Механотронах продольного управления

Чувствительности механотронов:

η_im = σ Ψ_i

η_um = σ Ψ_u

равны произведению чувствительностей его кинематической и электродной систем.

где σ — чувствительность кинематической системы механотрона;

Ψ_i, Ψ_u — соответственно чувствительности его электродной системы по току и напряжению перемещения подвижных электродов.

Чувствительность σ является важнейшим кинематическим параметром системы и определяется:

где ∆d — перемещение подвижных электродов механотрона, которое вызвано воздействием механической величины ^ М.

В зависимости от вида преобразователей и размерностей ∆d и М чувствительность σ может иметь различные размерности.

Основной характеристикой кинематической системы механотрона продольного управления является зависимость перемещения его подвижного электрода от измеряемой механической величины.

∆ d = σ М ∆d = f(М)

В общем случае основные характеристики кинематических систем нелинейны, но т.к. перемещения подвижных электродов большинства механотронов малы, поэтому в рабочем диапазоне измеряемых механических величин выходные характеристики считают линейными, а чувствительность постоянной.

При расчётах и проведении экспериментов с механотронными преобразованиями перемещений и усилий для характеристики кинематической системы очень часто используют величину, обратную чувствительности (жёсткость кинематической системы).

Важным параметром механотронного преобразователя является частота собственных механических колебаний, которую часто называют резонансной частотой системы f_о.

где ^ М — масса колеблющейся системы;

σ_F — чувствительность к перемещению под действием силы;

k — коэффициент, который зависит от типа и геометрии механотронной системы.

Из последнего выражения видно, что повышение частоты f_о может быть получено путём уменьшения массы ^ М и повышением жёсткости λ. Но увеличение λ приводит к уменьшению чувствительности.

Механотронная электродная система обычно характеризуется следующими основными параметрами:

1.
внутренним дифференциальным сопротивлением R_i;

2.
чувствительностью по току Ψ _i;

3.
чувствительностью по напряжению Ψ_u к перемещению подвижного электрода.

Электрический режим работы механотрона до механического воздействия на него обычно характеризуется начальными значениями анодного тока, анодного напряжения и начальным межэлектродным расстоянием в нём.

I _ао, U_ао,d_ао

Рассмотрим параметры R_i, Ψ_i, Ψ_u на примерах вакуум­ных­ ди­­одных и триодных механотронов продольного управле­ния­.

Под чувствительностью по току к перемещению в данном слу­чае понимается отношение изменения анодного тока I к ве­ли­­чине приращения перемещения подвижного анода (при по­сто­­янном напряжении на электродах).

Для диодных механотронов:

U_a=const

Для триодных механотронов:

U_a=const; U_c=const

U_c — напряжение на сетке.

Переходя к частным производным, получим, что чувствительность диодного механотрона:

U_a=const

 

и триодного:

U_a=const; U_c=const

Т.к. ∆d = d - d_o — разность между текущим расстоянием между электродами и начальным, т.е. при М=0, поэтому учиты­вая, что d_o=const выражение для чувствительности, мож­но переписать:

U_a=const

U_a=const; U_c=const

Под чувствительностью по напряжению к перемещению понимают зависимость отношения изменения анодного напряжения к величине приращения перемещения:

I_a=const

I_a=const; I_c=const

 

Под дифференцированным внутренним сопротивлением понимают сопротивление его межэлектродного промежутка и находят его как отношение изменения анодного напряжения U к изменению анодного тока I при постоянном межэлектродном рас­стоянии или как отношение соответствующих частных производных:

d=const

 

Численное значение R_i для данных значений I_а и U_а может быть определено только путём дифференцирования кривой I_а=f(U_а) зависимости анодного тока I от анодного напря­же­ния U.

Используя последнее выражение и подставляя в полученное выражение численные значения тока I_а и напряжения U_а, увидим, что эта за­висимость будет нелинейной. Используя выкладки, изложенные выше, можно получить уравнения связи между чувствительностью по напряжению, чувствительностью по току и внутренним сопротив­ле­нием R_i.

