23

курсовыФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга

(РЭТЭМ)

Тахометрические датчики

Курсовая работа по дисциплине «Приборы и датчики»

студент гр.213

_________Скакун Н.М.

22.12.2005

Руководитель

_________Бакин Н.Н.

____________оценка

2005

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………………3

2. Электромагнитные тахометры угловой скорости………………………………….5

2.1 Тахометрический генератор постоянного тока……………………………………5

2.2 Тахометрические генераторы на переменном токе………………………………10

2.3 Электромагнитные тахометры линейной скорости……………………………....13

2.4 Импульсные тахометры угловой скорости………………………………………..14

2.5 Датчики с переменным магнитным сопротивлением…………………………….15

2.6 Датчики на токах Фуко……………………………………………………………..17

2.7 Оптический тахометр……………………………………………………………….17

3. Гирометры…………………………………………………………………………….18

3.1 Гироскопический измеритель скорости…………………………………………...19

3.2 Оптические тахометры ………………………………………………………….….20

4. Заключение……………………………………………………………………………21

5. Приложение…………………………………………………………………………...22

6. Список используемой тературы……………………………………………………..25

Введение

В промышленности измерение скорости сводится в большин-стве случаев к измерению скоростей вращения крутящихся де-талей и узлов, когда за ними приходится наблюдать в целях безопасности либо для создания условий их работы в жела-тельном режиме. В случае прямолинейного движения измере-ние скорости часто также может быть сведено к измерению скорости вращения. Поэтому тахометрические датчики являют-ся в своем большинстве датчиками угловой скорости.

Промышленные датчики, предназначенные специально для измерения скорости, базируются на законе Фарадея

где х -- переменная линейного или углового положения. Поэто-му всякое относительное перемещение между источником по-тока (индуктором) и контуром наводит в этом последнем э. д. с, амплитуда которой пропорциональна скорости перемещения, вследствие чего на выходе такого датчика формируется сигнал

Этот вид тахометрии называется электродинамическим.

Когда исследуемое движущееся тело осуществляет перио-дическое движение, например вращение, определение его ско-рости может быть заменено измерением частоты: так, датчик близости, расположенный рядом с объектом, расстояние до которого изменяется периодически, выдает сигнал, частота ко-торого равна или кратна, в зависимости от конфигурации объ-екта, частоте движений. Так, для измерения угловой скорости вращающегося вала можно использовать насаженный на него диск, снабженный чередующимися прозрачными и непрозрач-ными частями, которые при вращении будут прерывать поток лучей, регистрируемый с помощью оптического детектора. Таким образом будет формироваться последовательность элек-трических импульсов с частотой, пропорциональной скорости.

Тахометры этого типа называют импульсными.

В случае очень медленного вращения, например, менее од-ного градуса в час, описанные выше методы становятся непригодными, и в этом случае измерение скорости может быть j эффективно осуществлено с помощью лазерного гигрометра.

Принцип его действия основан на существовании разности i хода двух волн, излучаемых одним лазером и распространяю-щихся в противоположных направлениях в одной и той же вра-щающейся среде. Эта разность хода, пропорциональная угло-вой скорости, выявляется с помощью интерферометра.

Отношения, которые связывают скорость и положение, с одной стороны, и скорость и ускорение, с другой, позволяют определять скорость путем обработки сигналов датчиков каж-дой из этих двух величин.

Производная по времени сигнала аналогового датчика по-ложения определяет величину скорости. Однако этот метод связан с появлением помех (например, из-за дискретности про-волочного потенциометра) и увеличением высокочастотного шу-ма.

Интегрирование сигнала датчика ускорения представляет другой метод определения скорости; используемый в навигации, он требует сложного оборудования (инерциальная платформа).

