Елементи авіаційних автоматичних пристроїв

Датчики сигналів. Датчики призначені для виміру контрольованої величини і її перетворення до виду, зручному для передачі в підсилювальні або індикаторні пристрої. Найчастіше в датчику вимірювана величина перетвориться в електричний сигнал.

Для перетворення механічних переміщень в електричний сигнал застосовують потенціометричні, індуктивні, ємнісні й інші датчики.

Потенціометричний датчик має нерухому частину у вигляді тонкого проводу, намотаного на каркас. По проводу переміщується контактний повзунок. До кінців проводу приєднується постійна або змінна напруга джерела живлення. Вхідним сигналом датчика є переміщення повзунка, а вихідним - напруга між повзунком й одним з кінців проводу (рис. 1.5,а). Опір R навантаження повинне бути в багато разів більше опору проводу датчика, у цьому випадку воно практично не шунтує датчик. При рівномірному намотуванні вихідна напруга пропорційна довжині проводу, розташованого між його початком і движком, і, отже, пропорційно переміщенню движка

U_вих = Е_х/l

де l — довжина намотування дроту. У розглянутій схемі знак або фаза вихідної напруги не змінюється з переміщенням повзунка. Такі датчики називаються нереверсивними. У системах керування частіше застосовують реверсивні датчики (рис. 1.5, б), знак або фаза вихідної напруги яких змінюються при зміні напрямку повзунка від середньої точки. Основний недолік потенціометричних датчиків - наявність рухливих контактів. У процесі експлуатації відбувається відставання контактів, що рухаються, перетирання проводу, окислювання контактної доріжки.

Більш високу надійність і чутливість мають індуктивні датчики.

Рис 1.6. Схема індуктивного датчика

Індуктивний датчик (рис. 1.6)реверсивного типу має два нерухомих магнітодроти, на які намотані дротові котушки, і рухливий якір, виконаний з феромагнітного матеріалу. Розміри повітряних зазорів між якорем і магнітодротами δ₁ й δ ₂ визначають індуктивності котушок L₁ і L₂. Індуктивність обернено пропорційна довжині повітряного зазору. Коли якір перебуває посерединi між магнітодротами, δ₁ = δ ₂ і L₁ = L₂. При переміщенні якоря на величину х довжина одного зазору збільшується, а іншого — зменшується. Відповідно змінюються індуктивності L₁ і L₂котушок, включених у схему моста. Іншими двома плечима моста є котушки індуктивності L₃ і L₄. До однієї діагоналі моста проводиться змінна напруга джерела живлення U_в, а з іншої діагоналі знімається вихідна напруга U_вих. Переміщення якоря викликає розбаланс моста і вихідна напруга моста пропорційна переміщенню якоря.

Основний недолік індуктивного датчика — велике навантаження. Діюча на якір з боку магнітодрота.

Мале навантаження має ємкісний датчик. У такому датчику є дві нерухомі пластини 1 і 2(рис. 1.7) напівкруглої форми. Рухлива пластина 3, теж напівкруглі форми може повертатися на кут φ відносно середнього положення, при якому пластина 3 однаково перекривається із пластинами 1 й 2. При такому повороті ємкості між рухливою пластиною й нерухомими змінюються: одна зростає, а інша зменшується відповідно до формули

де ε - коефіцієнт діелектричної проникності; S - площа перекриття пластин; φ - коефіцієнт пропорційності; d - відстань

між пластинами.

Змінні ємності включають у схему моста, вихідна напруга якого збільшується зі збільшенням кута φ, фаза вихідної напруги залежить від напрямку повороту рухливої пластини щодо середнього положення. Основний недолік ємкісного датчика - мала потужність вихідного сигналу.

Рис 1.7. Пластини ємкісного датчика: 1, 2 - нерухомі; 3-рухлива

Підсилювачі. Підсилювачі автоматичних систем призначені для посилення потужності сигналу, переданого від датчиків до виконавчих пристроїв. Основною характеристикою підсилювача є коефіцієнт підсилення потужності, дорівнює відношенню вихідної потужності до вхідного. В автоматичних системах застосовують підсилювачі з більшими коефіцієнтами підсилення потужності, що досягають 10^-8-10^-10.

Рис 1.8 Схема транзисторного підсилювача

З метою зменшення розмірів, маси й інерційності багатокаскадні підсилювачі збирають із різнотипних каскадів. Вхідні малопотужні каскади виконують на напівпровідникових підсилювачах, які мають великий вхідний опір, малу масу й габарити. Низькі коефіцієнти корисної дії напівпровідникового підсилювача мало впливають на загальні втрати, тому що вхідні каскади споживають малу потужність. Вихідні каскади виконують на релейних або магнітних підсилювачах, що мають малий вихідний опір, високий коефіцієнт корисної дії й більшу стабільність характеристик. Така будова багатокаскадних підсилювачів забезпечує узгодження характеристик підсилювача з характеристиками датчика виконавчого пристрою. Найпоширенішою схемою транзисторного підсилювача із загальним емітером (рис. 1.8), у якій посилюваний вхідний сигнал змінного току U_вх подається через розділовий конденсатор C₁ на базу транзистора V і створює вхідний базовий струм

I_б = U_вх / Н₁₁Е

де Н₁₁е — вхідний опір транзистора в схемі із загальним емітером.

