4.4. Датчики для измерения механических величин

Так как многие преобразователи могут быть использованы для измерения различных по характеру входных величин и, наоборот, одна и та же входная величина может быть измерена с помощью преобразователей, работающих на различных принципах, в дальнейшем примем систему описания, руководствуясь измеряемым параметром. При этом заметим, что преобразование той или иной входной величины в электрический сигнал, как уже отмечалось, часто может быть связано с промежуточным пропорциональным преобразованием измеряемой механической величины в другую механическую величину, которая затем уже преобразуется в электрический сигнал. Так, при измерении силы с помощью тензодатчика имеет место предварительное преобразование силы в деформацию упругого элемента и тензорезистора, а последнее вызывает пропорциональный электрический сигнал. В большинстве случаев такое промежуточное преобразование будет предполагаться как очевидное и подчеркиваться специально не будет.

Датчики для измерения перемещения. Для измерения линейного перемещения могут быть использованы все описанные выше типы преобразователей. Выбор конкретного способа преобразования зависит от величины перемещения и имеющихся измерительных средств. Некоторые возможные схемы построения датчиков приведены на рис. 4.3.

Устройство и работа большинства их не требует особых пояснений. Следует обратить внимание лишь на наличие в некоторых схемах передач, посредством которых осуществляется трансформация величин и характера перемещений. При соответствующем выборе передач измеряемое перемещение может быть, как уменьшено, так и увеличено. При этом следует обратить особое внимание на люфты, которые должны быть сведены к минимуму, поскольку они являются источниками погрешности.

Датчики для измерения сосредоточенных сил. Измерение сосредоточенных сил производится либо непосредственно путем прямого воздействия на преобразователь, либо с предварительным преобразованием входной величины в промежуточную, как правило, в перемещение или деформацию упругого элемента.

В первом случае используются магнитоупругие и пьезоэлектрические преобразователи.

Рис. 4.3. Конструкции датчиков линейного перемещения

а – потенциометрического, б – тензорезистивного, в – трансформаторного,

г – электромагнитного

Пределы измерения с помощью названных приборов определяются площадью магнитоупругого или пьезоэлектрического элемента. При этом максимальные напряжения в материале не должны превышать допустимых напряжений, указанных в соответствующих справочниках.

Вследствие большой жесткости преобразователи имеют высокую собственную частоту (до 50 кГц и выше) и могут быть использованы для измерения динамических сил. Однако в то время как с помощью магнитоупругих преобразователей могут быть измерены и статические силы, пьезоэлектрические преобразователи практически используются только для переменных сил с минимальной частотой первой гармоники 5–10 Гц.

Конструктивное исполнение магнитоупругих преобразователей может быть легко представлено из схем, изображенных на рис. 1.17. Что касается пьезоэлектрических датчиков, то из чрезвычайно большого разнообразия их здесь приводятся лишь три типа конструкции, имеющие характерные отличия (рис. 4.3). Особенностью первого датчика (рис. 4.3,а), работающего только на сжатие является передача усилия через стальные закаленные шарики, с помощью которых достигается равномерное распределение усилия по площади пьезопластин.

Рис. 4.3. Конструкции датчиков для измерения сил, а – в – пьезоэлектрических: г – электромагнитного; д – ж – тензорезистивных

Датчик, представленный на рис. 4.3,б, рассчитан на измерение очень больших сил, непосредственное приложение которых к пьезокристаллам вызвало бы их разрушение. При измерении силы в этом датчике используется увеличение диаметра силового столбика 1 под нагрузкой. Изменение диаметра столбика передается через сферическую пяту 3 пьезопластинам, смонтированным в стальном закаленном кольце 2, опоясывающем силовой столбик.

Третий датчик (рис.4.3,в) предназначен для измерения как сжимающих, так и растягивающих сил. Для того чтобы это стало возможным, в преобразователе создается предварительное напряжение сжатия _предв, равное примерно половине максимального допустимого напряжения в пьезокристалле. Это напряжение обеспечивается поджатием кристалла верхней и нижней гайками (1 и 2).Максимальное измеряемое усилие таким датчиком не должно превышать величины, при которой напряжение в пластинах уменьшается до нуля или увеличивается до предельно допустимой. Абсолютное значение этого усилия зависит от соотношения жесткости пьезоэлемента и корпуса преобразователя 3.

