ГЛАВА XVI. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Преобразующие устройства линейных и угловых перемещений осуществляют преобразование этих функций в выходные электрические сигналы (немодулированные или модулированные), связанные определенной функциональной зависимостью с соответствующими входными величинами.

Преобразователи линейных и угловых перемещений применяются для согласования устройств, различающихся по виду энергии на их выходе и входе. Например, для согласования выхода скоростного гироскопа со входом суммирующего усилителя, входящими в состав автоматической системы пространственной стабилизации самолета, применяется потенциометрический преобразователь. В этом, случае измерительным устройством является скоростной гироскоп, угол отклонения рамки которого пропорционален угловой скорости объекта относительно измерительной оси.

В общем случае преобразователь линейных или угловых перемещений, наряду с преобразованием сигналов, может непосредственно выполнять функции соответствующего измерительного устройства. Так, например, в позиционной следящей системе, выходной регулируемой величиной которой является угол авых, пара сельсинов (задающий и сельсин-трансформатор) одновременно является измерительным и преобразующим устройством.

Ниже рассматриваются электроконтактные, потенциометрические индукционные, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические, электронные электролитические и болометрические преобразователи линейных и угловых перемещений.

1. ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В электроконтактных преобразователях замыкание электрических контактов происходит в момент достижения изменяющейся линеййой величиной (перемещением) определенного значения. В результате замыкания контактов сопротивление электрической цепи изменяется от бесконечности до малой конечной величины. По количеству последовательно замыкаемых контактов электроконтактные преобразователи подразделяются на одноконтактные, двухконтактные и многоконтактные (рис. XVI. 1). Одноконтактные

используются в тех случаях, когда, например, размер контролируемого изделия достаточно сравнить с одним из предельных размеров. В связи с этим одноконтактные преобразователи называют также однопредельными. Соответственно двухконтактные преобразователи, используемые при необходимости сравнения размера контролируемого изделия с двумя предельными размерами, называют двухпредельными.

Рис. XVI. 1. Принципиальные схемы электроконтактных преобразователей, работающих на замыкание: а — одноконтактный; б — двухконтактный; в — многоконтактный

По воздействию на электрическую схему различают преобразователи, работающие на замыкание контактов (см. рис. XVI. 1) и преобразователи, работающие на размыкание контактов (рис. XVI.2).

Рис. XVI.2. Схема электроконтакт-ного устройства, работающего на размыкание контактов

Двухконтактные и многоконтактные преобразователи широко используются в автоматических устройствах активного контроля и в контрольно-сортировочных автоматах для рассортировки деталей по размерам на три и более групп [14]. В общем случае электро-контактный преобразователь состоит из измерительного стержня, воспринимающего подлежащее регулированию перемещение, механизма преобразования и электрических контактных пар. Измерительный стержень соприкасается с контролируемой деталью через сменный измерительный наконечник.

Первый контакт пары в период работы преобразователя неподвижен. Второй контакт перемещается на величину, зависящую от перемещения измерительного стержня и чувствительности механизма преобразования. Неподвижный контакт смещают в процессе настройки преобразователя на величину, соответствующую одному из предельных значений проверяемого размера. Этот контакт называется также настроечным.

Механизмы, преобразующие изменение контролируемых размеров в замыкание или размыкание контактов, могут быть механическими, жидкостными, пневматическими и др. Механические электроконтактные преобразователи в зависимости от вида механизма преобразования подразделяются на безрычажные, рычажные и рычажнопружинные. Схемы этих преобразователей даны на рис. XVI .3.

В безрычажном преобразователе (рис. XVI .3, а) подвижный контакт 2 закреплен непосредственно на измерительном стержне

1. Подвижный контакт 2 перемещается на ту же величину, что и измерительный стержень.

