Разработанные на кафедре средства измерений демонстрировались на различных выставках, в том числе на ВДНХ (ВВЦ). Практически все научные разработки проводятся на уровне изобретений. Преподавателями и сотрудниками кафедры получено около 700 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения, более 20 зарубежных патентов.
Опыт научно-исследовательских работ на кафедре и в отраслевой лаборатории, знание измерительных задач, возникающих во многих организациях, и широкое привлечение студентов к реальному проектированию позволили решить многие важные задачи в деле подготовки преподавателей, научных и инженерных работников высшей квалификации для научно-исследовательских институтов и промышленных
предприятий. В результате проделанной работы за время существования кафедры выпущено более 3000 инженеров, подготовлено более 200 кандидатов и докторов технических наук.
В настоящее время в числе преподавателей кафедры 8 докторов наук (профессоров) и 5 кандидатов наук (доцентов). Именно высокая научная и педагогическая квалификация преподавателей кафедры «Информационно-измерительная техника» является залогом успеха в подготовке высококвалифицированных специалистов для различных отраслей промышленности.
В этом номере журнала публикуются статьи сотрудников кафедры по основным проблемам и направлениям ее работы.
531.714.2.084.2
Разработка унифицированных конструкций датчиков для перспективных систем измерений
и контроля специальной техники
A. Г. ДМИТРИЕНКО*, А. Н. ТРОФИМОВ*, А. А. ТРОФИМОВ**
* Научно-исследовательский институт физических измерений, Пенза, Россия,
e-mail: niifi@sura.ru
** Пензенский государственный университет, Пенза, Россия, e-mail: Alex.t@mail.ru
Сформулированы цели и определены объекты унификации, рассмотрены основные ее направления при разработке и модернизации датчиков. Приведены базовые конструкции чувствительных элементов и датчиков перемещений, разработанные на основе этих элементов.
Ключевые слова: чувствительный элемент, датчик перемещений, унификация, растровое сопряжение, унифицированный ряд.
The goals are formulated and the unification objects are defined, basic unification directions are considered at working out and modernisation of transducers. The basic sensitive elements designs and the design of displacement transducers based on these elements are given.
Key words: sensitive element, displacement transducer, unification, raster interface, unified series.
Эффективность развития и эксплуатации систем измерений, контроля, управления и автоматической защиты при проектировании изделий специальной техники определяется технико-экономическими характеристиками первичных измерительных преобразователей (датчиков), к которым предъявляется целый комплекс требований, как правило, противоречивого характера.
Например, обеспечение высокой точности при воздействии жестких дестабилизирующих факторов; малое энергопотребление и высокий уровень выходного сигнала; обеспечение высокой надежности, качества и серийнопригоднос-ти, требующих длительной отработки изделия с соблюдением всех этапов проектирования в соответствии с государственными стандартами при минимальных сроках разработки и серийного освоения. Таким образом, перед разработчиком датчиковой аппаратуры стоит сложнейшая задача — в минимальные сроки создать перспективные качественные и надежные датчики с существенно лучшими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, чем
существующие приборы-аналоги. Одним из путей решения этой задачи является конструирование новых типов датчиков на основе унифицированных элементов [1]. Так как качество прибора, в конечном счете, определяется количеством умственного труда, затраченного на этапе разработки, применение унифицированных, а значит, хорошо отработанных элементов, позволяет сократить сроки разработки без ущерба для качества изделия.
Казалось бы, такой подход к созданию высококачественных конструкций очевиден, однако на практике его реализация весьма затруднительна по следующим причинам:
унифицированные элементы создаются обычно путем отработки хорошо зарекомендовавших себя при изготовлении и эксплуатации узлов ранее разработанных конструкций, т. е. это элементы «вчерашнего» дня;
при проектировании перспективных изделий к ним предъявляются такие требования, которым ранее разработанные унифицированные элементы в большинстве случаев не отвечают;
стремительное развитие и постоянное обновление элементной базы также не позволяют применять при новых разработках ранее отработанные конструктивные решения.
Для устранения этих противоречий необходима опережающая разработка унифицированных элементов датчиков, по своим техническим характеристикам отвечающих требованиям к перспективным изделиям специальной техники. Это очень сложная задача, требующая для своего решения точного прогнозирования направления развития не только датчиковой аппаратуры, но и тех требований разработчиков систем измерений и контроля, которые будут предъявлены к датчикам при проектировании новых изделий.
