Глава 2 Измерительные преобразователи

В настоящее время для измерения и контроля линейных и угловых размеров машиностроительных деталей и  перемещений рабочих органов  металлорежущих станков широкое распространение получили   индуктивные преобразователи и инкрементные емкостные и фотоэлектрические преобразователи.  Реже применяют пневматические,  пневмоиндуктивные и электроконтактные преобразователи. Преобразователи применяют в ручных и автоматических  приборах для  контроля размеров, в координатно-измерительных машинах, в приборах для контроля в процессе обработки деталей на металлорежущих станках, в устройствах для настройки инструмента вне станка и т.п.

     2.1. ИНДУКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Индуктивные преобразователи  заняли доминирующее положение в  приборах для размерного  контроля, благодаря целому ряду несомненных  преимуществ по сравнению с другими типами преобразователей. Их выгодно отличают относительная простота конструкции, достаточно высокая   мощность выходного сигнала при малых габаритных размерах и массе, высокая точность и надежность, пониженная чувствительность к изменению условий окружающей среды, сочетание хороших динамических свойств с возможностью передачи сигнала на сравнительно большое расстояние (до 10 –15 м) с минимальными искажениями и потерями.

Для удовлетворения эксплуатационных требований, предъявляемых к средствам активного  и послеоперационного контроля,  индуктивные  преобразователи должны обладать температурной стабильностью параметров, устойчивостью к воздействию влаги, вибрации и внешних электромагнитных полей, хорошо встраиваться в измерительную оснастку; их обслуживание и ремонт должны осуществляться без особых затруднений. Конструкция преобразователей должна отличаться технологичностью, а для обеспечения условий взаимозаменяемости иметь небольшой разброс основных параметров.

В индуктивных преобразователях используется зависимость индуктивного сопротивления обмоток от изменения длины или площади воздушного зазора между якорем и магнитопроводом (рис.2.1 и 2.2), Таким образом, параметры электрического сигнала выходной цепи преобразователя функционально зависят от линейного перемещения якоря, связанного с отклонением размера объекта контроля.

Одинарный недифференциальный преобразователь, включенный в измерительную схему (рис.2.1, а), в области воздушных зазоров δ < 0,5 мм имеет высокую чувствительность, однако малую протяженность линейного участка ℓ  характеристики I = f(δ), сдвинутой относительно начала координат на Io (рис.2.1, б). Практическое использование такой характеристики затруднено тем, что минимальный сигнал на выходе не достигает нуля и не изменяет своей  полярности. При увеличении воздушного зазора чувствительность преобразователя убывает, а протяженность линейного участка возрастает. Рис. 2.1  Принципиальные схемы и характеристики индуктивных преобразователей с изменяющейся длиной воздушного зазора:

а, б — одинарный преобразователь и его характеристика; а, г — одинарный преобразователь, включенный в дифференциальную схему, и его характеристика; д, е –  дифференциальный преобразователь и его характеристика; 1 – якорь преобразователя;  2 — обмотка;  3 — магнитопровод; 4 — компенсационная обмотка.

Этот преобразователь чувствителен к колебанию температуры окружающей среды, изменению напряжений  несущей частоты источника питания.

При использовании одинарных недифференциальных преобразователей (рис. 2.1, а) в электронных  приборах с аналоговыми схемами преобразования сигнала  необходимая точность и линейность преобразования обеспечиваются применением источника питания схемы, стабилизированного по частоте и амплитуде, использованием резонансной схемы линеаризации характеристики преобразователя, применением: прецизионных радиотехнических элементов с особыми свойствами. Единственным достоинством одинарного преобразователя является  малые размеры и удобная встройка в измерительную оснастку.

Характеристики и чувствительность одинарного псевдодифференциального преобразователя, включаемого в дифференциальную измерительную схему (рис.2.1, в, г), подобны характеристикам преобразователя (рис.2.1, а, б). Дополнительный магнитопровод с компенсационной обмоткой позволяет уменьшить погрешности, обусловленные изменением параметров электрического питания обмоток и колебанием температуры окружающей среды. Соответственно  снижаются требования к стабильности источника питания.

Благодаря дополнительному магнитопроводу выходная характеристика преобразователя не имеет сдвига и проходит через начало координат при равенстве зазоров δ = δ0   (рис. 2.1, г).

Широкое использование одинарных индуктивных преобразователей в  приборах активного контроля объясняется отсутствием механического ограничения перемещения якоря в направлении возрастания рабочего зазора, что дает возможность закрепить легкий якорь непосредственно на измерительном элементе (рычаге, каретке), воспринимающем изменение контролируемого размера. При этом исключается необходимость в механической разгрузке измерительной цепи, повышаются точность и надежность за счет отсутствия дополнительных направляющих для подвески якоря, исключения механического контакта с измерительным рычагом. Малая масса подвижных частей обеспечивает хорошие динамические свойства. Конструкция преобразователя достаточно вибропрочна и виброустойчива. Преобразователь нечувствителен к смещению якоря до 0,5 мм в направлениях, перпендикулярных к измерительному перемещению, следовательно, отсутствуют повышенные требования к точности взаимного расположения якоря и магнитопровода. Экономичность конструкции преобразователя определяется его простотой, технологичностью и ремонтопригодностью, в том числе за счет применения стандартных ферритовых изделий.

Дифференциальные преобразователи (рис.2.1, д и 2.2, а и б), представляющие собой конструктивное объединение двух одинарных преобразователей, имеют общий подвижный якорь. При перемещении якоря воздушный зазор (или площадь) одного простого преобразователя уменьшается, а второго увеличивается. В выходной цепи преобразователя протекает ток, соответствующий разности токов I = I1 – I2 парных обмоток, имеющих общую точку (рис.2.1, е).

