МЕХАНОТРОНЫ

При издании книги автор ставил перед собой в качестве одной из главных задач систематизировать н достаточно полно осветить последние достижения в области механотронной техники, поэтому в ней рассмотрены основные принципы действия, вопросы проектирования, типы и конструкции механотронов, параметры ir характеристики серийных механотронных преобразователей различного назначения. Описаны принципы конструирования датчиков и измерительных систем на основе первичных механотронных преобразователей с применением современной элементной базы, конструкции и технические характеристики различных приборов на основе механотронов, механотронных устройств для автоматического контроля и АСУ ТП изделий электронной промышленности, а также применение механотронных преобразователей в контрольно-измерительной и испытательной аппаратуре широкого назначения.

Автор приносит глубокую благодарность всем работникам производственного объединения МЭЛЗ, принимавшим участие в разработке и серийном освоении механотронов, и работникам других предприятий, активно содействовавшим внедрению механотронов в разнообразную измерительную и испытательную аппаратуру, а также в приборы для научных исследований.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время известно большое количество электромеханических преобразователей линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений перемещающихся объектов, избыточных давлений и разрежений, параметров вибраций и т. п.

Зависимость выходного электрического сигнала от измеряемой механической величины называют обычно характеристикой преобразования электромеханического преобразователя. По крутизне этой характеристики определяют чувствительность преобразователя к измеряемой механической величине.

Минимальный механический сигнал, на который реагирует преобразователь, связан с так называемой зоной нечувствительности и порогом чувствительности преобразователя. Каждый преобразователь должен обеспечивать измерение контролируемой механической величины с заданной точностью в определенном диапазоне ее изменений, который называют рабочим диапазоном преобразователя, и в определенных условиях его эксплуатации.

К современным электромеханическим преобразователям предъявляют следующие основные требования:

1. Однозначность (отсутствие гистерезиса) характеристики преобразования в рабочем диапазоне.

2. Высокая линейность характеристики преобразования в рабочем диапазоне.

3. Отсутствие искажений измеряемой механической величины (выходного сигнала) в заданном частотном диапазоне.

4. Достаточно высокая чувствительность к измеряемой механической величине.

5. Малая зона нечувствительности преобразова-

6. Минимальное влияние на характеристику преобразования внешней среды (колебаний температуры,

влажности, атмосферного давления и т. п.) и нестабильности источников питания.

7. Минимальное искажение измеряемой механической величины, происходящее от взаимодействия преобразователя с контролируемым объектом или процессом.

8. Высокая стойкость к механическим перегрузкам.

9. Высокая долговечность (срок службы) и высокая надежность работы.

10. Малые габаритные размеры и масса.

Все большее значение приобретают такие дополнительные требования, как быстродействие, большой динамический диапазон, малая потребляемая мощность, взаимозаменяемость, простота конструкции и низкая стоимость.

Следует отметить, что ни один из практически используемых электромеханических преобразователей не может полностью удовлетворять всем требованиям сразу и быть универсальным измерительным средством. Этим и объясняется большое многообразие существующих электромеханических преобразователей различных принципов действия и различных конструкций, необходимых для решения конкретных задач измерений.

Наиболее широкое применение в те.хнике прецизионных измерений механических величин в настоящее время нашли электроконтактные, индуктивные, емкостные, тензорезисторные, фотоэлектрические и механо-тронные преобразователи [1-3].

По виду выходного сигнала эти преобразователи можно разделить на две группы: преобразователи с выходом на переменном токе и преобразователи с выходом на постоянном токе. Следует отметить, что при практическом использовании переменный выходной сигнал преобразователя, как правило, приходится преобразовывать в сигнал постоянного тока посредством специальных фазочувствительных выпрямителей и усилителей.

Такое преобразование сигнала необходимо для точного отсчета с помощью отсчетно-измерительных приборов постоянного тока, для удобства выполнения логических операций (запоминание сигнала, суммирование сигналов нескольких преобразователей и т. п.), для фиксации направления сигнала, для удобства выдачи информации на командоаппараты и т. д.

Механотронные преобразователи (механотроны) относятся к большой группе электровакуумных электрон-6

но-механических преобразователей, действие которых основано на механическом управлении электронным током электровакуумных приборов. Управление электронным током в механотронах осуществляется путем непосредственного механического перемещения их электродов. Они работают на постоянном токе, обладают высокой чувствительностью и очень малой зоной нечувствительности. Механотроны, хотя и уступают некоторым из указанных выше типов электромеханических преобразователей в отношении потребляемой мощности, однако по совокупности технико-экономических показателей во многих случаях применения превосходят эти и другие типы электромеханических преобразователей.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускается серийно 12 типов механотронных преобразователей перемещений и усилий, избыточных давлений и разрежений, которые от преобразователей других типов выгодно отличаются высокой чувствительностью, высокой линейностью выходных характеристик, широкими рабочими диапазонами измерений, а также малыми габаритными размерами и массой, простотой измерительных схем и низкой стоимостью. По своим метрологическим параметрам отечественные механотронные преобразователи превосходят механотроны, разработанные за рубежом.

На основе механотронов в течение ряда лет отечественная промышленность серийно выпускает приборы и контрольно-сортировочные автоматы для размерного контроля деталей машиностроения, среди которых следует отметить механотронные профилометры типов 253 и 283. На базе механотронов создано и успешно эксплуатируется большое количество различной контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, используемой для изготовления изделий электронной техники (ИЭТ), в том числе высокопроизводительные контрольно-сортировочные автоматы и приборы для контроля размерных параметров ИЭТ, приборы для контроля качества интегральных схем, автоматические системы управления технологическими процессами при производстве ИЭТ (например, программные регуляторы давления и вакуума, предназначенные для автоматизации процесса производства ферритовых изделий и других ИЭТ) и т. п. Механотроны применяются в различной аппаратуре для испытания материалов, механиз-

MOB и машин, в приборах для научных исследований и т. д.

Создание и освоение новых приборов, улучшение технических характеристик серийных механотронов, а также освоение в серийном производстве унифицированной измерительной и испытательной механотронной аппаратуры позволят еще более расширить область применения механотронов и будут способствовать дальнейшему развитию техники измерения механических величин.

ГЛАВА ПЕРВАЯ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕХАНОТРОНАХ

1.1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТР0НН0-Л1ЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

В настоящее время известно большое количество различных конструкций электровакуумных электронно-механических преобразователей, выполняемых как в виде высоковакуумных (электронных) приборов, так и в виде газонаполненных (газоразрядных) приборов.

По принципу действия электровакуумные электронно-механические преобразователи подразделяют на:

1) преобразователи с механически управляемыми электродами (механотроны);

2) преобразователи, основанные на инерционно-плазменном эффекте (инплады или инплатроны);

3) преобразователи с управлением электронным током путем изменения величины или ориентации внешнего электрического поля;

4) преобразователи с магнитным управлением электронным током.

Принципы действия различных электронно-механических преобразователей поясняются схемами, представленными на рис. 1.1.

Механотронные преобразователи по способам управления электронным током подразделяются на приборы с продольным, поперечным, зондовым и дифференциальным управлением, а также с механическим управлением электронным лучом [4, 6].

При продольном управлении подвижный (обычно плоский) электрод перемещается вдоль линий электрического поля таким образом, что плоскость электрода остается перпендикулярной линиям этого поля (рис. 1.1,а).