Рис. XVI.3. Схемы электроконтактных преобразователей: а — безрычажный; б, в — рычажно-чувствительные; г — рычажно-пружинный

Чувствительность (передаточное отношение) механизма преобразования равна 1. Рычажные и рычажнопружинные устройства в механизмах преобразования предназначаются для увеличения перемещения подвижного контакта по сравнению с перемещением измерительного стержня, т. е. для повышения их чувствительности.

На рис. XVI.3, б показана схема преобразователя с одним неравноплечим рычагом. При перемещении измерительного стержня 1, опирающегося на деталь 9, поворачивается неравноплечий рычаг 8. На концах рычага установлены контакты 5, замыкающиеся с настроечными контактами 6. Пружина 7 прижимает короткое плечо рычага к штифту 4, запрессованному в хомут 2, пружина 3 создает измерительное усилие. Такие датчики имеют чувствительность (передаточное отношение) от 3 до 10.

На рис. XVI.3, в дана схема рычажного преобразователя для чувствительности (передаточных отношений) от 20 до 30. Увеличение чувствительности достигается за счет уменьшения малого плеча а.

В рычажно-пружинных преобразователях (рис. XVI.3, г) преобразующий механизм имеет упругие плоские или скрученные пружины. При перемещении измерительного стержня 1, опирающегося на деталь 6, изгибаются плоские пружины 2, екрепленные вверху. Установленный в месте соединения пружин стержень 5 также будет смещаться, разъединяя контакты или контакты 4. Рычажнопружинные механизмы преобразования имеют чувствительность порядка 100:1. В преобразователях, применяемых для измерения размеров деталей путем сопоставления их с рядом предельных значений, имеется жесткая связь между перемещением измерительного стержня и перемещением подвижных контактов. Для контроля отклонений формы и взаимного расположения поверхностей применяют так называемые амплитудные электроконтактные преобразователи. В этом случае осуществляется фрикционная связь между перемещением измерительного стержня и перемещением подвижного контакта. С помощью амплитудных преобразователей контролируется величина колебания измеряемого размера независимо от его номинального значения.

На рис. XVI.4 приведена одна из конструкций двухпредельного универсального преобразователя. Корпус преобразователя имеет плоскую прямоугольную форму. Он состоит из металлической скобы 1 и замыкающей планки 10, на которой закреплены преобразующий (передаточный) механизм и настроечные винты 13 с электрическими контактами на концах. Измерительный стержень 2, имеющий цилиндрическую форму, перемещается во втулках, установленных в корпусе. На конце измерительного стержня закрепляется съемный измерительный наконечник 9. Сверху в корпусе предусмотрено отверстие для установки отсчетной головки (см. рис. XVI .4, а), используемой при настройке преобразователя и для контроля его работы. Гайка микропередачи 8 служит для перемещения измерительного стержня при настройке преобразователя с использованием отсчетной головки. Пружина 6 предназначается для создания измерительного усилия. Рычаг 3 механизма преобразования с электрическими контактами на концах присоединен к планке 10 корпуса с помощью крестообразного пружинного шарнира и колодки 12. В рычаг 3 запрессован цилиндрический корундовый штифт 5, который прижат снизу под действием пружин шарнира к контактной плоскости хомутика 4. В этом случае возможные удары, воспринимаемые измерительным стержнем, не будут передаваться на механизм преобразования. Для уменьшения износа конец хомутика 4 выполнен из твердого сплава. Расстояние от корундового штифта до пересечения плоских пружин крестообразного шарнира является малым плечом рычага. Применение пружинных шарниров характерно для измерительных головок и преобразователей малых линейных перемещений. Пружинные направляющие применяют для небольших продольных перемещений и поворотов. Их преимуществом является отсутствие механического трения и зазоров, имеющихся в обычных направляющих и шарнирах. В связи с этим

обеспечивается высокая стабильность измерений, возможность получения измерительного усилия за счет упругих сил самих направляющих. Нижний электрический контакт присоединен к рычагу с помощью плоской пружины 7. Такое устройство допускает дальнейшее смещение измерительного стержня вниз после замыкания этого контакта и возможность снятия с отсчетной головки отклонений, превышающих значение, на которое настроен соответствующий настроечный контакт преобразователя.