Измерение сил с помощью промежуточного преобразования в смещение или деформацию имеет наибольшее распространение и может производиться установкой преобразователя как на самой детали, подвергающейся воздействию измеряемой силы, так и с помощью специальных датчиков с упругим элементом в виде балки, стержня, цилиндра или кольца, деформирующимися пропорционально приложенной силе и приходящими в исходное положение при снятии нагрузки. С упругим элементом связаны те или иные преобразующие элементы, на выходе которых продуцируется электрический сигнал. В этом случае могут быть использованы индуктивные емкостные, тензорезистивные и электронные преобразователи. Некоторые из возможных решений изображены на рис. 4.3, г – ж.

Из представленных на рис. 4.3 схем следует выделить схему на рис. 4.3,ж, которая отличается от схем рис. 4.3,д, е тем, что имеет два предела измерения. Чувствительность первой шкалы определяется деформативными характеристиками внутреннего стакана 1, а предел измерения – разницей в высотах стаканов 1 и 2 (рис. 4.3,ж). После выбора зазора  дальнейшая деформация будет определяться совместной жесткостью цилиндров 1 и 2.

Измерение деформаций и напряжений в материале. При приложении к некоторому элементу, имеющему площадь сечения F. растягивающей или сжимающей силы Р в элементе длиной l возникает напряжение σ, равное

. (4.1)

Появление напряжений приводит к деформации (сжатию или растяжению) элемента

,

где Е – модуль упругости материала.

Обычно пользуются не абсолютной, а относительной деформацией

. (4.2)

Обобщив формулы (4.1) и (4.2), получим зависимость, выражающую связь между относительной деформацией  и напряжением :

 = Е .

Последняя зависимость положена в основу определения напряжений, поскольку относительная деформация  на длине, равной базе преобразователя, может быть достаточно просто измерена электрическими методами.

В силу ряда преимуществ для измерения напряжений и деформаций наибольшее распространение имеют тензорезисторы. Как уже указывалось, тензорезисторы применяют для измерения относительных деформаций ε до 0,003 (или до 0,3%).

Измерение давлений. Принципиально для измерения давлений применимы все рассмотренные выше типы преобразователей; конструктивные же решения могут быть самыми разнообразными, определяемыми требованиями эксплуатации.

Характерной особенностью многих датчиков давления является промежуточное преобразование давления в перемещение упругих элементов в виде плоских и гофрированных круглых мембран с отношением толщины к диаметру в пределах 1/10–1/50. В зависимости от величины измеряемого давления, принципа преобразования и условий работы для мембран применяют различные материалы. Наиболее часто используются мембраны из бронз БрБа, БРОФ6,5 0,15, высококачественных сталей 1Х18Н9Т, 50ХГА и сплавов К40НХМВ, Д16Т, В95Т.

На рис. 4.3 представлено схематическое устройство нескольких датчиков для измерения давления, работа которых не требует особых пояснений.

Величина давления р однозначно (пока частота пульсации давления значительно меньше частоты собственных колебаний датчика) определяется прогибом мембраны.

Связь между прогибом центра мембраны у и давлением р при коэффициенте Пуассона =0,3 определяется следующими соотношениями:

при малом ходе (y)

при большом ходе [у )

где R – радиус мембраны, см; р – давление. Па; Е – модуль упругости, Па;  – толщина мембраны, см.

Рис. 4.3. . Схемы наклейки тензорезисторов для измерения деформации.

а–г – при нормальном нагружении; д, е – при изгибном нагружении; ж, з – при сложном нагружении; и—м – при кручении.

На рис. 4.4 представлено схематическое устройство нескольких датчиков для измерения давления, работа которых не требует особых пояснений.

