4 Струнные датчики

Основные понятия

Колебательные частотные датчики подразделяются на датчики свободных колебаний и автоколебательные датчики.

Датчики свободных колебаний основаны на использовании свойств колебательных систем различной физической природы.

Колебания в контуре вызываются специальными возбуждающими сигналами, выходной величиной являются свободные колебания в контуре, возникающие после прекращения возбуждающего сигнала.

Частота колебаний зависит от параметров контура и не зависит от величины возбуждающего сигнала.

По физической природе колебательных систем различают на механические, электрические, акустические, ядерные и другие датчики свободных колебаний.

Рассмотрим структурную схему частотного датчика свободных колебаний.

Рисунок 1.5.6- Схема частотного датчика свободных колебаний

ПП - предварительный преобразователь;

КК - колебательный контур;

ВП - выходной преобразователь;

ВЭ - возбуждающий элемент.

Предварительный преобразователь осуществляет преобразование измеряемой величины х в сигнал или параметр, воздействующий на частотные характеристики колебательного контура. Выходной преобразователь служит для приведения сигнала на выходе КК к виду удобному для передачи на расстоянии.

Управление работой датчика осуществляется подачей на возбуждающий элемент сигнала А. ВЭ вырабатывает сигнал, который вызывает колебания в КК.

В механических датчиках свободных колебаний контролируемая величина влияет на механический параметр обычно на жесткость упругого элемента колебательной системы. Примером служат струнные датчики.

Принцип работы струнного датчика основан на изменение резонансной частоты колебаний струны при ее натяжении.

f=1/2 , (1.5.6)

где f - резонансная частота;

F - сила натяжения струны;

m и l - масса и длина струны.

Струна выполняется из магнитного или немагнитного проводящего материала.

Рассмотрим устройство струнного датчика.

Рисунок 1.5.7 - Схема струнного датчика

1 - струна из магнитного материала;

2 - поляризованный электромагнит;

F - сила, изменяющая натяжение струны.

Возбуждающий сигнал в виде кратковременного импульса тока подается на обмотку электромагнита. Выходной сигнал в виде переменной э.д.с., возникающий в результате изменения F, связанного с изменением воздушного зазора между электромагнитом и струной при ее колебании, снимается с этой же обмотки.

Иногда в схемах применяются два электромагнита, один - для возбуждения колебательной системы (неполяризованной), другой - для съемки выходного сигнала (поляризованный).

В датчике со струной из немагнитного материала струна располагается между полюсами магнита. Для возбуждения колебаний по струне пропускается импульс тока. При колебаниях струны в поле постоянного магнита в ней индуктируется переменная э.д.с., которая является выходным сигналом датчика.

Структурные датчики применяются для контроля усилий, деформаций и других величин, которые предварительно преобразуются в усилие или перемещение.

Достоинства струнных датчиков:

1) высокая чувствительность;

2) малая погрешность;

3) малое потребление энергии.

Недостатки:

1) нелинейность характеристики управления;

2) зависимость величины выходного сигнала от изменения внешних условий (например температуры). Непостоянство температуры приводит к изменению длины струны, вследствие чего выходная частота f отклоняется от расчетной.

Для уменьшения температурной погрешности в ряде случаев применяют термостатирование. Погрешность струнного датчика в этом случае достигает 0,1%.