Ψ_u = -Ψ_i R_i

Одно из основных требований, которое предъявляется к механотрону, является либо высокая чувствительность по току, либо по напряжению. При этом механотроны с высокой чувствительностью по отличаются большим внутренним сопротивле­­нием R_i.

П
араметры Ψ_i, Ψ_u и R_i электродной системы так же как параметры механотрона η_im , η_um, которые определяются по первым двум формулам, характеризуют механотронный пре­об­разователь в простейшем режиме его работы, а именно, ког­да на все электроды механотрона подают только на­пря­же­ние по­с­то­ян­но­го тока и в анодной цепи не содержится каких-либо сопро­тив­­лений на­грузок. В связи с отсутствием нагрузки в анодной це­­пи паде­ние напряжения между анодом и катодом в этом слу­чае равно напряжению источника питания Е_а.

Этот режим электровакуумных приборов называется статическим, а параметры и характеристики, которые определяются в этом режиме называются статическими характеристиками. При этом за основную статическую характеристику механотронной системы продольного управления принимаем зависимость анодного тока I от межэлектродного расстояния d, которая изменяется при перемещении подвижного электрода (анода), полученная при неизменных напряжениях на электродах. Эти характеристики называются характеристиками перемещения (б).

Одной из важных характеристик механотрона в статическом режиме является его анодная характеристика (в). Эта характеристика — зависимость анодного тока I от анодного на­­пряжения U, полученная при фиксированном межэлектродном расстоянии (в случае триод — при неизменном напряжении на сетке).

Статическая электромеханическая характеристика механотрона в целом может быть, т.е. зависимость анодного тока I от действующего механического воздействия получена экспериментальным путём методом расчёта или методом графического сложения заранее рассчитанных характеристик перемещения механотронной системы и основной характеристики кинематической системы.

 

Рассмотрим простейшие формулы для расчёта параметров и характеристик диодного механотрона продольного уп­ра­в­ления с плоско параллельной системой подвижных электродов.

Для данного случая:

I_а=(А S_к U_а^3/2) / d² (1)

А — постоянный коэффициент, А=2,33•10^-6; [ A ]=А•В^-3/2;

S_k — активная площадь катода, обращённая к аноду;

U_a — напряжение между анодом и катодом;

d — расстояние между анодом и катодом.

Формула (1) позволяет рассчитать 2 основные статические характеристики диодного механотрона:

I _а =f(d) U_a=const

Из (1) видно, что характеристика перемещения носит явно нелинейный характер, поэтому очень важно оценивать степень нелинейности данной характеристики в рабочем диапазоне перемещений подвижного электрода механотрона. Это производится по следующей формуле:

∑ _cт = [ ∆I_{а max} / (I_{а max} - I_{а min})] • 100%

Для диодного механотрона продольного управления величина нелинейности считается по следующей эмпирической формуле:

∑ _cт =0,25 • Z^-1[ 3 + Z² – 3(1 – Z)^2/3 ] • 100%,

— относительное смещение подвижной части механотрона.

Если продифференцировать (1), то получим формулы для чувствительностей по току и по напряжению:

(2)

(3)

Затем, взяв частную производную

(4)

Подставив (1) в (2), получим:

(5)

(6)

Формулы (2), (4), (5), (6) могут быть использованы лишь для пред­варительного расчёта характеристик и параметров дио­­дного механотрона.

 

 

 НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1. Основные группы медицинских электронных приборов и аппаратов.

2. Электробезопасность медицинской аппаратуры.

3. Надежность медицинской аппаратуры.

4 Структурная схема съема, передачи и регистрации медико-биологической      информации.

5. Электроды для съема медико-биологической информации.

6. Датчики медико-биологической информации.

7. Основные понятия и формулы.

8. Задачи.

Разделы электроники, в которых рассматриваются особенности применения электронных устройств в медико-биологических целях, получили название медицинской электроники.