Формирование исходных данных для разработки перспективных унифицированных чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков перемещений. Прогнозирование технических требований к перспективным датчикам проводилось по двум направлениям:
опрос предприятий-заказчиков датчиковой аппаратуры по определению метрологических, эксплуатационных и мас-согабаритных характеристик датчиков для вновь разрабатываемых изделий;
анализ тенденций развития датчиков специального назначения для сложных технических объектов (СТО) и авиации по материалам российских и зарубежных источников.
В результате анализа тенденций развития датчиковой аппаратуры можно сделать вывод, что как в России, так и в ведущих странах зарубежья развитие датчико-преобразую-щей аппаратуры (ДПА), проектируемой для систем специальной техники, в конечном счете сводится к совершенствованию технико-экономических характеристик по следующим направлениям:
повышение точности измерений за счет применения наиболее эффективных принципов преобразования, вновь разрабатываемых комплектующих и материалов, микропроцессорной обработки информационных сигналов;
расширение диапазонов измерений в сторону малых и больших значений измеряемых величин;
повышение термоустойчивости датчиков в расширенном диапазоне температур, в том числе при нестационарных воздействиях, благодаря использованию термостойких материалов и электронных компонентов, специальных принципов преобразования;
снижение массы и габаритных размеров датчиков благодаря внедрению микромеханических ЧЭ с использованием технологий микроэлектроники;
повышение виброустойчивости преимущественно путем уменьшения габаритных размеров и массы, применения компенсационных элементов, технологий микромеханики (микроминиатюризации);
увеличение дистанционности измерений и повышение быстродействия;
повышение помехоустойчивости благодаря использованию корреляционного метода измерения, генераторных измерительных цепей, передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи, использованию избыточных кодов, аналоговой и цифровой фильтрации;
увеличение ресурса работы датчиков путем подбора особо стабильных и прочных материалов, обеспечения достаточного запаса по рабочим режимам;
повышение надежности благодаря резервированию и применению элементов с пониженной и равной интенсивностью отказов;
снижение энергопотребления;
обеспечение широкой унификации и стандартизации датчиков по посадочным размерам, выходным сигналам, схемам внешних соединений, что позволит в последующем с малыми затратами перейти на новые датчики;
упрощение и снижение затрат на обслуживание, эксплуатацию.
Результаты опроса специалистов ведущих предприятий соответствующих отраслей подтвердили общую тенденцию развития датчико-преобразующей аппаратуры.
На примере датчиков линейных и угловых перемещений сформулируем основные требования к датчикам для перспективных изделий на период до 2020 г (см. таблицу).
Кроме перечисленных в таблице, к датчикам предъявляются требования по унификации и серийнопригодности, минимальному энергопотреблению, минимальным массам и габаритным размерам, пожаро- и взрывобезопасности и ряд других.
Унифицированные ЧЭ датчиков угловых и линейных перемещений. Важное место в общей номенклатуре первичных преобразователей перемещений занимают электромагнитные, а именно взаимоиндуктивные (трансформаторные) преобразователи перемещений. Они отличаются высокой надежностью в жестких условиях эксплуатации, относительно малой массой, широким диапазоном измеряемых перемещений, линейностью функции преобразования, отсутствием гальванической связи между цепями питания и
Основные требования к датчикам для перспективных изделий отрасли на период до 2020 г.
Контролируемый параметр Метрологические характеристики Ресурс, ч Вероятность безотказной работы, не менее Условия эксплуатации
диапазон измерений выходной сигнал основная погрешность, % погрешность от температуры, % / "С, не более температура, "С вибрация удары акустические шумы, дБ влажность, %
Угловые перемещения," 0—90 0—180 0—360 А налоговый, цифровой 0,05 0,0005 150000 0,995 -60 до +200 До 50 gf 5—5000 Гц До 1000 д До 1 80 До 98
Линейные перемещения, мм 0—0,5 0—1,0 0—5,0 0—10,0 0—20,0 0—1000,0 Аналоговый, цифровой 0,01 0,001 1 50000 0,995 -60 до +200 До 50 gf 5—5000 Гц До 1000 д До 1 80 До 98
г\
2
Д-
ща
¡ищдщва
X
Рис. 1. Конструктивная схема датчика угловых перемещений: 1 — ротор; 2 — статор; 3 — обмотки; 4 — подшипник
измерительными цепями, достаточно высокой точностью измерений, простотой в изготовлении и эксплуатации.
В настоящее время в СТО и особенно в авиационной технике для измерения перемещений широко используют трансформаторные датчики различных конструктивных исполнений, что снижает возможность их серийного производства, повышает цену, требует различных вторичных преобразователей. Используемые датчики имеют ряд недостатков, например, сельсины сложны в изготовлении, не удовлетворяют возросшим требованиям по точности и массогабарит-ным показателям, потенциометри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.