SENZORI PENTRU DEPLASARI LINEARE MICI SI DEPLASARI UNGHIULARE

Scopul lucrarii

Studiul variatiei inductivitatii bobinelor si a capacitatii condensatoarelor la modificarea unor parametrii a lor dat de o deplasare liniara. Determinarea curbei de variatie a inductivitatii respectiv a capacitatii cu distanta.

Studiul constructiei unui traductor rezistiv pentru deplasari unghiulare determinarea unghiului maxim si minim care se pot sesiza. Se va determina precizia masurarii unghiului, efectuand mai multe masurari.

Consideratii teoretice

Deplasarile liniare mici se considera de ordinul 10^-2 - 10²mm. Pentru masurarea acestor deplasari se foloseste element sensibil tip inductiv, capacitiv sau rezistiv.

Sesizoare de tip inductiv isi modifica inductanta proprie sau mutuala la deplasarea unui miez mobil, actionat de marimea de masurat. Caracteristica este pronuntat neliniar. Elementul sensibil poate sa-si modifice inductivitatea si prin variatia intrefierului. In acest caz sesizorul este de tip transformator. Caracteristica obtinuta este logaritmica. In figura 1 se prezinta doua tipuri de senzori inductivi (bobina cu miez de fier si transformator) si variatia inductivitatii respectiv a tensiunii de iesire cu pozitia miezului.

Fig. 1. Tipuri de senzori de deplasare inductive

Sesizoarele de tip capacitiv se bazeaza fie pe modificarea distantei dintre armaturi, fie pe modificarea suprafetei armaturilor, sau prin variatia dielectricului. In figura 2 se arata un traductor de deplasare capacitiva cu modificarea distantei dintre armaturi si variatia de capacitate cu distanta. Capacitatea scade cu cresterea distantei, sensibilitatea traductorului scade cu patratul distantei, deci se poate utiliza pentru masurarea unor distante mici pana la 3-4mm.

  (1)

Fig. 2. Senzor capacitiv de deplasare liniara

Ambele tipuri de sesizoare trebuie sa fie introduse in circuite electrice de conditionare alimentate de la o sursa exterioara de frecventa mare (>5kHz). Numai in aceste conditii se pot pune in evidenta deplasarile foarte mici.

Sesizoarele de tip rezistiv sunt cele mai simple, dar utilizarea lor este redusa din cauza erorilor si rezolutiei mici. Sunt realizate prin bobinarea unui conductor pe un suport izolator cu pas uniform. Erorile care apar se datoresc variatiei rezistentei firului cu temperatura mediului ambiant, modificarea rezistentei de contact dintre cursor si senzor, calcarea simultana a cursorului pe doua spire invecinate sau variatia prea brusca a rezistentei datorita bobinajului.

Prezentarea Q-metrului

Panoul frontal al Q-metrului

- indicatorul valorii condensatorului etalon

2 - buton pentru reglarea condensatorului etalon

3 - aparatul indicator al factorului de calitate Q

4 - potentiometru de ajustare la calibrare

5 - buton de calibrare

6 - selectorul intervalului de masura

7 - alegerea modului de lucru a instrumentului

8 - semnalizare prezenta tensiune

9 - scala de frecventa a generatorului de frecventa interna

10 - intrerupator de retea

11 - selectorul domeniului frecventei generatorului

12 - potentiometru pentru reglajul continuu al frecventei generatorului

In figura 3 se prezinta schema de principiu simplificata a Q-metrului

G - generator de inalta frecventa

A - ampermetru de inalta frecventa, poate fi si magnetoelectric cu termocuplu

r₀ - rezistenta de cuplaj de valoare foarte mica (r₀ < 0,05)

C_e - condensator etalon variabil cu pierderi neglijabile

r_x - rezistenta echivalenta serie a bobinei L_x - exterioara aparatului

V_e - voltmetru electronic

Fig. 3. Schema de principiu a Q-metrului

Traductoarele rezistive sunt cele mai simple din punct de vedere al constructiei fiind construite dintr-un suport pe care se infasoara cu un pas de spiralare constant un fir rezistiv si un cursor care matura spirele. Suportul trebuie sa fie din material izolator, iar firul conductor din material, al carui coeficient de variatie a rezistentei cu temperatura sa fie mica (α_R < 10^-2). Materialele folosite sunt constantan, nichelina, neusilber, manganina, nicrom. Cursorul se face din cupru, in punctul de contact cu o placuta de carbon sau argint pentru reducerea rezistentei de contact. Se realizeaza si senzori cu film rezistiv. Pentru masurarea deplasarii unghiulare se realizeaza senzori de tip potentiometric si la deplasarea unghiulara a cursorului se obtine o variatie de rezistenta. In figura 4 se arata constructia unui senzor de deplasare unghiulara rezistiv bobinat.

Fig. 4. Structura unui senzor rezistiv de deplasare unghiulara

Relatia de functionare este:

unde U_X este tensiunea dintre una din terminale (1 sau 2) si cursor (3), iar U_a este tensiunea de alimentare aplicata intre terminalele 1 si 2.

Dezavantajul acestor tipuri de traductoare este ca au o precizie mica datorita distantei dintre spire respectiv cursorul poate atinge deodata mai multe spire. Ca constructie pot fi de doua feluri:

unitur - executa o singura rotatie de la α₀ la α_max. Domeniul de utilizare (0 - 350 º)

multitur - executa mai multe rotatii (variantele standard cu 3 sau 10 ture). Suportul este de tip elicoidal si se masoara unghiuri peste 360º sau se folosesc pentru masurarea deplasarii liniare mari.

Desfasurarea lucrarii

Se studiaza modificarea inductantei unei bobine prin deplasarea in interiorul ei a unei bare de ferita. Se face montajul de pe figura 5 in care bobina de studiat se va lega in serie cu condensatorul etalon din Q-metru si la o frecventa fixa se stabileste rezonanta prin modificarea valorii condensatorului etalon cu butonul 2 al Q-metrului. Dupa modificarea pozitiei barei de ferita fata de mijlocul bobinei se reface rezonanta, frecventa ramane neschimbata. Pozitia barei de ferita se modifica din 10mm in 10mm pana se ajunge la capat. Se completeaza tabelul 1 si inductivitatea se calculeaza din relatia care se scrie la rezonanta:

Fig. 5. Legarea bobinei de studiat la Q-metru

Tabelul 1.

Pe baza calculelor se ridica graficul L=f(x).

Se studiaza modificarea capacitatii unui condensator plan, cu dielectric aer, prin variatia distantei dintre armaturi. Modificarea de distanta se masoara cu un ceas comparator montat pe celula de masurare. Condensatorul (celula de masurare) se leaga in paralel cu condensatorul etalon din interiorul Q-metrului. Modul de legare a celulei de masurare se prezinta in figura 6, iar schema echivalenta electrica cu care se lucreaza si pentru care se scriu relatiile pe figura 7. Pentru a forma un circuit rezonant se foloseste o bobina etalon L7 din componenta Q-metrului. Distanta dintre armaturi se modifica de la 0,5mm pana la 4mm cu pasul de 0,5mm.