Для получения максимальной чувствительности тензорезисторы, включенные по схеме полумоста, должны быть наклеены на мембрану в ее центральной части и в тех зонах, где напряжения максимальны и имеют противоположный знак. Это положение не следует упускать из виду, поскольку оно накладывает определенные требования к назначению размеров мембран при применении серийных тензорезисторов мембранного типа: диаметр мембраны должен быть лишь не намного больше диаметра тензорезистора. Когда заданный диаметр мембраны не согласуется с диаметром тензорезистора, следует отказаться от мембранных тензорезисторов и применить прямоугольные решетки с различными базами: в центре – резистор с базой, доходящей до 1/3 диаметра мембраны, а по краям – не превышающей 1/6 диаметра.

При измерении давлении в жидкой среде в условиях вибраций и дополнительных инерционных сил (например, при установке датчика в топливном баке на корабле, самолете и т. д.) к статическому давлению р_ст добавляются инерционные силы. В результате суммарное давление (пренебрегая массой мембраны) будет:

p=p_ст+gh,

где  – массовая плотность жидкости; h – высота слоя жидкости.

Для неискаженной регистрации переменной составляющей за счет инерционной силы собственная частота колебаний мембраны, как и ранее, должна быть в 5–10 раз выше основной частоты вибраций объекта и пульсации давления.

Рис. 4.4. Датчики для измерения давлении. а – реостатный; б – электромагнитный; в – емкостный; г – пьезоэлектрический; д, е – тензометрические

Особенностью датчика давления, конструкция которого изображена на рис. 4.4,д, является то, что активный тензорезистор 1 наклеен не вдоль оси цилиндра, а поперек; компенсационный резистор 2 наклеен на продолжении цилиндра, в котором помещен силикагель. Такая ориентация активного тензорезистора рекомендуется потому, что относительная тангенциальная деформация примерно в 2 раза превышает продольную (_>>2;) и равна:

,

где D_ср – средний диаметр цилиндра;  – толщина стенки цилиндра.

Диапазон измерений давлений цилиндрическими преобразователями простирается от 510⁴ до 410⁷ Па (5–4000 кгс/см²), при этом рабочая нагрузка во избежание текучести материала не должна превышать 0,7 _..

При измерении переменных давлений особо следует учитывать возможность появления резонансных продольных колебаний датчика, частота которых при работе в той или иной среде существенно снижается за счет присоединенной массы среды.

В случае длинного канала D l возможно искажение переднего фронта волны давления за счет дросселирования и возникновения в канале (при определенной длине патрубка l) резонансных колебаний. Так, при условии постоянного сечения патрубка с одним закрытым концом частота резонансных колебаний в газе будет равна приблизительно:

,

где с – скорость звука, м/с; k – показатель адиабаты; R – газовая постоянная (R=8,31 Дж/(моль.К); Т – абсолютная температура, К; g – ускорение силы тяжести, м/с².

Несколько обособленную группу представляют собой датчики для измерения ударных волн, например, при измерении давлений при взрывах.

Сложность измерения подобных процессов заключается в том, что в результате резкого изменения давления в обычных датчиках возникают собственные колебания, существенно искажающие реальную картину. Для надежной регистрации таких процессов необходимо, чтобы собственная частота преобразователя была чрезвычайно высокой (порядка 100000 Гц и выше). Последнее может быть реализовано лишь при применении пьезоэлектрических датчиков.

Поскольку собственная частота системы определяется жесткостью кварца и его массой, то при большой жесткости кварца (или пьезокерамики) и малой колеблющейся массе удается изготовить датчик, регистрирующий давления с очень крутым фронтом нарастания. Благодаря большой жесткости пьезоэлемента и малой массе элемента и мембраны собственная частота датчика может достигать 200 000 Гц.

Датчики для измерения параметров движения. Диапазон перемещений, скоростей и ускорений, измеряемых в настоящее время электрическими средствами, чрезвычайно широк. Так, величины ускорений простираются от 10^–6 м/с² (при движении спутника в космосе) до (5–6) 10⁵ м/с² (при соударении стальных закаленных шариков), а скоростей – от 10^-7 м/с до 8–12 км/с и более.