Достоинством дифференциальных индуктивных преобразователей является возможность получения линейной характеристики в сравнительно большом диапазоне перемещений якоря, поскольку нелинейности характеристик двух симметричных половин  компенсируются. Эти преобразователи обладают примерно в 2 раза большей чувствительностью по сравнению с одинарными, менее чувствительны к изменению температуры окружающей среды, вызывающей одинаковые изменения активных сопротивлений парных обмоток.Дифференциальный преобразователь с изменяющейся длиной воздушного зазора (рис, 2.1, д) имеет меньшую протяженность линейного участка характеристики и более высокую чувствительность по сравнению с плунжерными дифференциальными преобразователями с переменной площадью воздушного зазора (рис. 2.2,  а).  Недостатком конструктивной схемы преобразователя, показанной на рис. 2.2,  д), является механическое ограничение свободного хода якоря,  определяемое малыми зазорами δ = 0,2 –1 мм между якорем и катушками. Значение этих зазоров лимитируется нелинейностью и чувствительностью характеристики преобразования. Использование  преобразователя в измерительной оснастке  приборов активного контроля требует обеспечения свободного хода с помощью дополнительных конструктивных элементов, увеличивающих массу подвижных частей и ухудшающих  динамические свойства.

Дифференциальный Ш-образный преобразователь (рис. 2.2, б) редко применяется в измерительной оснастке  приборов активного контроля главным образом в тех случаях, когда необходимо обеспечить большие хода измерительных рычагов (например, при контроле желобов шарикоподшипников). Преобразователь реагирует не только на ход якоря 1 в направлении измерения, но и на изменение зазора δ между якорем 1 и магнитопроиодом 4, приводящее к нежелательному изменению чувствительности. Обеспечение постоянства зазора вынуждает повышать требования к точности направляющих, на которых перемещается якорь.

Наибольшее распространение в  приборах активного контроля  получили дифференциальные индуктивные преобразователи плунжерного типа (рис. 2.2, а). Преобразователи выпускают Челябинский инструментальный завод (мод. БВ-6067 и БВ-6240), фирма  РОБОКОН, фирма Marposs (Италия) и другие, Преобразователи не имеют механического ограничения хода якоря в диапазоне измерения. Нелинейность выходной характеристики этих преобразователей обычно составляет 1–2%  рабочего диапазона перемещения (от ±0,5 до ±1,0 мм).

     Индуктивные преобразователи БВ 6067 и БВ-6240. Принцип действия преобразователей основан на изменения индуктивности обмоток вследствие изменения магнитного сопротивления магнитной цепи, в которой перемещается ферромагнитный якорь.

В преобразователях мод. БВ-6067 и БВ-6240 (рис. 2.3) применена дифференциальная система чувствительных элементов, образованная двумя обмотками переменной индуктивности 4 и 5 и подвижным якорем 6 плунжерного типа. В качестве упругих направляющих для осевого перемещения якоря служат дисковые пружины 2 и 3, снабженные концентрическими дуговыми прорезями. Измерительное усилие на контактном наконечнике 1 создается пружиной 9. Для якоря и магнитопровода используют мягкие ферриты с коэффициентом магнитной проницаемости 1500—2000 гс/э. Измерительные обмотки образуют смежные плечи измерительного моста переменного тока. При работе с аналоговыми блоками питание обмоток осуществляется стабилизированным по амплитуде и частоте переменным напряжением 1,5 В, 10 кГц.

При симметричном расположении якоря по отношению к элементам магнитопровода 7, 8 и обмоточным секциям катушек геометрическая середина якоря совпадает с электромагнитной нейтралью. Устанавливается балансное состояние системы, характеризуемое минимальным значением выходного сигнала преобразователя, принимаемое за нуль.

Связанное с отклонением контролируемого размера смещение якоря от нейтрали перераспределяет активные площади магнитной системы, что приводит к изменению величины магнитного сопротивления магнитной цепи преобразователя, к увеличению индуктивности одной обмотки, уменьшению индуктивности другой и, как следствие, к изменению ихРис.2.3. Индуктивный преобразователь БВ-6067 и БВ-6240

индуктивного сопротивления. Благодаря этому возникает дисбаланс моста, два плеча которою составляют обмотки преобразователя, и на выходе появляется переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна отклонению контролируемого размера, а фаза соответствует направлению смещения якоря. При переходе якоря через нейтральное положение (нуль) фаза  выходного напряжения меняется на 180о.

Выходной сигнал преобразователя, линейно пропорциональный отклонению размера, поступает к преобразующим и усилительным элементам электронного блока. С учетом знака и числового значения текущего отклонения контролируемого параметра электронный блок вырабатывает команды в дискретной или аналоговой форме, воздействующие на исполнительные органы станка.

Элементы конструкции преобразователя заключены в цилиндрический корпус с присоединительным диаметром 16h7, внутренняя полость которого герметизирована уплотнениями из маслобензостойкой мягкой резины. Благодаря этому преобразователь применяется для установки в негерметичную измерительную оснастку и пригоден для эксплуатации в условиях повышенной влажности, непосредственно в рабочей зоне металлорежущего станка.

Эксплуатационные и точностные параметры преобразователей сохраняются при их установке в любое рабочее положение — вертикальное, горизонтальное или наклонное. Во избежание преждевременного выхода преобразователя из строя контролируемый объект не рекомендуется вводить в непосредственное соприкосновение с контактным наконечником 1. Перемещения должны передаваться через промежуточное кинематическое звено измерительной оснастки, снабженное ограничителями хода. Чувствительность преобразователя регулируется с помощью элементов  преобразующей системы электронного блока. Степень защиты преобразователя IP68.

Малогабаритный индуктивный преобразователь БВ-6174 (рис. 2.4) предназначен для встраивания в герметичную измерительную оснастку  приборов. Элементы конструкций преобразователей на рис. 2.3 и 2.4 с совпадающими функциями имеют одинаковые номера позиций. Принцип действия этих преобразователей аналогичен.                     Рис.2.4. Индуктивный преобразователь БВ-6174

Технические характеристики преобразователей БВ-6067, БB-6174 и БB-6240 приведены в табл.2.1.