Струм Колектора I до транзистора V перевищує струм бази I_б в Н₁₁ераз, де

Н₁₁е— коефіцієнт передачі струму транзистора в схемі із загальним емітером. Основна частина струму колектора через розділовий конденсатор C2

пoдається в навантаження R_н, так що коефіцієнт підсилення струму k_i у підсилювачі близький до величини Н₁₁е, а коефіцієнт підсилення напруги k_i підсилювача = 10² - 10⁴.

Коефіцієнт підсилення потужності одного каскаду транзисторного підсилювача, дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення струму й напруги, лежить звичайно в діапазоні е 10² - 10⁴. Резистори R1, R2, RЗ у схемі підсилювача використаються для подачі постійної напруги від джерела живлення на базу i колектор транзистора.

Досягненням транзисторних підсилювачів є їх мала інерціонність. Постійна часу транзисторних підсилювачів вимірюється одиницями й десятками наносекунд.

У магнітному підсилювачі вхідний сигнал подається на обмотку управління (ОУ) із числом витків ω_у (рис. 1.9). Обмотка управління охоплює сердечники 1 і 2 виготовлені з магнітно-м'якого матеріалу. Кожна з робочих обмоток Р01 і Р02 охоплює один сердечник. Робочі обмотки включаються послідовно з опором навантаження Кн утворюючи робочий ланцюг, в який включається джерело змінного струму з напругою U_п. Якщо вхідний сигнал дорівнює нулю, то сердечники перемагнічуються змінним струмом робочих обмоток, але не досягають насичення. У цьому випадку індуктивний опір робочих обмоток великий, а в ланцюзі навантаження тече невеликий струм холостого ходу. При подачі в обмотку керування струму один із сердечників досягає насичення за певний період змінного струму робочої обмотки.

Рис. 1.9. Схема магнітного підсилювача (1,2 сердечники)

При насиченні сердечника індуктивний опір робочих обмоток падає практично до нуля, а струм у навантаженні збільшується й стає рівним U_п/R_н. Чим більше струм керування, тим більше час насичення сердечника й тим більше амплітуда першої гармоніки струму в робочому ланцюзі.

Коефіцієнт підсилення струму магнітного підсилювача визначається з умови рівності магніторушійних сил обмотки посилення І_у , ω_у й робочих обмоток І_р, ω_р:

K_i=i_p/i_y=ω_y/ω_p

Коефіцієнт підсилення напруги магнітного підсилювача визначається коефіцієнтом підсилення струму й опорами обмотки управління R_у й навантаження R_H:

K_u = U_вих/U_вх = I_pR_н/I_yR_y = K_i(R_н/R_y)

Коефіцієнт підсилення потужності магнітного підсилювача k_р=k_i, k_i звичайно знаходиться у діапазоні 10² - 10³.

Розглянутий магнітний підсилювач відноситься до нереверсивних підсилювачів, у яких фаза вихідної напруги не змінюється зі зміною знака вхідної напруги. Більш широке застосування знаходять реверсивні магнітні підсилювачі, у яких фаза вихідної напруги змінюється зі зміною знака вхідної напруги. Вони утворені шляхом з'єднання двох нереверсивних магнітних підсилювачів.

Перевагами магнітного підсилювача є висока надійність і висока вихідна потужність. До недоліків магнітного підсилювача ставляться велика маса й значна інерційність. Постійна часу Т магнітного підсилювача визначається формулою:

Т=К_р/4f

де f - частота струму в робочому ланцюзі.

Для зменшення інерційності магнітного підсилювача зазвичай обмежують коефіцієнт підсилення потужності й підвищують частоту струму в робочому ланцюзі.

Виконавчі пристрої. Виконавчі пристрої автоматичних систем призначені для механічного переміщення управляючих органів. Найпоширенішими виконавчими пристроями є електричні двигуни постійного або змінного току. При використанні двофазного індукційного двигуна вхідна напруга змінного струму U_вх, подається на його обмотку управління (ОУ, рис. 1.10). На обмотку збудження (ОЗ) подають напругу U_зб. Обмотки управління й збудження створюють обертове магнітне поле, що наводить в алюмінієвому роторі вихрові струми і, взаємодіючи з ними, створює обертаючий момент. Керування частотою обертання двигуна досягається зміною вхідного струму, напруги, а керування напрямком обертання двигуна досягається зміною зрушення фаз між 1/вх й 1/віз із —90 до + 90°.

Основними характеристиками виконавчого пристрою є його потужність, коефіцієнт підсилення й постійна часу. Коефіцієнт підсилення, дорівнює відношенню частоти обертання до вхідної напруги, характеризує сталі режими роботи двигуна.

Постійна часу характеризує динамічні властивості двигуна на перехідних процесах розгону й гальмування двигуна.

Для зменшення постійної часу ротор індукційного двигуна виконують у вигляді легкого алюмінієвого стаканчика, а момент інерції роторів у двигунів постійного струму зменшують зниженням радіуса ротора.

У системах автоматичного управління польотом літальних апаратів широко застосовуються гідравлічні виконавчі пристрої, розглянуті в розділі 11.

Рис 1.10. Схема двофазного індукційного двигуна.