Связь между параметрами движения (перемещением, скоростью и ускорением), определяемая дифференциальными зависимостями, широко используется при проектировании и эксплуатации датчиков, поскольку один из измеренных параметров позволяет тут же путем его дифференцирования или интегрирования получить другой. Так, сигнал от датчика ускорения, проинтегрированный дважды по времени, предстает как сигнал перемещения, а дифференцированный сигнал от датчика скорости будет выражать ускорение.

Выбор конкретных средств для измерения параметров движения зависит от характера движения: будет ли оно равномерным, неравномерным или колебательным (вибрационным).

Измерение малых перемещений относительно некоторой опорной точки производится теми же методами, что и измерение линейных или угловых размеров. Для этой цели могут быть использованы все преобразователи, в которых имеется подвижный элемент, в частности реостатные, емкостные, электромагнитные и электронные.

При больших линейных перемещениях, выходящих за пределы измерения преобразователя, измерение производится путем суммирования дискретных перемещений от одной метки, связанной с неподвижной системой, до второй; от второй до третьей и т. д. При этом мерная величина может находиться как на неподвижном участке, так и перемещаться. Например, путь автомашины может быть определен последовательным суммированием числа оборотов колеса, умноженного на длину его окружности. Число же оборотов подсчитывается счетчиком оборотов, например электроконтактным, индукционным или емкостным.

Определение числа оборотов в единицу времени с помощью тахометра позволяет рассчитать среднюю скорость на этом отрезке пути.

В тех случаях, когда возможность использования опорных (реперных) точек отсутствует, используют датчики с инерционными элементами. Подобные датчики находят применение, в частности, там, где при перемещения объекта имеют место инерционные силы.

В соответствии с законом Ньютона эти силы пропорциональны движущейся массе т и испытываемому ей ускорению , т. е.

.

Следовательно, если представляется возможным каким-либо образом измерить силу F_ин, что при известной массе т может быть определено ускорение w, а затем скорость v и смещение x. Таким образом, задача измерения параметров движения сводится к измерению силы. Практически измеряется, конечно, не сила, а электрический параметр, являющийся функцией этой силы (например, изменение емкости, сопротивления, э.д.с. и т. д.).

В случае измерения синусоидальных вибраций задача значительно упрощается, поскольку для полной характеристики процесса достаточно знать его частоту и один из параметров движения (смещение, скорость или ускорение), а для определения остальных параметров процесса используются известные формулы:

В общем случае такие датчики можно построить с использованием всех упомянутых выше типов преобразователей.

На рис. 4.5 в качестве примера приведены устройства трех типов датчиков с сейсмической массой m, укрепленной на упругой балке.

Особенностью первого (реостатного) датчика является то, что инерционная сила Р_ин, возникшая в результате ускорения основания, проявляет себя в виде смещения движка потенциометра, во второй схеме – в виде деформации балки и тензорезисторов R₁ и R₂, а в третьей – в виде скорости перемещения магнита в катушке, поскольку наводимая э.д.с. пропорциональна скорости перемещения.

При выборе типа преобразователя необходимо учитывать, прежде всего, частотный диапазон его работы. Так, например, применение в акселерометре преобразователя реостатного типа, требующего относительно больших рабочих перемещений, неизбежно приводит к снижению частоты свободных колебаний системы, ограничивая частотный диапазон значениями 10 – 30 Гц.

Рис. 4.5. Инерционные измерители параметров движения

а – реостатный: б – тензоэлектрический, в – индукционный.

Вопросы для самопроверки

1. По каким определяющим признакам классифицируются средства измерений (СИ)?

2. Из каких элементов (составных частей) состоит структура измерительного устройства?

3. Изобразите структуру электрических приборов для измерения неэлектрических величин.

4. Какое состояние окружающей среды принимается за нормальные условия?

5. Что представляет собой датчик (измерительный преобразователь)?

6. Как можно разделить датчики с электрическим выходным сигналом в зависимости от принципа действия?

7. Какие типы преобразователей могут быть использованы для измерения линейного перемещения?

8. Какие датчики имеют наибольшее распространение для измерения напряжений и деформаций?

9. Какие типы датчиков используются для измерения давления?