Таблица 2.1

Характеристики БВ-6067 БВ-6240 БВ-6182 БВ-6174
Рабочий участок характе-ристики, мм ±0,3 ±0,5 ±0,5 ±0,5
Нелинейность характерис-тики на рабочем участке, % 1 1 1
Чувствительность, мВ/мкм       0,2       0,2       0,1     0,25
Измерительное усилие, Н   2±0,25 1,5±0,25        –   0,5±0,1
Напряжение питанияпеременного тока, В       1,5      1,5   1–1,5    1—1,5
Частота питающегонапряжения, кГц 10–12 10–12 10–12 10–12
Полный ход S, мм      ±0,5    ±0,75         –     ±0,75

      Индуктивный преобразователь БВ-6182. Индуктивный преобразователь (рис. 2.5) состоит из двух идентичных по характеристике частей — измерительной и компенсационной, снабженных соответственно обмотками 5 и 6. Магнитопроводом измерительной части служат броневой ферритовый сердечник 2 и механически связанный с объектом контроля подвижный якорь 1, взаимодействующий с открытым торцом сердечника 2 через переменный Рис.2.5. Индуктивный преобразователь БВ-6182

воздушный зазор δ. Броневой сердечник 4 и дно сердечника 2, используемое в качестве неподвижного якоря, является магнитопроводом компенсационной части. Между закрытым торцом сердечника 2 и открытым торцом сердечника 4 имеется постоянный зазор δ0, обеспечиваемый диэлектрической прокладкой 3, толщина которой определяется из условий обеспечения необходимой чувствительности и линейности преобразования. Обмотки 5 и 6 преобразователя подключаются к источнику переменного тока дифференциальной измерительной схемы. Возбуждаемые и обмотках магнитные потоки проходят через магнитопроводы измерительной и компенсационной частей и через воздушные зазоры  δ и δо.. Для якоря и магнитопровода используют мягкие ферриты с коэффициентом магнитной проницаемости 1500–2000 гс/э.

Под воздействием контролируемого перемещения подвижный якорь 1 смещается в направлениях, указанных на чертеже стрелками. Соответственно изменяется  зазор δ. Зазор δ0 остается постоянным. Благодаря этому меняются магнитное сопротивление цепи магнитопровода измерительной части, индуктивность и комплексное электрическое сопротивление обмотки 6, а соответственно разность токов в обмотках 5 и 6,которая близка к нулевому значению при равенстве зазоров δ = δ0   (положение баланса). Смещение якоря 1 из балансного положения приводит к возникновению на выходе преобразователя переменного напряжения, амплитуда которого пропорциональна смещению якоря, а фаза соответствует направлению этого смещения. Переход якоря через положение баланса изменяет фазу выходного напряжения на  180о. На рис. 2.6. показана статическая характеристика преобразователя U = =f(δ), а на рис. 2.7 — нелинейность этой характеристики ε в зависимости от диапазона перемещений ∆δ.

Нелинейность характеристики 2  (Рис.2.8) определена отношением разности максимальных отклонений действительных значений выходных сигналов от значений аппроксимирующей прямой (∆U1max,…, ∆Ukmax) к соответствующим изменениям сигналов (∆U1,…, ∆Uk) на рассматриваемых участках перемещении (∆δ1,…., ∆δk)

                             ε =  ∆Umax/∆U                         (2.1)

Аппроксимирующая прямая 1 проведена через начало координат   δQ и точку характеристики, соответствующую перемещению ∆δ 1 = 0,050 мм.

Область применения преобразователя БВ-6182 ограничена из-за малой протяженности линейного участка характеристики.  При использовании двух таких преобразователей 1 и 4 для электрического суммировании перемещений измерительных рычагов 2 и 3 (рис. 2.9, а) два нелинейных сигнала складываются. При смещении центра детали вдоль линии измерения возникает дополнительная погрешность суммирования, которая устраняется при встройке одного преобразователя 1 в измерительную оснастку, выполненную по схеме механического суммирования перемещений измерительных рычагов 2 и 3  (рис. 2.9, б).Наиболее эффективным способом снижения погрешности от нелинейности характеристики является использование электронных схем линеаризации выходного сигнала преобразователя. Схема линеаризации, разработанная для электронного блока мод. БВ-6230обеспечивает линейность характеристики преобразователя до 1,2 % на участке 1 мм. Еще более высокую линейность характеристики обеспечивает схема линеаризации микропроцессорного блока БВ-6425.

Преобразователь БВ-6182 устанавливают в герметичную измерительную оснастку  приборов активного контроля. Использование преобразователя рационально в следующих случаях: в измерительной оснастке, работающей в условиях повышенной вибрации, в том числе при

контроле деталей с прерывистой поверхностью, при наличии в измерительной цепи кинематических звеньев, обладающих недостаточной жесткостью, для случаев контроля, требующих малых измерительных усилий. При использовании преобразователей БВ-6182 с современными микропроцессорными блоками результаты линеаризации характеристик и суммирования сигналов двух преобразователей получаются значительно лучше, чем в традиционных аналоговых блоках.

Технические характеристики преобразователя БВ-6182 приведены в табл. 2.1.  Рис. 2.10.  Индуктивный преобразователь завода “ИЗМЕРОН”

Универсальный индуктивный преобразователь. Кроме описанных специальных индуктивных преобразователей, предназначенных для работы в жестких условиях эксплуатации в приборах активного контроля непосредственно в зоне обработки металлорежущего станка, выпускаются универсальные индуктивные преобразователи, применяемые как в ручных, так и в автоматических приборах послеоперационного контроля.

Конструкция    преобразователя показана на рис.2.10.

