сопротивление R₃ = 68 Ом подключенное к отсчетному прибору служит для шунтирования прибора при измерении перемещений. Так как механотрон обладает высокой чувствительностью, то при относительно боль­ших перемещениях (около 100 мкм) происходит зашкаливание стрелки прибора. Чтобы иметь возможность измерять такие перемещения и нуж­но сопротивление R₃.
Экспериментальная часть.

ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНОТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ОТ ВЕЛИЧИНЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ.

1. Зависимость анодного тока от величины перемещений

Наиболее важной для механотрона является характеристика пере­мещения - зависимость анодного тока от расстояния между анодом и катодом, полученная для постоянного напряжения:



Для получения этих характеристик используем перемещения от 0 до 100 мкм. Этот интервал перемещений исследуем для каждого из напряжений от 1 до 14 В. Результаты измерений используются для построения графиков .
2. Влияние напряжения питания на чувствительность механотронного преобразователя.

Для того, чтобы иметь возможность измерять перемещения в 1 мкм, 2 мкм, и т.д., очень важно знать чувствительность механотронного преобразователя и что на нее влияет. При исследовании графи­ческих зависимостей чувствительности механотрона от напряжения питания видно, что увеличение напряжения питания повышает чувствительность преобразователя.

Порядок выполнения работы.

1. 
   Включить установку в сеть и дать прогреться механотронной лампе в течение 5 минут.
   
2. 
   Установить анодное напряжение согласно таблице №1.
   
3. 
   Вращая винт 7, изменять показания индикатора 4 в пределах не более 1 мм, фиксируя показания прибора П (рис.6).
   
4. 
   Занести данные в таблицу №1.
   
5. 
   Изменяя анодное напряжение фиксировать показания прибора П (рис.6).
   
6. 
   По данным таблиц №1 построить соответствующие графики зависимостей.
   
7. 
   По экспериментальным данным рассчитать чувствительность ψ механотрона для всех величин анодного напряжения.
   

Таблица №1

Δ U, B	10	20	30	40	50	60	70	80
3	3	11	31	50	53	60	60	60
6	6	20	48	70	70	72	72	74
9	12	32	58	78	86	88	88	88
12	32	44	62	92	92	92	92	92

По данным таблицы построить графики зависимости I_A =f (Δ), для каждого напряжения U ( 3, 6, 9, 12В)






Вывод: Мы познакомились с принципом действия мехатронного датчика перемещений, на основе экспериментальных данных построили графики зависимости анодного тока от расстояния между анодом и катодом, полученные для постоянного напряжения: