книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

контуром (рис. 3-5, а, б) или путем регулировки отрицательной обратной связи в самом усилителе (рис. 3-5, в и г ) .

Погрешности, вносимые LC-генератором в общую погрешность датчика, складываются из нестабильности и нелинейности.

Нестабильность частоты LC-генератора вызывается изменением

параметров избирательной цепи (емкости, индуктивности, доброт­

ности контура) и изменением характеристик усилителя (фазового

Рис. 3-1. Схемы транзисторных генераторов с параллельным JLC-KOH- туром

сдвига, входных и выходных емкостей и сопротивлений). В свою оче­ редь причинами этих изменений являются изменения окружающей температуры, напряжения питания, а также нестабильность элемен­ тов генератора с течением времени. В настоящее время не составляет

проблемы стабилизировать напряжение питания генератора и исклю­

чить тем самым соответствующую составляющую нестабильности ча­ стоты. Однако при испытаниях генератора имеет смысл отключать стабилизатор и снимать зависимость частоты от напряжения питания,

так как эта зависимость характеризует влияние усилителя на час­

нераторов частота изменяется на (2 -+- 5) 10-2% при изменении напря­ жения питания на 10%.

пользовании катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками в функции частоты при различных величинах воздушного зазора в магнитопроводе [89]. Катушка индуктивности имела следующие данные: число витков обмотки 2 X 50 из провода литцендрат 6 х 0,07 мм, сердечник броневого типа диаметром 11 мм из марганцецинкового феррита с магнитной проницаемостью р. = 2000. Зависимости, при­

веденные на рис. 3-2, показывают, что диапазон наиболее выгодных

рабочих частот генератора с катушками на ферритах равен 300 —

— 1200 кгц. В этом диапазоне частот добротность контура составляет не менее 120 — 160.

тельного контура в функции изменения зазора Q = f (ô) для частот

500 и 760 кгц. Как видно из графика, добротность мало меняется при

изменении зазора от 100 до 700 мкм. Кривые, показывающие зависи­

мость от частоты добротностей катушек индуктивности, выполненных

100—200 кгц, а также увеличивать выше нескольких мегагерц. Даль­ нейшее повышение частоты возможно только при использовании ка­

тушек индуктивности без ферромагнитных сердечников.

В значительной мере, как уже указывалось, погрешность от не­

стабильности частоты может быть уменьшена при переходе к диффе­

ренциальным датчикам. Поэтому иногда даже при использовании не­ дифференциального датчика целесообразно применять опорный ге­

нератор, такой же, как и генератор датчика, но с постоянными эле­ ментами избирательной цепи [57].

Нелинейность частотных датчиков на основе LC-генераторов вы­ зывается как нелинейностью преобразования величин L или С (или величин, обратных им) в частоту, так и нелинейностью первичного преобразователя. Так, например, емкость в емкостном преобразова­ теле за счет наличия паразитных емкостей изменяется не строго об­

ратно пропорционально воздушному зазору между пластинами или

прямо пропорционально площади перекрывающихся пластин. В ин­

дуктивном преобразователе идеальные зависимости искажаются за счет полей рассеяния и отличного от нуля магнитного сопротивления сердечника.

Методы уменьшения погрешности линейности могут быть следую­

щими: а) использование индуктивных преобразователей с сердечни­

ками, имеющими высокое качество магнитной цепи, и емкостных пре­ образователей с малыми паразитными емкостями; б) использование специальных первичных преобразователей; в) построение дифферен­

циальных датчиков и рациональный выбор рабочего участка их ха­

рактеристики (см. § 2-2).

Высокое качество магнитной цепи или малые паразитные емкости

дают возможность увеличить эффективность преобразования индук­

тивного или емкостного преобразователя, что в свою очередь приводит к уменьшению погрешности линейности. Обычно значение £ (см. § 2-2)

для первичного преобразователя лежит в диапазоне 0,2 — 0,8. По­

следнее значение относится к хорошо спроектированным преобразо­ вателям.

Для повышения линейности зависимости частоты от измеряемой

величины разработаны также специальные частотные датчики. В ра­

боте [49] предлагается строить индуктивные преобразователи для частотных датчиков в виде катушки с разомкнутой магнитной цепью

и цилиндрическим сердечником из магнитномягких ферритов, пере­ мещающимся по оси катушки. Линеаризация характеристики датчика

в которых изменение измеряемой величины приводит к одновремен­

ному изменению зазора в магнитопроводе катушки индуктивности

и расстояния между пластинами конденсатора. Поскольку в таком

датчике изменяются оба элемента контура, то уменьшается его по­ грешность линейности, однако полной линейности не достигается вследствие неравенства единице эффективности преобразования обоих

первичных преобразователей.

Погрешность линейности может быть также уменьшена путем по­

строения таких первичных преобразователей, у которых одновременно изменяется и эффективная площадь полюсов и зазор между ними.

Примеры подобных преобразователей приведены на рис. 3-4 [87, 55,

105]. В преобразователе, показанном на рис. 3-4, а, выполненном на основе броневого ферритового сердечника, полюсы двух половин сер­ дечника сделаны скошенными [87 ]. За счет этого при воздействии из­

меряемого перемещения Ô изменяются одновременно и длина воздуш­ ного зазора в магнитопроводе и эффективное сечение полюсов.

Для оценки эффективности подобного метода улучшения линей­ ности можно привести формулы, полученные в результате экспери­

ментального исследования различных частотных датчиков с индук­ тивными первичными преобразователями, выполненными на основе

Рис. 3*6. Конструкция емкостного первичного преобразо­ вателя (а) и принципиальная схема частотного датчика давления (б)

сложнее, чем преобразователей с прямыми полюсами, на практике ча­ сто отдают предпочтение последним, а для уменьшения нелинейности уменьшают изменение зазора.

Практические значения девиации частоты датчиков с LC-генера­

торами лежат обычно в диапазоне 5—*20%. Иногда строят датчики и с отличными от этих значений девиациями частоты, что вызывается спецификой примененных преобразователей [55, 63].

Примеры частотных датчиков на основе LC-генераторов. На рис. 3-5 показана конструкция дифференциального индуктивного пер­ вичного преобразователя и принципиальная схема датчика, предна­

значенного для измерения перемещений в пределах 0—400 мкм [2].

Катушки индуктивности L x и L 2 контуров .генераторов Г i и Г 2 раз­

мещены в разных половинах броневого оксиферового сердечника типа

СБ-30. Якорь выполнен из половины такого же сердечника. Частотно­

зависимые цепи генераторов соответствуют схеме IV в табл. 3-1. Кроме генераторов (L\ и Г 2), измерительная цепь датчика содержит смеси­ тель См, фильтр Ф и выходной усилительный каскад ВК> При изме­

нении измеряемого перемещения от 0 до 200 мкм разность частот ге­ нераторов, являющаяся выходной частотой датчика, изменяется от 300 до 900 ец. Начальные частоты генераторов составляют примерно

10 кгц. Меняя начальный зазор в магнитопроводе датчика, г^ожно получать значения чувствительности в пределах от 0,5 до 6 гц/мкм.

На рис. 3-6 представлен эскиз конструкции емкостного первичного

преобразователя и принципиальная схема частотного датчика для из­

мерения давления [81]. Первичный преобразователь представляет

Рис. 3-7. Конструкция индуктивного первичного преобразователя

(а) и принципиальная схема (б) частотного силоизмерительного датчика

собой фигурный стальной стакан 1> ввинчиваемый в резервуар, в ко­

тором контролируется давление. Дно стакана выполняется в виде стальной мембраны, толщина которой зависит от диапазона измеряе­ мых давлений. На расстоянии 0,2 — 0,3 мм от мембраны внутри ста­

кана устанавливается цилиндрическая металлическая пластинка 3,

укрепленная на изоляционной втулке 2, притертой к внутренней по­

верхности стакана. На пластинку наклеивается тонкий листок

слюды 4. Особенностью схемы этого датчика является присоединение

емкостного преобразователя Сх к LC-контуру через согласующий

(понижающий) трансформатор L x — L 2, что уменьшает влияние ем­ кости соединительного кабеля на частоту генератора. Применением этого трансформатора можно достичь того, что изменение емкости ка­ беля будет сказываться на частоте генератора в 20—30 раз меньше,

чем изменение на такую же величину емкости датчика. Соответствую­

щая избирательная цепь представлена в табл. 3-1 под номером VIL

Уменьшение влияния емкости кабеля возможно и при присоединении

к контуру емкостного преобразователя при помощи автотрансформа­

тора.

На рис. 3-7 показана конструкция и принципиальная схема од­ ного канала двухканального дифференциального силоизмерительного

работы измерительной системы. На­

чальные частоты генераторов лежат в диапазоне от 400 до 500 кгц. Выходная частота каждого канала при неиагруженном датчике может иметь одно из значений в диапазоне от 5 до 20 кгц и увеличивается ровно на 50 кгц при приложении к датчику номинального усилия.

На рис. 3-8 изображена схема генератора, использованного при

построении частотного микрометра [107]. Последовательный резо­ нансный контур в этом генераторе позволяет уменьшить влияние ем­ кости провода, соединяющего контур с остальными элементами ге­ нератора.

3-2. Преобразователи напряжения в частоту на основе использования емкости р—п-перехода

Варикапы, основанные на использовании барьерной емкости за­

пертого перехода (иначе называемые емкостными диодами), имеют ряд преимуществ по сравнению с другими емкостными элементами, чувст­

вительными к электрическому напряжению. К этим преимуществам относятся стабильность во времени, отсутствие частотной зависимости емкости во всем диапазоне радиочастот, температурная цикличность,

воспроизводимость зависимости емкости от управляющего напряже­

ния и высокая добротность в широкой полосе частот. Подробно с ха­ рактеристиками варикапов можно ознакомиться в работах [60, 771. Именно благодаря этим свойствам варикапы нашли широкое приме­ нение при построении параметрических усилителей и модуляторов.

Уже сейчас имеются модуляторы на емкостных диодах, обладающие

входным сопротивлением больше 10s ом, дрейфом нуля в диапазоне температур / = 20 -+- 25° С за час меньше 15 мкв, а в течение одной недели меньше 30 мкв [103]. Высокие метрологические свойства ва­ рикапов позволяют использовать их также и в качестве элемента кон­

тура, управляемого напряжением, при построении измерительных

преобразователей напряжения в частоту.

Общие свойства варикапов. При построении преобразователей на­ пряжения в частоту с варикапами используется зависимость их ем­

кости от напряжения:

где Um — запирающее напряжение смещения, приложенное к пере­

ходу извне; UK— контактная разность потенциалов, зависящая от

материалов р и n-областей диода; С0 — величина емкости при UCM= 0; т — безразмерный показатель, для выпускаемых промышленностью

варикапов равный 2 [601. Для германиевых диодов типичным зна­

чением UK является 0,4 в, для кремниевых 0,8 в [60]. Соответственно

при изменении запирающего напряжения от нуля до 8—10 в емкость

меняется в 3—4 раза. Эти соотношения справедливы, например, для кремниевых стабилитронов, а также для таких диодов, как Д204.

Чувствительность диода к напряжению выражается как

не зависит от емкости варикапа.

При шунтировании варикапа постоянной емкостью Сш его отно­

сительная чувствительность уменьшается в соответствии с выраже­