В цилиндрическом  корпусе  4    расположен неподвижный магнитопровод 8 с двумя (или тремя) катушками 6 и подвижный шток 3. Шток перемещается в шариковых направляющих на насыпных шарах 9 диаметром 0,68-0,8 мм,  собранных с небольшим натягом 1-2 мкм. Такая конструкция обеспечивает легкость и точность перемещения, устойчивость к боковым усилиям на измерительный наконечник. На конце штока 3 установлен ферритовый стерженек 7, который перемещается внутри катушек 6 и служит якорем индуктивного преобразователя. На другом конце штока 3 расположен измерительный наконечник 1,  оснащенный твердосплавным шариком диаметром  3 мм.   Измерительное усилие создается пружиной 5.     Катушки индуктивности  расположены в ферритовом магнитопроводе.  Якорь установлен в немагнитной втулке с коэффициентом  расширения, близким к коэффициенту расширения магнитопровода.

Катушки преобразователя намотаны аккуратно уложенным виток  к  витку тонким проводом диаметром 0,04-0,08 мм с числом витков 600-800. Омическое сопротивление катушек составляет несколько ом. Для якоря и магнитопровода используют мягкие ферриты с коэффициентом магнитной проницаемости 2000-6000 гс/э.

Якорь преобразователя закреплен на конце тонкого относительно  длинного цилиндрического штока.      Масса подвижного штока составляет от 2 до 10 г. Это позволяет использовать преобразователи в динамическом режиме при изменении  размеров  с частотой до 60 Гц.

Катушка  преобразователя включают  в полумостовую (Рис.2.11, а)  или трансформаторную схему. Трансформаторная схема имеет одну питающую  и две измерительных катушки,  включенные в мостовую схему (рис.2.11, б), и    позволяет  легче совмещать преобразователи с электронными блоками разных фирм.

Катушки преобразователя  питают переменным  синусоидальным напряжением от 1 до 6 В частотой 5–20 кГц.    Чувствительность преобразователей составляет от 75 до 190 mV/V/мм. Рис. 2.11. Схема включения катушек индуктивного преобразователя.          а) дифференциальная; б) трансформаторная

При меньших требованиях к точности выпускаются  преобразователи с направляющими скольжения,  в которых стальной закаленный шток  перемещается  без  зазора  в  бронзовых втулках. Для особо точных измерений  шток преобразователя устанавливают  на плоских круглых  мембранах с дуговыми прорезями.  Такие преобразователи можно применять только при отсутствии боковых усилий.

Основная масса преобразователей выполнена в цилиндрическом корпусе с наружным диаметром 8h6 или 8h7. Корпус выполнен из нержавеющей стали с твердым никелевым  или  хромовым  покрытием,  хорошо защищающим его от коррозии в цеховых условиях. Корпус служит одновременно посадочным диаметром для установки его в измерительную оснастку. Иногда корпус преобразователя делают с наружным диаметром 6 мм для малогабаритной  измерительной  оснастки или 12 мм для преобразователей с большим диапазоном измерения.

Большинство преобразователей  имеют  длину  около 100 мм с аксиальным или радиальным выводом кабеля.  Вывод кабеля надежно защищен резиновым уплотнением. Длина кабеля  2 м. Увеличение длины кабеля может привести к ухудшению метрологических характеристик преобразователя. Выпускаются и малогабаритные модели преобразователя  длиной до 30 мм.

Корпус и направляющие преобразователя надежно герметизированы резиновыми уплотнениями.  Подвижный шток защищен мягким резиновым  уплотнением («гармошкой»). Степень защиты преобразователя IP 64.

Выпускаются преобразователи с диапазоном измерения  ±0,2;  ±1,0  и ±2 мм.  Имеются модели с диапазоном измерения ±5 и ±10 мм.

Преобразователи выпускаются в нескольких исполнениях с разным  измерительным  усилием.  Наименьшее измерительное усилие составляет 0,16 Н, наибольшее  – 1,0 Н.

Нелинейность характеристики собственно  преобразователей  составляет (0,2+2L) мкм, где L диапазон измерения в мм. При использовании преобразователя с микропроцессорным блоком, имеющим программу линеаризации, можно выпрямить характеристику и повысить ее линейность. В комплекте с аналоговыми или микропрцессорными электронными блоками индуктивные  преобразователи устойчиво работают при цене деления шкалы или дискретности цифрового отсчета 0,1 и даже 0,01 мкм.    Нестабильность показаний  преобразователей  составляет  от  0,01  до 0,2 мкм у разных моделей преобразователей.  Погрешность прямого и обратного хода составляет от 0,01 до 0,25 мкм.  Смещение нуля при изменении окружающей температуры – 0,25 мкм/ 0С.

Преобразователи могут  применяться  при  температуре от -100 до 650С. Однако точностные параметры гарантируются при  нормальной  температуре 20 0C.

При необходимости подъема (арретирования) штока в процессе измерения преобразователи могут быть  снабжены ручным или пневматическим арретиром,  использующим давление или разрежение.

К недостаткам описанных преобразователей относится слабый корпус, чувствительный к пережиму при закреплении преобразователя во втулке, малый диаметр шаров направляющих, снижающий их жесткость.

Описанные индуктивные  преобразователи кроме  завода ИЗМЕРОН (Санкт-Петербург) выпускают   фирмы Karl Mahr (Германия),  Tesa (Швейцария),  Marposs (Италия)   и др.       Фирмы выпускают несколько десятков моделей преобразователей, отличающихся диапазоном измерения, длиной корпуса, направлением вывода кабеля и т.п.

2.2. ИНКРЕМЕНТНЫЕ ЕМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Инкрементные  преобразователи  измеряют приращение измеряемой координаты при перемещении измерителя (отсюда и их название,  increment – приращение). Подобные преобразователи благодаря возможности интерполирования результатов измерения относительно периода шкалы измерителя обладают высокой разрешающей способностью. Инкрементные емкостные преобразователи выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы. Поэтому емкостные преобразователи наиболее удобны для применения в измерительных системах с жесткими ограничениями на потребляемую мощность. Их широко используют в ручном измерительном инструменте с цифровым отсчетом (штангенциркули, микрометры, штангенрейсмусы, высотомеры) с батарейным питанием.

Работу инкрементного емкостного преобразователя можно рассмотреть на примере преобразователя, показанного на рис.2.12.  Хотя на практике применяют и другие конфигурации шкал, работающих на том же принципе [10]..

Преобразователь состоит из двух плоских шкал, выполненных из диэлектрического материала (например, из фольгированного стеклотекстолита), на котором размещены изолированные друг от друга электроды. Шкалы подвижны друг относительно друга только в одном продольном направлении. Условно примем, что верхняя шкала 1 подвижная, а нижняя 5 – неподвижная.   На верхней шкале 1 нанесены одинаковые прямоугольные электроды 2 с постоянным шагом ℓ. На эти электроды от специального генератора подаются периодические напряжения, имеющие одинаковую форму и амплитуду, но сдвинутые по фазе. Указанные электроды являются передающими. Расположенный на той же шкале длинный электрод 3 является приемным.

На неподвижной шкале 5 с постоянным шагом L нанесены электроды связи 4, некоторые из которых перекрывают и передающие и приемный электроды и осуществляют емкостную связь части передающих электродов с приемным. Отношение между шагом  передающих электродов и шагом электродов связи  составляет  L/ℓ = m, где   m – целое число и означает число передающих электродов, размещенных на интервале, равном шагу L.

Рис. 2.12. Схема инкрементного емкостного преобразователя перемещений

Нормальная работа инкрементного емкостного преобразователя обеспечивается m-фазной системой питания передающих электродов для создания периодической пространственной волны. Все напряжения периодические, имеют идентичную форму, одинаковую амплитуду и обеспечивают заданный сдвиг фаз Δφ = 2π/m.

Периодические напряжения передающих электродов создают волну, распространяющуюся между двумя пластинами. Часть этой волны попадает на приемный электрод и выходной сигнал преобразователя подается на фазочувствительное устройство, которое может определить момент времени t1, когда фаза выходного сигнала достигает значения φ0, если подвижная шкала смещена относительно неподвижной на величину х1. При смещении подвижной шкалы на величину х2 та же фаза φ0 достигается в момент времени t2. Измеряя сдвиг фазы выходного сигнала можно получить величину перемещения подвижной пластины преобразователя относительно неподвижной. Причем однозначность связи фазы с перемещением до определенных значений не зависит от скорости и ускорения движения подвижной шкалы относительно неподвижной.

Однако инкрементные емкостные преобразователи не обладают такой высокой точностью как фотоэлектрические преобразователи. Это объясняется тем, что носители информации – шкалы преобразователя выполнены из пластика и шаг нанесенных на них электродах не может быть выполнен таким малым, как на стеклянных шкалах фотоэлектрического преобразователя.  Погрешность линейных емкостных преобразователей с диапазоном измерения от 140 до 1000 мм составляет 20-50 мкм. Поэтому емкостные преобразователи применяют главным образом в ручных измерительных приборах (штангенциркули, микрометры, нутромеры, индикаторные головки, высотомеры) со сравнительно небольшими диапазонами измерения. В этих приборах добиваются погрешности  5 – 10 мкм.

Емкостные  преобразователи чрезвычайно конструктивны и технологичны. Неподвижная длинная шкала выполняется на пластине или ленте из фольгированного текстолита шириной 15-20 мм и толщиной 1 мм. Шкала наклеивается на основание прибора, например, на штангу штангенциркуля.  Подвижная шкала выполнена в одном блоке с  микросхемой  и цифровым дисплеем. Весь подвижный блок занимает очень мало места, что позволяет широко использовать емкостные преобразователи в ручных и автоматических измерительных приборах. В настоящее время большинство фирм, выпускающих ручные приборы, снабжают их емкостными преобразователями и встроенным цифровым отсчетом.

Емкостные инкрементные преобразователи выпускает фирма Sylvac (Швейцария), Mitutoyo (Япония) и др.

        2.3. РАСТРОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Совместное применение двух оптических периодических шкал (подвижной и неподвижной) для получение информации об их взаимном положении уже давно используют для контроля перемещений.  Основу таких шкал составляли растровые решетки представляющие собой совокупность штрихов и просветов между ними, образующих периодическую структуру,  воздействующую на поток света как единое целое.

В зависимости от воздействия на поток света различают  растры прозрачные и отражательные. Прозрачные растры выполняют на пластинах из стекла  или стеклянной керамики, на которых нанесены непрозрачные штрихи, чередующиеся с прозрачными интервалами. Отражательные растры выполняются на стальных пластинах в виде решеток с элементами, зеркально отражающими свет, или нанесением на стекло золотых отражающих штрихов, чередующих с матовыми вытравленными переходами между ними.

Если одна шкала жестко закреплена, например, на станине станка, а другая связана с подвижным столом станка или его шлифовальной бабкой, то считывая число полос, проходящих через любую фиксированную точку, получают значение перемещения подвижной детали, выраженное через число шагов растровой решетки. Таким образом, материальным носителем величины перемещения (или размера) является стеклянная или стальная шкала с нанесенным на ней периодическим растром. Стабильность положения штрихов оптической растровой шкалы на жестком материале с заданным коэффициентом линейного расширения обеспечивает  высокую точность и повторяемость результатов измерения.

В современных фотоэлектрических преобразователях применяют параллельный растр, состоящий из непрозрачных штрихов, нанесенных с постоянным шагом, причем толщина штриха равна ширине интервала между штрихами. Основными оптическими характеристиками растра являются шаг растра (период) и светосила (пропускание). Шаг растра – это линейное или угловое расстояние между осями двух соседних элементов растра. Светосила характеризуется отношением ширины прозрачного элемента растра к шагу. Обычно это отношение равно 1:2.