Электромагнитные тахометры угловой скорости

Тахометрический генератор постоянного тока

Устройство. Принцип действия. Элементами устройства ге-нератора являются

а) статор (индуктор), представляющий собой ферромагнит-ный каркас, который несет 2 полюса, направляющих поле магнитной индукции, образуемое током че-рез катушки (электромагниты) или постоянными магнитами;

б) ротор (якорь), который представляет собой многослой-ный цилиндр из листового железа, вращающийся между полю-сами статора, причем его ось совпадает с осью статора; на его периферии параллельно оси расположены в углублениях (па-зах) л=2 медных проводников; эти проводники, называемые активными, соединены попарно своими концами с другими, ко-торые расположены строго вдоль диаметра ротора к называ-ются пассивными;

в) коллектор -- цилиндр с той же осью, что к у ротора, но значительно меньшего диаметра, несущий изолированные между собой медные пластинки, каждая из которых связана с ак-тивным проводником;

г) две щетки, связанные с клеммами генератора и прижи-маемые к коллектору, которые закрепляются на двух Диамет-рально противоположных пластинках; щетки расположены вдоль средней линии перпендикулярно направлению индукции, так, чтобы снимать максимальную э.д.с.

Расчет э.д.с, наводимой в активных проводниках. В /-м проводнике (0^/<2fe-l) вследствие вращения возникает э.д.с, величина которой определяется выражением

где dtp/ --магнитный поток, пересекаемый проводником за ин-тервал времени dt,

ds_c -- приращение площади поверхности, описываемой движу-щимся проводником, за время dt, и B_IN - составляющая В,

нормальная к ds_c.

Приращение площади описываемой поверхности определя-ется выражением

Здесь / -- длина активного проводника, a v -- его линейная ско-рость, равная t)=wr, где to --угловая скорость ротора, г --его радиус. Окончательно получаем

В диаметрально противоположном активном проводнике вследствие симметрии имеем

Расчет э. д, с. совокупности проводников, расположенных одну сторону от нейтральной линии. В совокупности k проводников справа от нейтральной линии наводится суммарная

где s=2nrt/n -- площадь поверхности между двумя соседними проводниками, и 2J sB/*--Фо-- поток, исходящий из полюса индуктора.

Для этих условий можно написать

где N -- частота вращения ротора (число оборотов в секунду); таким же образом в совокупности проводников слева от ней-тральной линии наводится э.д.с. E_g:

Идея намотки состоит в соединении между собой 2k про-водников так, чтобы образовать два одинаковых комплекта по k последовательно соединенных проводников, в каждом из ко-торых возникает э. д. с. Е, такая, что

Эта э.д.с. поступает во внешнюю цепь через две щетки, расположенные на коллекторе вдоль нейтральной линии диа-метрально противоположно друг другу.

В более общем случае, когда генератор имеет 2/7 полюсов индукторов (каждый с потоком Фо), п\проводников ротора, соединенных параллельно по 2о ветвям обмотки, индуцируе-мая э.д.с. имеет величину

Именно на этой пропорциональности э.д.с. Е и угловой скоро-сти а основано использование генераторов постоянного тока в тахометрии, и одно из их преимуществ по сравнению с други-ми тахометрическими датчиками состоит в том, что получаемый сигнал изменяет знак одновременно с изменением направления вращения.

Реакция якоря. Если якорь связан с внешним контуром, то э.д.с. вызывает в нем ток , проходящий через активные про-водники по разные стороны от нейтральной линии в противо-положных направлениях.

Сопоставляя попарно проводники, симметричные относи-тельно нейтральной линии, устанавливаем, что они создают индукцию, перпендикулярную линии полюсов и пропорцио-нальную I; эта поперечная индукция называется реакцией якоря.

Реакция якоря вызывает искривление силовых линий поля к приводит к смещению нейтральной линии в направлении дви-жения. Поскольку э.д.с. снимается с неподвижных щеток, установленных на первоначально нейтральной линии (/=0), ее величина ускоренно убывает с ростом тока .

Эксплуатационные параметры. На холостом ходу (/=0) э. д. с. генератора определяется общим выражением

где фо -- поток, вызванный индукцией, k_e и k_m -- постоянные па-раметры генератора.

Когда генератор соединен с нагрузкой R, он отдает ток /, который вызывает внутреннее падение напряжения RJ_f где Ri -- сопротивление якоря, и реакцию якоря, которая уменьша-ет э.д.с. генератора тем больше, чем больше величина тока. Обозначая k, величину, характеризующую реакцию якоря, можно написать

Падение напряжения на щетках описывается выражением

или

где еь и Rb зависят от материалов контактов щетка -- коллек-тор.

