исках оптимальной величины анодной нагрузки, как правило, отпадает.

Нелинейность рабочей характеристики сдвоенного триодного механотрона с одним подвижным анодом (рис. 3.10,6) составляет 0,8-2,5%.

3.2. ОСНОВНЫЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ И ПОГРЕШНОСТИ МЕХАНОТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Погрешности механотронных измерительных систем в большой степени зависят от нестабильностей в работе механотронных преобразователей. Эти нестабильности могут быть различного рода: неконтролируемые изменения выходного сигнала, изменение во времени чувствительности и других параметров механотрона, изменение формы его электронно-механических характеристик и т. п. Источником нестабильностей может быть как механотрон, так и схема, в которой он работает.

Указанные нестабильности проявляются обычно в виде медленного дрейфа или быстрых флюктуации выходного напряжения /ых измерительной схемы. Для оценки и сравнения этих изменений целесообразно пользоваться единым параметром, а именно величиной механического перемещения подвижного электрода Ай?вх (считая его входным сигналом схемы), эквивалентного величине действительного изменения напряжения на выходе схемы Ь\,. Выраженные таким образом нестабильности будем называть приведенными к входу.

Для определения изменения ALux по известному Ай?вх необходимо умножить Ай?вх на соответствующие коэффициенты преобразования. Так, в случае механотронного микрометра, включенного по схеме симметричного моста (рис. 3.2), величины ДйСвх и Abx связаны между собой следующим образом:

Двых = Rni мост (fl) - Aflfgx,

а в случае механотронного динамометра, работающего в той же схеме,

-вых = RnPiMOCT(F) - Дйвх-

При экспериментальном исследовании нестабильности механотронов величина Ай?вх определяется по шка-130

ле выходного прибора, для чего последняя предварительно рассчитывается или тарируется в единицах перемещения подвижных электродов.

При работе механотронов встречаются следующие основные виды нестабильностей:

нестабильности, вызываемые неконтролируемыми внутриламповыми процессами;

нестабильности, вызываемые флюктуациями источников питания механотрона;

нестабильности теплового происхождения;

нестабильности механического происхождения.

Нестабильности первого вида возникают обычно в результате неконтролируемых изменений тока эмиссии катода и контактной разности потенциалов между anoj дом и катодом диодного механотрона или между сеткой и катодом триодного механотрона. Эти нестабильности проявляются в виде так называемого «катодного дрейфа» выходного сигнала, который для диодных механотронов, включенных в симметричные мостовые схемы, как правило, не превышает 0,01 мкм/ч, а для триодных механотронов симметричной конструкции обычно составляет 0,01-0,02 мкм/ч.

Снижению «катодного дрейфа» в механотронах способствует применение низких анодных напряжений, а также тщательная обработка катода и длительная технологическая тренировка прибора [53].

Флюктуации анодного напряжения и напряжения накала (из-за нестабильности соответствующих источников питания) вызывают нежелательные изменения анодных токов механотрона, что, в свою очередь, приводит к нестабильности выходного напряжения схемы. Снижение этого вида нестабильностей достигается за счет выполнения механотронов в виде сдвоенных симметричных конструкций, обеспечивающих их включение в мостовые измерительные схемы, а также за счет применения высокостабилизированных источников питания анодных и накальиых цепей механотронов.

Как отмечалось выше, непосредственно после включения .механотрона наблюдается значительный дрейф выходного напряжения, который через некоторое время практически исчезает. Непрерывный и значительный «уход нуля» обычно не позволяет производить надежные измерения прибором в первые 10-30 мин его работы. Этот вид нестабильности механотрона называется «начальным дрейфом», непосредственной причиной которо-

го является тепловое расширение деталей механотрона (из-за выделения внутри прибора мощности, потребляемой в основном накальной цепью). При этом возникает смещение электродов механотрона, что вызывает изменение его электрических параметров, что в конечном счете приводит к соответствующему изменению выходного напряжения Увых измерительной схемы. Так как температура деталей механотрона устанавливается в течение некоторого времени, то изменение выходного напряжения измерительной схемы непрерывно продолжается все это время. Лишь после установления температуры деталей механотронов изменение Увых прекращается.

Этот вид нестабильности механотронов характеризуется продолжительностью дрейфа и.д (в минутах) и величиной максимального (за время ,.д) изменения выходного сигнала, приведенного к входу (Ай?и.д ) и выраженного в микрометрах (рис. 3.11).

Начальный дрейф механотрона удается значительно! уменьшить, применяя для деталей кинематической системы материалы с малым термическим расширением, снижая их теплоемкость, а также уменьшая их температуру за счет применения катодов с малой потребляемой на накал мощностью.

К тепловым нестабильностям механотронных датчиков относятся также дрейф и флюктуации выходного напряжения, возникающие при колебаниях температуры окружающей среды.

Повышение или понижение температуры окружающей среды вызывает прежде всего соответствующее термическое изменение размеров оболочки механотронов (включая упругий элемент внешней кинематической системы), которое может сопровождаться неконтролируемым смещением Adr подвижных электродов.

Механотронам свойственна также нестабильность и погрешность, обусловленная температурными изменениями модуля упругости материала

тн. Ai

W so

т т

Рис. Э.П. «Начальный дрейф» механотронов с внешним управлением (а) и внутренним управлениями (б)

мембраны. Однако, как было показано в [4], погрешность, вызываемая этим видом нестабильности, весьма мала (менее 0,47о при изменении температуры окружающей среды на 10°С).