Принципиальная схема линейного фотоэлектрического растрового преобразователя перемещений показана на рис.2.13.  Преобразователь состоит из неподвижной длинной стеклянной шкалы 2, подвижной индикаторной пластины 3, осветителей 4 и приемников излучения 1. На всей длине шкалы нанесены непрозрачные штрихи с заданным шагом. В большинстве случаев наносят штрихи с шагом 20 или 40 мкм. Для достижения более высокой  точности  используют растры с шагом  штрихов 10 и 4 мкм.  На подвижной индикаторной пластине 3 нанесены четыре отдельных растровых  решетки А, -А и В, -В с тем же шагом 20 или 40 мкм, что  на основной  шкале 2. Причем растровые решетки в каждой паре сдвинуты относительно друг друга на 1/2 шага,  а решетки одной пары сдвинуты относительно решеток другой пары на 1/4 шага растра. Такая конструкция позволяет компенсировать постоянную составляющую основного сигнала и определять направление перемещения индикаторной пластины. Каждая решетка на индикаторной пластине имеет отдельный источник и приемник излучения. Таким образом, в сканировании штриховых растров задействованы четыре светодиода и четыре фотодиода.  В качестве осветителей применяют инфракрасные светодиоды, а приемниками служат кремниевые фотодиоды. На выходе канала считывания получают два сдвинутых  ортогонально синусоидальных токовых сигнала Ia и Ib.  Наличие ортогонально сдвинутых сигналов позволяет повысить разрешающую способность преобразователя и  определять направление перемещения индикаторной пластины. Рис. 2.13. Схема инкрементного линейного фотоэлектрического  преобразователя перемещений

Кроме основного растра на неподвижной шкале 2 (рис.2.13.) нанесена непериодическая кодовая шкала Е, служащая для создания референтных меток (рис.2.14).  На индикаторной пластине нанесена решетка Д с кодом референтной метки (нуль-метки), а для считывания референтной метки служат светодиод 7 и фотодиод 8. При перемещении индикаторной пластины и совмещении кодовой решетки Д с зоной референтной метки на шкале 2 на выходе фотодиода 8 формируется токовый сигнал Ir референтной метки.

Эти метки  необходимы для определения положения индикаторной пластины в начале работы преобразователя. При небольших диапазонах измерения преобразователя, например, 20 -100 мм, делают одну метку в начале, середине или конце шкалы. При больших диапазонах  измерения наносят несколько референтных меток, например через 20, 50 или

100 мм (рис.2.14).              Рис. 2.14. Кодовая шкала референтных меток

Выходные синусоидальные или импульсные токовые сигналы фотоэлектрического преобразователя через приемное устройство поступают в микропроцессорный блок. В блоке эти сигналы интерполируются для получения заданной дискретности отсчета, производится счет растров и долей растра, соответствующий перемещению индикаторной пластины фотоэлектрического преобразователя и полученный  результат выводится на цифровой дисплей микропроцессорного блока.

Важное и возможно решающее значение в широком применении растровых фотоэлектрических преобразователей перемещений сыграло развитие электроники и микропроцессорной техники.  Появление небольших светодиодов и фотодиодов позволило существенно уменьшить и упростить оптическую схему преобразователей. Широкое распространение микропроцессоров позволило создать надежные и точные цифровые интерполяторы, что существенно повысило разрешающую способность преобразователей.

Выпускают закрытые и открытые фотоэлектрические преобразователи. Закрытый преобразователь  собран в жестком профилированном алюминиевом корпусе. Стеклянная шкала приклеена или закреплена в корпусе. По шкале, опираясь маленькими шарикоподшипниками или сферическими упорами на  свободную от штрихов поверхность шкалы,  перемещается индикаторный блок, состоящий из     индикаторной пластины  шести осветительных светодиодов  шести кремниевых фотодиодов.  Таким образом, обеспечивается небольшой и постоянный зазор между шкалой и индикаторной пластиной. Индикаторный блок оканчивается стальной монтажной пластиной,  выступающей из корпуса через продольную щель, снабженную резиновым уплотнением. За эту пластину индикаторный блок крепится к подвижному элементу станка или прибора.

Закрытые фотоэлектрические преобразователи со стеклянными шкалами имеют диапазон измерения от 100 до 3000 мм.         Дискретность преобразователя  определяется по формуле

Δ = Шаг растра/ 4 х К ,

где К – коэффициент интерполяции. От принятого коэффициента интерполяции в основном и зависит дискретность  преобразователя.  Изготавливают преобразователи с дискретностью  от 0,1 до 10 мкм.

Для измерения особо больших перемещений изготавливают  закрытые преобразователи с диапазоном измерения  до 30 м, шкала которых выполнена на стальной ленте с нанесенными на ней отражающими штрихами. Шкала натянута в жестком профилированном алюминиевом корпусе.

Предел допускаемой погрешности закрытых фотоэлектрических преобразователей в зависимости от класса точности по ГОСТ 26242-90 составляет:

2 класс        Δд = 1,0 + 2,5L

3 класс        Δд = 2,0 + 4,5L

4 класс        Δд = 5,0 + 8,0L

3 класс        Δд = 10, + 15,0L,

где    L – длина перемещения в м.

Максимальная скорость перемещения до 120 м/мин.

Степень защиты закрытых фотоэлектрических преобразователей       IP64 и IP53, что позволяет применять их на металлорежущих станках в условиях машиностроительного производства. Однако, в тех случаях, когда необходима более надежная защита преобразователей от загрязнений и воды, в их корпус подают хорошо очищенный сжатый воздух под небольшим давлением.

Для работы в лабораториях и особо чистом производстве применяют открытые преобразователи, в которых шкала крепится непосредственно на станину (основание),  а индикаторный блок на подвижный узел станка или прибора. В этом случае полностью исключается трение между индикаторным блоком и шкалой и резиновыми уплотнениями. Открытые преобразователи применяют  в измерительных приборах, небольших координатно-измерительных машинах с ручным управлением, измерительных микроскопах, алмазно-расточных станках и т.п.  Они имеют сравнительно небольшие диапазоны измерения до 1400 мм и более высокую точность.Рис. 2.15. Фотоэлектрический преобразователь угловых перемещений

Фотоэлектрические преобразователи угловых перемещений (рис.2.15) построены по тому же принципы, что и линейные преобразователи, и обычно отличаются лишь оптической схемой.  По конструктивным соображениям в угловых преобразователях применен один общий светодиод-осветитель 1 и конденсор 2, создающий единый параллельный световой поток,  один фотодиод 3, имеющий четыре светочувствительных сегмента, включенных определенным образом.  Выпускаются два вида преобразователей – для собственно измерения угла и для управления машинами и механизмами.