Для совокупности генератора с нагрузкой получаем соотно-шение

или

откуда следуют выражения для тока в нагрузке

и для напряжения на клеммах нагрузки

Из полученного для V выражения можно заключить, что:

генератор имеет «мертвую зону», а напряжение возника-ет только при скоростях выше еь1к_е\ щетки должны быть уста-новлены таким образом, чтобы минимизировать контактную разность потенциалов ey_t напряжение U не является строго линейной функцией от вследствие реакции якоря; при тахометрическом использо-вании в режиме генератора нелинейность может быть умень-шена путем: а) минимизации тока / за счет использования по-вышенного сопротивления нагрузки; б) ограничения скорости вращения; в) использования таких типов обмотки ротора, ко-торые дают малую реакцию якоря. Напряжение, получаемое в режиме генератора, обычно ха-рактеризуют величиной э.д.с. при скорости вращения 1000 об/ мин и обозначают через Ке.

Линейность характеристики тахометра оценивают с исполь-зованием максимальной разницы при 3600 об/мин между на-пряжением, измеренным на холостом ходу U_M, и напряжением Uс, вычисленным в предположении линейности генератора, т.е. Ј/с=3,6 Ке- Полагают, следовательно, что

Реакция якоря зависит от направления вращения, посколь-ку она приводит к смещению нейтральной линии в направле-нии вращения; для равных, но противоположно направленных скоростей вращения потоки, действующие на ротор, не одина-ковы и, таким образом, соответствующие э.д.с. не точно сим-метричны.

Пусть Ке и Ке--э.д.с. холостого хода при 1000 об/мин для каждого направления вращения; асимметрия кривой Ј/=/(о>) при этом характеризуется двусторонним допуском

Напряжение U, вырабатываемое генератором, не является строго постоянным; оно содержит переменные составляющие, обусловленные а) возможным эксцентриситетом ротора и не-однородностью его магнитных свойств, что приводит к пульса-циям с частотой ш/2л; б) явлениями, связанными с коммутаци-ей пластин коллектора и вызывающими биение частоты л_с<о/2я, где Uс -- число пластин. Такие пульсации можно в принципе ослабить с помощью фильтров LC или RC, хотя на малых ско-ростях вращения может возникнуть проблема с составляю-щей и. Степень модуляции напряжения на выходе генератора вследствие биения характеризуется величиной В для данной скорости вращения:

где Аи -- размах колебаний напряжения U.

Типы конструкций. Чтобы избежать использования дополни-тельного источника питания обмотки возбуждения, индуктор выполняют на постоянных магнитах. Укажем обычно исполь-зуемые материалы и порядок величин их остаточной индукции В_г и коэрцитивного поля Не. Твердые ферриты из смеси металлических оксидов: В_г-- =0,2-5-0,4 Тл; Я_с= ЮО-г-250 кА/м; альнико (сплав железо -- никель -- кобальт -- алюминий -- медь): Ј,=0,8-М,3 Тл; _с=504-80 кА/м; тиконал (сплав типа альнико с добавкой титана): B_r=0,7-f--т-0,8 Тл; #с=120-г160 кА/м; кобальт--самарий (редкоземельный элемент): В_г=0,8-г-4-1,0 Тл; Яс=600н-700 кА/м. В противоположность альнико и тиконалу магниты из фер-ритов или редкоземельных металлов не размагничиваются при демонтаже; зато альнико и тиконал малочувствительны к тем-пературам. Классификация в порядке возрастания цены сле-дующая: феррит, альнико, тиконал, редкие земли.

Роторы бывают трех видов -- катушечные, колоколообразные, дискоидальные.

Генератор с катушечным ротором позволяет вы-рабатывать относительно большое напряжение в несколько десятков вольт. Однако реакция якоря может искажать линей-ность, а значительная индуктивность обмотки L ухудшает элек-трическое быстродействие, определяемое постоянной времени L/R; значительной является и механическая инерция. Колоколообразный ротор образуется проволочной обмоткой на пустотельном немагнитном цилиндре, вращающемся вокруг фиксированного сердечника. Такой тип конструк-ции обеспечивает значительное снижение реакции ротора, ин-дуктивности L и механической инерции. Дискоидальный ротор представляет собой изо-лированный диск, на котором закреплены пластинчатые про-водники; этот тип конструкции характеризуется, в частности, очень малой величиной индуктивного сопротивления, хорошей защищенностью от посторонних воздействий и допускает отно-сительно большие токи без искажения линейности.

