4.2.2. Преобразование механических и тепловых величии в соот­ветствующие сигналы, пригод­ные для их дальнейшей пере­дачи и обработки

4.18. Что означают даль­нейшая передача и обра­ботка результатов изме­рений?

С созданием автоматизирован­ных систем управления различными процессами результаты измерений, регистрировавшиеся на месте их получения, стали передавать в центры сбора для их дальнейшей обработки.

Под обработкой измерительных данных понимают совокупность вы-

светофильтра переменной плотности (опти­ческого клина), угол поворота которого явля­ется выходной величиной, линейно связанной с яркостью. Измерения могут быть автомати­зированы с использованием фотоприемного устройства и системы автоматического уравновешивания- Прим. перев.

полняемых с ними вычислительных операция (включая и функциональ­ное' преббразованис), необходимых для определения искомой величины либо для получения совокупного результата измерений. К обработке данных относятся также и операции их оценивания-сортировка, класси­фикация, • сравнение с заданными значениями и выводы из результа­тов решений (последние характерны для задач контроля). Подробнее вопросы обработки данных измере­ний рассмотрены в гл. 6.

Передача и последующая обра­ботка данных возможны лишь при их преобразовании в приемлемые для указанных операций сигналы. Обычно такими сигналами являются электрические (чаще всего в виде напряжения), преобразуемые в циф­ровую форму аналого-цифровыми

преобразователями для последую­щего ввода их в ЭВМ.

В некоторых случаях обработка данных осуществляется пневмати­ческими вычислительными устрой­ствами, в которых носителем сиг­налов (информации) является сжа­тый воздух.

В последние годы распростране­ние получили световодные линии передачи информации (носителем которой является свет в видимой или инфракрасной части спектра) и оптические устройства обработки данных- оптические процессоры сиг­налов.

При преобразовании неэлектри­ческих величин в электрические с промежуточным их представлением в виде оптического или ионизирую­щего излучения возникают некото­рые особенности.

Рис 4 50 Классификация измерительных преобразователей по способу преобразования энергии

4.19. Какие существуют принципиальные возмож­ности для преобразования неэлектрических измеряе­мых величин в соответст­вующие электрические сиг­налы⁷

Все устройства измерительного преобразования неэлектрических ве­личин, в том числе механических и тепловых, в электрические вели­чины можно разделить на две груп­пы-пассивные и активные преобра­зователи (рис. 4.50).

Понятия пассивных и активных преобразователей введены по ана­логии с соответствующими четырех­полюсниками из теории электриче­ских цепей В пассивном преобразо­вателе происходит прямое преобра­зование входной энергии, восприня­той в соответствующей форме от объекта измерений, в электрическую с учетом потерь на передачу.

В активном преобразователе воспринимаемая от объекта измере­ний неэлектрическая энергия воздей­ствует на поток подводимой вспо­могательной электрической энергии

между ее источником а выходом преобразователя. Тут можно ука­зать на аналогию с активным че­тырехполюсником-усилителем. От­метим, что воздействие на поток вспомогательной энергии в актив­ных преобразователях может осу­ществляться как изменением гео­метрических параметров преобразо­вателя, так и изменением характе­ристик его материалов (см. рис. 4.50).

Три основных принципа пост­роения пассивных измерительных преобразователей указаны в табл. 4.6. Помимо них существуют и Другие способы преобразования энергий -на основе фотоэффектов (см. табл. 4.17), эффекта Холла (рис. 4.99), пьезо­электрического эффекта (рис, 4.52).

Примером непосредственного преобразования энергии движения в электрический сигнал с использова­нием изменения электромагнитной индукции (помимо указанного в табл. 4.6 тахометра) может служить индукционный измеритель объем­ного расхода электропроводной жидкости (рис. 4.51). В отлячие от тахометра в таком расходомере магнит 1 остается неподвижным, а роль воспринимающей движение обмотки, в которой индуцируется э д.с , выполняет электропроводя­щая жидкость. Эта жидкость дви-

Таблица 4.6. Принципы построения пассивных преобразователей неэлектрических величин в электрический сигнал
Преобразуемые виды энергий (примеры преобразователей)	Принципы преобразования	Дополнительные сведения

Отсутствие обратного воздействия измеритель­ной цепи на объект. Диапазон измерений 2...50с-¹

Вращающийся постоян-й ный магнит (ротор) инду­цирует в неподвижной ка­тушке (статоре) перемен­ное напряжение, значение и частота которого про­порциональны скорости вращения и магнитной индукции. Погрешность измерений ±(1 — 1,5)%