Преобразователи для измерения углов имеют большое количество штрихов на круговых шкалах до 90000 и обеспечивают высокую точность измерения до долей секунды. Эти преобразователи применяют в поворотных столах с ЧПУ,  в делительных головках и при других точных измерения углов.

Преобразователи, применяемые в системах управления и обратной связи, имеют прочную конструкцию, рассчитаны на большое число оборотов вала. Круговые шкалы преобразователей имеют от 50 до 5000 штрихов и точность до 12 секунд. Преобразователи  устанавливают на ходовые винты станков для измерения линейных перемещений, применяют в металлорежущих и деревообрабатывающих станках, роботах и манипуляторах.

Растровые фотоэлектрические преобразователи выпускают фирмы Heidenhain (Германия), СКБ СИ (Санкт-Петербург) и др.

Фирмы выпускают несколько десятков моделей преобразователей, отличающихся диапазоном измерения, разрешающей способностью, классом точности, выходными сигналами  и т.п.

      2.4   ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ И ПНЕВМОИНДУКТИВНЫЕ                       ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

    Пневматические приборы имеют много достоинств — высокая долемикронная точность измерения, возможность суммирования сигналов, возможность  осуществлять дистанционные измерения;  пневматическая измерительная оснастка проста по конструкции и не требует герметизации. Приборы легко поддаются автоматизации и просты в эксплуатации. Пневматический метод позволяет осуществлять точные бесконтактные измерения.

Основной недостаток пневматических приборов — небольшой диапазон измерения – не более 0,5 мм и их инерционность. Кроме того, пневматические приборы требуют тщательной очистки сжатого воздуха, используемого для питания приборов, от влаги и механических частиц.

В пневматических приборах для линейных измерений использована зависимость между площадью проходного сечения канала истечений и массовым расходом Q сжатого воздуха через него. Площадь f2 образуется между торцом измерительного сопла 3 (рис. 2.16) с внутренним диаметром d2 и заслонкой. Она зависит от зазора S, связанного с изменением размера контролируемой детали, и описывается формулой

f2 = π d2 S.            

В  приборах для линейных измерений и приборах активного контроля расход воздуха Q = φ(h,f2) определяют косвенным путем с помощью отсчетных устройств 2 манометрического типа, измеряющих давление h в    измерительной камере 5. Для этого перед измерительным соплом 3 устанавливают дроссель 1 с площадью канала f1, называемый входным соплом. Сжатый воздух под постоянным рабочим давлением Н подается к входному соплу 1 и вытекает через кольцевой зазор площадью f2 между торцом сопла 3 и заслонкой 4. В зависимости от величины зазора S, связанного с размером детали, в измерительной камере 5 устанавливается определенное измерительное давление h, которой приближенно описывается соотношением

h  = H/1  +  (µ2f2/ µ1 f1)2

где  µ1 и µ2 — коэффициенты расхода через входное и измерительное сопла.На рис. 2.17 показана эависимость h = f(S), называемая характеристикой пневматической измерительной системы. Ее крутизна характеризует чувствительность пневматической системы:                   

KS =  dh/dS

     Параметрами пневматической системы являются диаметр отверстии входного сопла d1 (рис. 2.16); диаметр отверстия измерительного сопла d2 рабочее давление H; диапазон измерительных зазоров S.

В  приборах активного контроля обычно применяют измерительное сопло диаметром d2= 1,5 — 2,0 мм и входные сопла диаметром  d1 = 0,8–1,2 мм при рабочем давлении 0,08–0,2 МПа.

Характеристики пневматических систем для указанных выше параметров и измерительного сопла d2 = 2,0 мм приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Диаметр отверстия входного сопла, мм Рабочее давление,МПа Линейный участок характеристики, мм Измерительный зазор в середине линейногоучастка, мм Чувстви-тель-ность,МПа/мм
0.8     0,10,150,2       0,020,040,04         0,110,110,085    0,620,821,02
1,0     0,10,150,2       0,040,050,08         0,120,1150,14    0,380,440,60
1,2     0,10,150,2       0,040,060,09         0,160,180,185    0,2360,340,42

 

Иногда, например, при контроле отверстий небольшого диаметра пневматическими пробками, применяют входные и измерительные сопла меньшего диаметра, например, 0,5 мм.

Практически измерение возможно при условии, если

π d2S ≤  π d22 /4

и рабочий зазор пневматического преобразователя

Smax  ≤ 0,25  d2  .    Кроме пневматических измерительных систем с обычными  соплами применяются устройства  с эжекторными соплами (рис, 2.17, б) с увеличенным рабочим зазором S до 0,6–0,9 мм. В эжектоных соплах расширение пределов измерения достигается сближением входного и измерительного сопел или таким их расположением, когда существенно уменьшаются потери при входе воздушного потока в измерительное сопло и увеличивается скорость этого потока.      В результате протяженность измерительной характеристики h = φ(S)  увеличивается и заходит в область разрежения (рис. 2.17, кривая 2). Эжекторные сопла применяют преимущественно при бесконтактных измерениях, когда заслонкой сопла служит обрабатываемая поверхность и желательно, чтобы между деталью и измерительной оснасткой  был большой зазор. В табл. 2.3 приведены характеристики эжекторных пневматических систем при диаметре измерительного сопла d2 = 2,0 мм.