Тахометрические генераторы на переменном токе

Такой тип генераторов интересен отсутствием коллектора и щеток, что способствует заметному увеличению срока службы, а также отсутствию флуктуации падения напряжения на щет-ках и подавлению паразитных сигналов при коммутациях. Од-нако схемы включения таких генераторов обычно более слож-ны, так как измерение амплитуды требует выпрямления и фильтрации выходного напряжения.

Синхронный генератор. Речь идет о небольшом генераторе переменного тока. Ротор, связанный с осью, скорость которой Статор несет якорную обмотку (одно- или многофазную), в которой возникает синусоидальная э.д.с; ев амплитуда и частота пропорциональны скорости вращения ротора, т. е.

где Ј=&iO), Q--k₂<i), k\, Аг --константы генератора. Таким об-; разом, величина w может быть определена по амплитуде э.д.с,' или по ее частоте.

Примерами таких тахометров могут служить генераторы с магнето (фирма-изготовитель Chauvin -- Arnoux), имеющие од-нофазный статор и ротор в виде постоянного магнита с тремяпарами полюсов. Тахометр типа 64 имеет максимальную скорость 3000 об/мин, напряжение 24В±1% и частоту 50 Гц при1000 об/мин. У тахометра типа 64GV максимальная скорость составляет 6000 об/мин, напряжение 24В±1%, частота 200 Гц при 4000 об/мин.

Определение скорости по величине э.д.с. Импеданс якоря определяется выражением Zi=Ri+jLiQ, где Ri и U -- соответственно его сопротивление и индуктивность.

Напряжение на клеммах ротора, нагруженного сопротивлением R, по абсолютной величине равно I

Как видно, напряжение U в общем случае не является линейной функцией. Использование генератора в тахометрии требует, чтобы сопротивление нагрузки R оставалось много больше импеданса обмотки даже при максимальных скоростях u; при этом U практически равно Е.

Выходное напряжение выпрямляется и фильтруется для по-лучения постоянного пропорционального напряжения; оно не зависит от направления вращения. Эффективность фильтра па-дает с уменьшением частоты, поэтому степень биения напря-жения возрастает при малых скоростях вращения, определяя нижний предел применимости. Кроме того, наличие фильтра вносит постоянную времени, которая снижает быстродействие.

Определение скорости по частоте сигнала. Частотное изме-рение представляет интерес, когда создаваемый синхронным генератором сигнал необходимо передать на расстояние; в этом случае потери в линии не влияют на измерение.

В качестве примера опишем тахометр с электрической пе-редачей, выпускаемый фирмой Jaeger. Его задающий генератор -- трехфазный, причем каждая обмотка его ротора соединена с одной из обмоток синхронного мотора. Поэтому в моторе возникает поле, которое вращается с той же скоростью, что ротор генератора, и увлекает синхронно ротор мотора, представляющий собой магнит. Ротор мотора связан со вторым магнитом (измерительным), который вращается перед метал-лическим диском; в последнем возникают токи Фуко, пропор-циональные скорости вращения измерительного магнита, и вра-щающий момент Cm, пропорциональный скорости. Этот враща-ющий момент, согласно закону Ленца, стремится повернуть диск в сторону движения измерительного магнита; он уравновеши-вается противоположной парой сил спиральной пружины, так что отклонение а диска пропорционально скорости вращения.

Тахометрический асинхронный генератор. Его конструкция подобна конструкции двухфазного асинхронного мотора

Ротор состоит из тонкого немагнитного цилинд-ра, который вращается со ско-ростью (являющейся объек-том измерения; его масса и инерция очень малы. Статор из магнитного листового желе-за несет две расположенные квадрупольно обмотки: а) воз-буждающую обмотку, к кото-рой приложено напряжение v_e с амплитудой V_e и стабильной частотой). б)измерительную обмотку, в которой наводится э.д.с. Последняя Фоомипует- тахиметрический сигнал Ј -- постоянная данного прибора.