Рис. XVI.4. Конструкция электроконтактного двухпредельного преобразователя: а — внешний вид; б — конструкция

Верхний электрический контакт непосредственно закреплен в верхнем конце рычага, так что его соприкосновение с неподвижным контактом не препятствует перемещению измерительного стержня вверх. Расстояние от подвижных электрических контактов до пружинного шарнира равно большому плечу рычага. Неподвижные электрические контакты запрессованы в торцы настроечных винтов 13, снабженных отсчетными барабанчиками 11.

Для обеспечения более точного регулирования положения неподвижных электрических контактов применяют дифференциальные настроечные винты (рис. XVI.5). Настроечный винт 1 имеет две нарезки с шагом и с шагом При повороте винта 1 на один

оборот он сместится в осевом направлении на а втулка 2, которая движется только поступательно по второй резьбе винта, сместится в обратном направлении на величину шага . В результате этого смещение контакта 3 за один оборот винта будет равно разности шагов Принимая , получим . Если шкала барабанчика настроечного винта имеет 50 делений, то цена деления шкалы будет равна 0,001 мм.

На рис. XVI.6 показана конструкция амплитудного преобразователя, который отличается от уже рассмотренного только устройством механизма преобразования, обеспечивающим фрикционную связь между измерительным стержнем и рычагом с электрическими подвижными контактами.

Рис. XVI.5. Конструкция дифференциального настроечного винта

Рис. XVI.6. Конструкция амплитудного преобразователя

К колодке 13 с помощью крестообразного пружинного шарнира подвешен передаточный рычаг 9 с электрическими контактами 3 и 11. На рычаге закреплен сектор 8. К сектору с помощью пружины 7 прижата фрикционная планка 6 из текстолита. Пружина 7 и планка 6 закреплены в верхней части измерительного стержня 4 на хомутике 5. В нижней части стержня закреплен шарик 10. На планке 1 корпуса закреплены неподвижные электрические контакты 2 и 12. Верхний контакт 2 является регулируемым. Он запрессован в торец настроечного винта 14, снабженного отсчетным барабанчиком 15. Принцип работы амплитудного преобразователя заключается в следующем. Подлежащее преобразованию колебание перемещения объекта воспринимается измерительным стержнем 4. Перемещение измерительного стержня с помощью планки 6 фрикционно передается сектору 8, благодаря чему происходит поворот рычага 9 до момента

замыкания верхней или нижней пары контактов (2 и 3 или 11 и 12). Поворот рычага прекращается в момент, когда его контакт упрется в один из неподвижных контактов. Благодаря фрикционному соединению, допускающему проскальзывание в паре сектор — планка, измерительный стержень продолжает перемещаться в том же направлении до тех пор, пока преобразуемое перемещение не достигнет экстремального (наибольшего или наименьшего) значения.

После этого измерительный шток начинает смещаться в противоположном направлении, поворачивая в обратную сторону сектор 8 вместе с рычагом. С этого момента начинается проверка преобразователем величины колебания измеряемого перемещения. Замыкание контакта рычага со вторым неподвижным контактом зависит от величины изменения проверяемого размера, т. е. от второго экстремального значения. Соответствующей настройкой регулируемого неподвижного контакта можно получить замыкание контактов при обратном повороте рычага, если диапазон изменения проверяемой величины выходит за допустимые пределы.

На рис. XVI.7 показана конструкция трехконтактного преобразователя. Известны конструкции многоконтактных преобразователей [14]. Основные технические и точностные характеристики некоторых промышленных электроконтактных преобразователей приведены в табл. XVI. 1.

Таблица XVI.1 (см. скан) Характеристики серийно выпускаемых электроконтактных преобразователей