Таблица 2.3

Диаметр отверстия входного сопла, мм Рабочее давление,МПа Линейный участок характеристики, мм Измерительный зазор в середине линейногоучастка, мм Чувстви-тель-ность,МПа/мм
0.8     0,10,150,2       0,070,070,08         0,1350,1450,160    0,510,831,07
1,0     0,10,150,2       0,140,100,08         0,190,270,28    0,360,510,70
1,2     0,10,150,2       0,200,160,12         0,380,380,28    0,260,460,52

Характеристики пневматических измерительных систем существенно улучшаются применением  пневмоиндуктивных преобразователей  и микропроцессорных блоков. Возможности измерительных средств, достроенных таким образом,  очень широки.  Можно в несколько раз повысить  чувствительность прибора, довести быстродействие (постоянную времени) до нескольких долей секунды, улучшить линейность  выходной характеристик прибора, легко выполнять любые  логические и статистические операции, применять в качестве отсчетных  устройств цифровые индикаторы.

Пневмоиндуктивныый прибор состоит из следующих функциональных узлов:

— пневматической измерительной оснастки, например,  пробки, снабженной одной или несколькими парами измерительных сопел, в зависимости от числа контролируемых диаметров;

— узла подготовки воздуха (фильтр, стабилизатор давления и т.п.)  служащего для питания пневматической измерительной системы очищенным сжатым воздухом под постоянным рабочим давлением;

— пневмоиндуктивного блока, снабженного дифференциальным индуктивным преобразователем, служащим для преобразования изменений измерительного давления в электрический сигнал;

— микропроцессорного блока.

     Технические характеристики пневмоиндуктивного прибора

Диаметр измерительных сопел, мм                                             1,5—2,0

Рабочий участок характеристики, мкм                                          80—100

Нелинейность характеристики, мкм                                                    1,0

Дискретность цифровой индикации , мкм                                            0,1

Наибольшее расстояние от сопел до преобразователя, м            1,5

Время измерения, с                                                                   1,0

Применяют несколько конструкций пневмоиндуктивных преобразователей. Малогабаритный  пневмоиндуктивный преобразователь (рис. 2.18)  имеет две небольшие воздушные камеры,  разделенные тонкой стальной упругой мембраной 3, которая служит якорем преобразователя. С обеих сторон мембраны в корпус преобразователя  вклеены катушки индуктивности 4, образующие вместе с мембраной дифференциальный индуктивный  преобразователь. Таким образом, образуется две изолированные камеры, в каждую из которых через входные сопла 1 и 2 подается  воздух под постоянным рабочим давлением Н = const. Из одной камеры  воздух под измерительным давлением h = f(S) через штуцер 5  подается к соплам измерительной оснастки и вытекает в зазор между  соплами  и поверхностью контролируемой детали. Из другой камеры  воздух вытекает в атмосферу через дроссель 6 постоянного сечения, создавая в камере   постоянное противодавление. Такой преобразователь имеет низкую чувствительность и небольшой диапазон измерения.  В другой конструкции пневмоиндуктивного преобразователя используют мембрану (или мембранную коробку) и контактный дифференциальный  индуктивный преобразователь (см. рис. 2.10), шток которого упирается в центр мембраны. Такие преобразователи имеют более высокую чувствительность и диапазон измерений. Рис.2.18. Дифференциальный пневмоиндуктивный преобразователь

Выбором соотношения чувствительности пневматической и индуктивной системы можно добиться высокого быстродействия и необходимой точности прибора. Пневмоиндуктивные приборы часто применяют на автоматических линиях для  контроля диаметров отверстий после расточки, на внутришлифовальных станках для контроля отверстий малого диаметра в процессе обработки, для контроля диаметров отверстий в процессе хонингования и др.

Отечественные и зарубежные фирмы «НИИизмерения», «РОБОКОН», «Marposs» и др. выпускают и применяют пневмоиндуктивные приборы.

          2.5   ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Интересная история  произошла с элетроконтактными преобразователями. Они  широкого применялись во всех областях машиностроения и станкостроения в 30—60-х годах в виде электроконтактных датчиков, путевых и конечных выключателей. Однако, электроконтактные приборы не обеспечивали высокой точности, были чувствительны к вибрациям и к повышенной влажности в зоне обработки, электроконтакты быстро подвергались коррозии, обгорали. Поэтому в последующие годы  они были полностью вытеснены индуктивными, индукционными  и фотоэлектрическими преобразователями, главным образом, бесконтактными.

Но неожиданно с появлением координатно-измерительных машин и станков с ЧПУ была изобретена трехкоординатная одноконтактная головка касания – индикатор контак-

Рис.2.19. Электроконтактный индикатор контакта

та. Индикатор контакта имел чрезвычайно оригинальную конструкцию основанную на электроконтактном способе преобразования сигнала.

С тех пор было предложено и разработано много различных индикаторов контакта, но электроконтактная головка широко применяется до настоящего времени,  благодаря их очевидным конструктивным достоинствам.

Схема электроконтактной головки касания  показана на рис.2.19. Головка состоит из корпуса 3, в основании 6 которого установлены три пары шариков 9, расположенными  под 120о . Вдоль оси головки располагается  подпружиненный (пружина 4) стержень 7, несущий на одном конце измерительный наконечник 8, а на другом  – диск 5 с тремя  роликами 10 расположены в одной плоскости радиально и симметрично под углом 120о.. В исходном положении каждый ролик опирается на свою пару шариков. И такое касание в шести точках создает полную однозначность положения контактного наконечника  8.   При этом каждый ролик замыкает свою пару шариков, которые все включены  последовательно в общую цепь.  При любом смещении наконечника в момент  касания его с деталью хотя бы один из цилиндров отрывается от одного из шариков, разрывая цепь. Электрический сигнал подается в схему координатно-измерительной машины  или станка с ЧПУ.  Погрешность срабатывания индикаторов контакта составляет 2-3 мкм, хотя существуют и более точные модели.

Электроконтактные индикаторы контакта выпускают фирмы Renishaw (Великобритания), фирма Marposs и др.