Разность фаз <р меняется на несколько градусов во всем диапазоне изменения скоростей генератора, но испытывает ска-чок на я при смене направления вращения. При нулевой ско-рости на клеммах измерительной обмотки возникает небольшое остаточное напряжение; оно вызвано несовершенством конст-рукции -- асимметрией ротора, неоднородностью магнитного контура, неточной установкой обмоток по углу.

Порядок величин метрологических параметров прибора сле-дующий: диапазон измерений от 10 об/мин до 2-10* об/мин; из-меряемое напряжение при 1000 об/мин --от 1 до 10 В; откло-нение от линейности -- от 0,1% до 0,2% диапазона измерений; остаточное напряжение -- от 10 до 100 мВ; момент инерции ро-тора-- несколько г-см². За исключением очень малого момен-та инерции, характеристики генераторов этого типа не слишком примечательны; кроме того, их использование требует очень стабильного возбуждающего источника. Однако такие генера-торы представляют интерес, поскольку легко могут быть вклю-чены в регулирующие или командные комплексы, в которых информация передается амплитудой синусоидальных токов фик-сированной частоты, содержащие, к примеру, такие приборы, как двухфазный мотор с управляющей обмоткой, синхродетек-гор, резольвер, индуктивный потенциометр.

Электромагнитные тахометры линейной скорости

Когда перемещение изучаемой детали значительно (свыше иетра), ее линейную скорость можно определить путем измерения угловой скорости, например, с помощью ролика либо иной вращающейся детали, являющейся частью того же уст-ройства, скорость вращения которой пропорциональна линей-ной скорости перемещения; так, скорость стального листа на выходе прокатного стана определяется скоростью вращения валков.

В случае малых перемещений датчик скорости изготавли-вается из магнита и катушки. Поскольку один из этих элемен-тов фиксирован, а другой связан с движущейся деталью, их относительное перемещение наводит в катушке э.д.с, пропор-циональную скорости. Когда подвижна катушка, она переме-щается в радиальном поле индукции тороидального возникающая в ней э.д.с. описывается выражением

где г и л -- соответственно радиус витков и их число, f--2ягп-- длина проволоки катушки, В -- величина индукции, v -- ско-рость перемещения.

Максимальное перемещение для таких конструкций состав-ляет несколько миллиметров, чувствительность -- порядка одно-го вольта на метр и секунду, а отклонение от линейности -- около ±10%.

Для перемещений более значительных (достигающих 0,5 м) используют магнит, укрепленный на движущейся детали, ко-торый перемещается вдоль оси тандема из двух катушек.

Э.д.с, наведенная в катушке перемещением магнита, про-порциональна его скорости; э.д.с. катушек имеют противопо-ложный знак, поскольку в них перемещаются противополож-ные полюса; поэтому обе катушки соединены последовательно и встречно по знаку, так что в этом случае полу-чается ненулевая суммарная э.д.с.

Примером такого измерительного прибора может служить датчик линейной скорости 7L20VT.Z (фирма-изготовитель Schaevitz), имеющий максимальный ход 500 мм, чувствитель-ность 4,8 мВ/мм/с и линейность ±1% от выходного напряже-ния.

Импульсные тахометры угловой скорости

Часто приходится измерять скорость вращения диска на валу. Поверхность такого диска состоит из р равных секторов, каждый из которых имеет характерную отметку (отверстие,, щель, зуб). В качестве образца можно использовать любое вра-щающееся тело с периодической структурой: шестерню, ось с выемками, колесо с лопатками и т. д.

Соответствующий (например, оптический) датчик, помещен-ный напротив образца, обнаруживает прохождение отметок и каждый раз выдает импульсный сигнал. Частота импульсов датчика имеет величину /:

где N -- число оборотов образца в секунду, р-- число регуляр-ных меток, на него нанесенных. Выбор подходящего датчика связан с природой вращающе-гося тела и нанесенных на него меток; в зависимости от об-стоятельств используют или один из различных датчиков бли-зости или оптический датчик. Датчик изменяюще-гося магнитного сопротивления должен быть размещен вблизи вращающегося ферромагнитного тела, метки на котором пред-ставляют собой резкие изменения его магнитных свойств. Дат-чик на токах Фуко и индуктивный датчик чувствительны к из-менениям расстояния до проводящего тела вращения. Для датчиков, основанных на использовании эффекта Холла или магнитного сопротивления, требуется, чтобы на вращающемся теле находились в движении один или несколько магнитов и обеспечивалось периодическое экранирование датчика от маг-нитного поля. Оптический датчик и источник света позволяют регистрировать последовательность меток, образуемых разры-вами оптических свойств вследствие наличия отверстий, щелей, отражающих поверхностей. Достоинства импульсной тахометрии обусловлены, с одной стороны, ее простотой, надежностью, совместимостью с агрес-сивной средой (например, измерения при ядерном облучении) м, с другой стороны, тем фактом, что носителем информации является частота, что обеспечивает определенную защищен-ность от различного рода помех (шумов, паразитных сигналов, ослабления в линиях связи) и упрощает преобразование в циф-ровую форму. Устройством формирования сигнала служит либо цифровой частотомер, либо преобразователь частота -- напряжение; по-следний состоит из а) каскада согласования импедансов и фор-мирования сигналов, например триггера Шмитта; б) односта-Зильной схемы, которая каждый импульс, поступивший с выхо-да предыдущей ступени, преобразует в импульс постоянной ам-плитуды и постоянной длительности Го (очевидно, величина Т_о должна быть меньше минимального периода повторений); в) низкочастотного фильтра, выходное напряжение которого дает постоянную составляющую сигнала, равную среднему зна-чению напряжения импульсов, сформированных одностабильной схемой, и пропорциональную То. Снижение граничной час-тоты фильтра уменьшает пульсации на выходе, но увеличивает постоянную времени и, следовательно, время измерения.

Датчики с переменным магнитным сопротивлением

Измерительная катушка снабжается магнитным сердечни-ком, на который воздействует поток индукции постоянного маг-нита; катушка помещена перед диском (полюсное колесо) или перед вращающимся ферромагнитным телом. Последователь-ность скачков магнитных свойств (зубья, щели, отверстия) дис-ка или вращающегося тела вызывает периодическое изменение

Магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, ко-торое наводит в ней э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения. Амплитуда этой э.д.с. за-висит:

а) от расстояния между ка-тушкой и вращающимся телом; она быстро падает с уве-личением этого расстояния ров); (которое обычно не ожет пре-вышать нескольких миллимет-

б) от скорости вращения (в принципе амплитуда э.д.с. про-порциональна этой скорости); при малых скоростях амплитуда может быть недостаточной для обнаружения, вследствие чего появляется «мертвая зона», в которой невозможны никакие из-мерения. Эта зона тем протяженнее, чем больше расстояние между катушкой и вращающимся телом. Увеличение потерь с повышением скорости ведет к ограничению амплитуды.

Диапазон измерений зависит от числа р скачкообразных из-менений магнитных свойств вращающегося тела, например, от числа зубьев колеса.

Минимальная измеряемая скорость тем меньше, чем больше р, тогда как максимальная измеряемая скорость тем выше, чем меньше р. Типичные диапазоны измерении составляют от 50 до 500 об/мин для колеса с 60 зубьями и от 500 до 10 000 об/ мин для колеса с 15 зубьями.

Датчик рассматриваемого типа позволяет определять ско-рость диска, вращающегося внутри кожуха, при условии, стенка кожуха немагнитная и расстояние между катушкой и. диском остается небольшим.

Датчики на токах Фуко

Этот тип датчиков применим, когда вращающееся тело ме-таллическое, но не ферромагнитное. Катушка, представляющая собой чувствительный элемент, образует индуктивность резо-нансного контура синусоидального генератора. При приближе-нии металлического проводника изменяются характеристики L и R катушки, вследствие чего генерация прекра-щается. При прохождении каждого зуба вращающейся шестер-ни перед катушкой происходит прерывание колебаний, что об-наруживается, например, по изменению тока питания генерато-ра. Частота соответствующего сигнала пропорциональна ско-рости вращения, а его амплитуда не зависит от последней, по-скольку определяется в данном случае не законом Фарадея. Отсюда следует, что этот тип датчика не имеет «мертвой зоны» и поэтому применим к измерению очень малых скоростей.

Оптический тахометр

В наиболее простой форме он состоит из источника света и. оптического приемника -- фотодиода или фототранзистора.