Одной из причин нестабильности выходного сигнала механотронного преобразователя может являться также колебание давления окружающей среды Рокр. Эти изменения давления приводят не только к деформации упругих элементов механотронов с внешним механическим управлением (как, например, в случае деформации мембраны в механотронном преобразователе перемещений и сил), но и к деформации баллона механотрона. Например, при увеличении Рокр прогиб оболочки внутрь баллона вызывает, очевидно, увеличение межэлектродного промежутка da.к о в манотроне (см. рис. 2.16,а), а следовательно, и нежелательное изменение выходного сигнала t/вых преобразователя. Правда, указанное влияние изменений Рокр на баллон механотрона значительно слабее, чем на его упругий элемент (например, мембрану), а поэтому при работе механотрона в нормальных условиях влиянием колебаний Рокр на его выходной сигнал, как правило, можно пренебречь.

Проведенные исследования разработанных серийных механотронных преобразователен перемещений (типов 6МХ1С, 6МХЗС, 6МХ4С, 6МХ5С, 6МХ1Б, 6МХ2Б) в барокамере показали, например, что изменение давления окружающей среды на 1 мм рт. ст. вызывает очень малое изменение их выходных сигналов (приведенных к входу) в пределах 5-10-*-6-10- мкм.

Существенного снижения влияния внешних факторов на выходной сигнал механотрона можно добиться путем расположения его деталей, образующих главную размерную цепь, внутри вакуумного баллона механотрона таким образом, чтобы большинство этих деталей не имело контакта с внешней средой. Отметим, что этот способ снижения влияния внешних воздействий на выходной сигнал преобразователя был впервые разработан и применен при создании высокочувствительных манотронов. При этом установлено (см. § 2.3), что применение указанного способа позволяет примерно в 10 раз уменьшить влияние колебаний температуры и давления окружающей среды на стабильность выходного сигнала манотронов.

При прецизионных измерениях наиболее радикальным способом снижения температурных нестабильностей и погрешностей механотронных датчиков является их термостатирование. В связи с этим следует отметить, например, что измерения линейных размеров с точностью 0,1 мкм и более высокой, как известно, производятся в хорошо термостатированных (с точностью до 1°С) помещениях [54].

К нестабильностям механотронов механического происхождения следует отнести прежде всего быстрые и медленные изменения упругих свойств упругих элементов приборов.

Указанные изменения могут быть вызваны чрезмерной перегрузкой механотрона, в результате которой возникает значительная необратимая деформация его упругого элемента. Последнее может привести к изменению чувствительности кинематической системы и изменению параметров и формы электронно-механических характеристик механотрона.

Подобная чувствительность к перегрузкам вообще свойственна пружинным приборам [32, 34]. Во избежание необратимых деформаций упругих элементов максимальные перегрузки этих приборов принято ограничивать: как правило, они не должны превышать более чем в 1,5-2 раза номинальную нагрузку.

Погрешность измерения при работе механотронных датчиков может быть следствием механического гистерезиса упругого элемента. Механический гистерезис проявляется в расхождении характеристик механотрона при прямом и обратном ходе упругого элемента и иногда обнаруживается даже при работе механотрона в области нормальных нагрузок.

Как указывалось выше, механический гистерезис кинематической системы мембрана-стержень становится заметным, если углы отклонения стержня превышают 1,5-2°. При перемещении штыря механотронного преобразователя перемеш,ений в диапазоне ±300 мкм, что соответствует отклонению его стержня на ±40, механический гистерезис обычно не превышает 0,1%.

Следует отметить, что медленное изменение упругих свойств может быть связано со «старением» материала [32, 55, 56] упругого элемента прибора. Однако при работе механотрона в условиях сравнительно невысокой температуры и малых деформаций упругого элемента старение материала последнего является весьма мед-134

ленным процессом, значительно превышающим по времени срок службы механотрона.

Экспериментальная проверка показала, например, что подача на штырь механотронного преобразователя перемещений до 10 механических импульсов, амплитуда которых не превышала допустимой величины (8< Опред). не вызывает сколько-нибудь заметных изменений параметров механотрона.

Из вышесказанного очевидна необходимость механического ограничения перемещений упругих элементов механотрона, а также соблюдения определенных правил их эксплуатации.

Нестабильности выходного сигнала при работе высокочувствительных механотронных преобразователей могут вызываться также вибрацией или отдельными сотрясениями приборов. В связи с этим при проведении высокоточных измерений, как правило, необходима амортизация механотронных преобразователей от воздействия посторонних вибраций.

3.3. ЭЛЕМЕНТЫ МЕХАНОТРОННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

В связи с резким увеличением объема контрольных операций и контролируемых процессов в современной технике возросла роль автоматических информационно-измерительных систем (ИИС), позволяющих производить одновременное измерение и обработку результатов большого количества параметров исследуемых процессов [57]. Благодаря большим функциональным возможностям механотронов, а также высокому уровню унификации электрических схем их использования эти датчики позволяют успешно решать проблему обеспечения указанных ИИС первичной измерительной информацией. При этом обработка выходных сигналов механотронов в ИИС может производиться как аналоговыми, так и цифровыми методами.

Ниже рассмотрены вопросы построения некоторых аналоговых устройств, позволяющих производить первичную обработку выходных сигналов механотронов, а также цифровых устройств, которые могут быть использованы в качестве унифицированных элементов связи между механотронными датчиками и цифровой вычис-литeJJьнoй машиной в больших информационно-измери-