Вращающееся тело либо снабжают отражающими метками расположенными регулярно по окружности, на которые направ-ляется световой пучок, либо соединяют с диском, имеющим попеременно прозрачные и непрозрачные сектора, который располагают между источником и приемником света. Получая модулированный скачкообразными изменениями отражения или пропускания поток, фотоприемник выдает элек-трический сигнал с частотой, пропорциональной скорости вра-щения, и с амплитудой, не зависящей от этой скорости. Диапазон измеряемых скоростей зависит, с одной стороны, от числа скачков оптических свойств (риски, щели, прозрачные сектора, нанесенные на диск или на вращающееся тело), а с другой -- от полосы пропускания приемника и связанных с ним электрических схем. Для измерений малых скоростей, например ОД об/мин, ис-пользуются диски с большим числом щелей (от 500 до несколь-ких тысяч); в измерениях больших скоростей, например 10⁵-т--т-10⁶ об/мин в случае ультрацентрифуг, диск имеет только од-ну щель, и максимальная измеряемая скорость определяется верхней граничной частотой электрической цепи. Применение диска с двумя дорожками, сдвинутыми на чет-верть периода по пространству (оптический генератор прира-щений, позволяет определять направление враще-ния.

Гирометры

Гирометры -- это приборы, устанавливаемые на движущихся объектах для определения их угловой скорости.

В зависимости от природы используемого физического явле-ния различают:

а) механические гирометры, основанные на свойствах гироскопа;

б) оптические гирометры на лазерах или волоконной оптике, использующие свойства распространения волн.

Гироскопический измеритель скорости

Гироскоп состоит из ротора, смонтированного в кардановом подвесе, который, будучи раскрученным мотором до большой скорости (~10⁴ об/мин), вращается вокруг оси Y'Y (рис.9.10).

Измеряемая скорость вращения w должна быть направлена по оси Z'Z, перпендикулярной оси Y'Y; из-за этой скорости по является гироскопический момент сил C_gt пропорциональный о) и направленный по Х'Х перпендикулярно осям г У и Z'Z; он стремится повернуть подвес гироскопа. Момент С_е уравнове-шивается моментом упругих сил С_г, создаваемым двумя пру-жинами; он пропорционален углу а поворота подвеса. В условиях равновесия имеем

где Cr--ka, k -- коэффициент упругости пружины, С_е~сзН_р Н -- кинетический момент инерции ротора. Отсюда получаем

Угол а поворота подвеса гироскопа пропорционален изме-ряемой скорости о; с помощью потенциометра угол а преобра-зуется в пропорциональный ему электрический сигнал.

Порядок величин метрологических характеристик типового-гироскопического измерителя скорости (докум. SFIM) следую-щий: диапазон измерений (Д. И.) от ±7°/с до ±360 °/с; чувст-вительность средняя от 57 Ом/7е до 1,11 Ом/°/с; отклонение от линейности <±1,5% от Д. И.; порог чувствительности <±1 от Д. И.; ошибка гистерезиса 0,5% от Д. И.; собственная резо-нансная частота заключена между 6 и 25 Гц.

Оптические гирометры

Принцип действия. Когда световая волна распространяется в движущейся среде, преодолеваемое ею расстояние зависит от того, происходит распространение в направлении движения или в противоположном ему. Пусть, например, между двумя зеркалами М и Af₂, распо-ложенными на расстоянии L друг от друга, распространяется световая волна. Если зеркала расположены неподвижно в неподвижной сре-де, то преодолеваемое волной расстояние от М\ до М₂, т. е. an» равно пути волны от М₂ до Ми т. е. d₂

Когда оба зеркала перемещаются как целое со скоростью V, направленной, например, от Mi к М₂, то

Разность этих путей пропорциональна скорости V:

а) путь di2 увеличивается, потому что М₂ удаляется от фронта волны,

Конструкция. Во вращающейся среде, обра-зующей кольцевой резонатор лазера, две волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, созда-ют эффект разности их хода, проявляющийся в двух лазерных пучках различной частоты. Суперпозиция этих двух пучков по-рождает биение, частота Af которого пропорциональна скоро-сти вращения: где А -- площадь, охватываемая кольцевым резонатором, L -- его периметр, X -- средняя длина волн излучения. Такой прибор -- лазерный гигрометр -- позволяет измерять очень малые угловые скорости, порядка 10~²°/ч. В гирометре другого типа два пучка, выходящие из одного и того же лазера, распространяются в противоположных на-правлениях по оптическому волокну, вращающемуся с измеряе-мой скоростью. На выходе из волокна два пучка интерферируют; подсчет числа AZ смещенных из-за вращения интерференционных по-лос позволяет измерить скорость: где L -- длина волокна, Я --длина волны излучения лазера. Гигрометр этого типа на оптическом волокне, благодаря уве-личению L при многовитковой намотке, позволяет измерять уг-ловые скорости примерно в 100 раз меньшие, чем измеряемые обычным лазерным гигрометром.

Заключение

В данной работе были рассмотрены и изучены: датчики на токах Фуко, гироскопические измерители скорости, оптические тахометры, датчики с переменным магнитным сопротивлением, тахометрические генераторы на переменном и постоянном токе. Синхронный генератор. Речь идет о небольшом генераторе переменного тока. Ротор, связанный с осью, скорость которой Статор несет якорную обмотку (одно- или многофазную), в которой возникает синусоидальная э.д.с; ев амплитуда и частота пропорциональны скорости вращения ротора. Могут использоваться на автомобилях в тяжелой промышленности, ветрянных и гидро-электростанциях.

Приложение

Рас. 1. Принципиальная схема генератора постоянного тока, 1-щетка;

2-коллектор; 3- статор; 4 - ротор; 5-проводники

Рис. 2. Различные тнпы тахометрическнх генераторов постоянного тока (документация фирмы С.Е.М.).

а -- с катушечным ротором; б -- с жолоколообрмвыы ротором (пример выполнения обмотки фирне Muiiniotor S. А.); в -- с днсконджльным роторон (деталь конструк-ции якоря фкрмы С. Е. U. i -- магннт; 2 -- якорь; 3 -- коллектор; 4 -- фиксирующее кольцо; 5 -- рязрезаая ступица.

Характеристики

Э.Д.С холостого хода при 10-60 3 3 или 6

1000 об/мин, Ke(V)

Двусторонний допуск Ке, % rtO,5 ±1,5 ±1,5

Линейность, приведенная к 3600 0,15 0,1 О,0б

об/мин, 1эвм, %

Индуктивное сопротивление при 10-^350 36 1

25 °С, Ом

Индуктивность якоря, мГн 8^290 1,6 0,1

Момент инерции ротора, г-см^г 1400^-1500 5,3 350-^1500

Максимальная скорость, об/мвн 5000 6000 4000

Масса, г 1500 700 1000-М500

Рис. 3- Синхронный генератор

л --однофазный двухполюсный; б --трехфазный с 4 полюсами в соединением обмоток в звезду измеряется, представляет собой магнит или совокупность магнитов.

Рис. 4. Тахометр с синхронной электрической передачей (документация фирмы Jaeger).

а -- задающий генератор переменного тока; б -- индикатор. 1 -- квадрат; 2 -- посто-янный магнит; 3 -- статор; 4 -- двигатель; 5 -- измерительный магнит; 6 -- измеритель-ный диск; 7 -- регулируемая спиральная пружина; 8-- игла; 9 -- экранирующая пла-стин; 10 -- узел термокомпенсации; 11 --магнитное поле.

Рис.6. Принцип действия датчика

с подвижной катушкой.

I -- катуипм; 2 --постоянный магнит.

Рис.7. Датчик скорости с подвижным магнитом (документация фирмы Schaevitz).

а -- конструкция; б -- соединение измерительных катушек.

Рис.9.Принцип действия оптичес-кого тахометра.

J --линза; 2 -- световой пучок; 3-- оптическнй приемник.

Рис. 10. Конструкция гироскопа (документация фирмы SFIM).

1 -- пружина; 2 -- амортизатор; 3 --карданов подвес; 4 -- курсор; 5 -- ротор; 6 -- потенцвомегр.

рис 11. Оптический гирометр.

б -- лааерный с оптическим волокном, / -- оптическое волок-но; 1 -- лазер; 3 -- интерференционные полосы.