Энергия механического движения -электрический сигнал (индукционный преобразователь-тахометр)

Чувствительность может быть увеличена последо­вательным включением термопар. Погрешность можно уменьшить термо-статированием холодного спая или температурной коррекцией, включением в мостовую схему термо­резистора. Температур­ные измерения до 1600° С

Металлы, образующие термопару, размещены в изоляционных трубках 3, закрытых кожухом 2. Ме­таллы пары спаяны в ра­бочей точке /, а свобод­ные концы подведены к зажимам 4. Принцип дей­ствия рассмотрен при описании схемы термопа­ры, приведенной на рис. 4.6. Погрешность преобразования составля­ет ±(1...3)К

Преобразование тепловой энергии в электрический сигнал (термоэлемент)

Диапазон измерений до 0,02%, классы точности 5—10, время реакции 0,5 — 3 мин

Преобразователь (схема упрощена) содержит мед­ный анод /, размещенный в изоляционной трубке 2. и катод-железный сосуд 3. Ток г',, пропорционален концентрации О; в раст­воре электролита и опре­деляется электрохими­ческой реакцией деполя­ризации катода. Анализи­руемый газ с постоянным объемным расходом по­дается через нижний пат­рубок, насыщая электро­лит. Температуру элект­ролита необходимо под­держивать постоянной

Преобразование химической энергии в электрический сигнал (гальванический преобразователь для измерения кон­центрации кислорода в газе)

жется в трубопроводе диаметром d из немагнитного материала со скоростью v. Наводимая э.д.с. 1/идд = Bdv (здесь В- магнитная ин­дукция) снимается через электроды 2, изолированные от трубопровода. При этом длина проводника равна диаметру трубопровода.

Средняя скорость потока опре­деляется выражением

а объемный расход составляет

женная ко входу усилителя э.д.с. вы­зывает в его входной цепи, куда входит и проводящий участок конт­ролируемой жидкости, определен­ный ток, который при постоянстве расхода будет зависеть от стабиль­ности проводимости этой жидкости.

На рис. 4.52 схематично изобра­жен пьезоэлектрический измеритель­ный преобразователь усилия и дав­ления в электрический сигнал. Пьезоэлектрическими называются кристаллы, электризующиеся под действием механических деформа­ций. К таким кристаллам относятся кварц, турмалин, сегнетоэлектрики и др. В рассматриваемом преобра­зователе два пьезокристалла 1 раз­делены промежуточной обкладкой-электродом 3 из латунной фольги, изолированной от корпуса самими кристаллами. Наружные металли­ческие обкладки 2 и 4 заземляют. При воздействии силы F на поверх­ностях пластин возникает электри­ческий заряд Q, пропорциональный этой силе. При определенной ориен­тации вдоль одной из осей кристал­лов

Во всех случаях, кроме измере­ний быстроменяющегося расхода и потока расплавленного металла, вместо постоянного магнита ис­пользуют электромагнит, так как постоянный магнит наводит э.д.с. поляризации, направленной встреч­но основной э.д.с.

В выражение для индуцируемой э.д.с. не входит проводимость жид­кости и, казалось бы, ее изменения не влияют на результаты измерений. На самом деле это не так. Значение э.д.с. обычно не превышает 10 мВ и требует усиления, а реальный уси­литель обладает конечным входным сопротивлением. Поэтому прило­

Поверхностная плотность заряда 5р представляет собой чувствительность преобразователя. Для увеличения чувствительности пьезоэлемент из-

готавливают в виде ряда пластин, соединенных параллельно при по­мощи металлических прокладок.

Напряжение, снимаемое с плас­тин, определяется выражением

где С- емкость пьезокристалла, имеющая определенное значение.

В отсутствие силы заряд исче­зает. Однако и при воздействии силы он уменьшается из-за наличия токов утечки, обусловленных конеч­ным сопротивлением изоляции, а также измерительной цепи. Так как выходная мощность пьезоэлектриче­ских преобразователей весьма мала, то к их выходу подключают уси­литель с возможно большим вход­ным сопротивлением. Амплитудно-частотная характеристика таких преобразователей аналогична харак­теристике полосового фильтра (см. рис. 3.12, б), поэтому их применяют только для измерения динамических величин.

Как отмечалось выше, в актив­ных измерительных преобразовате­лях используется вспомогательная электрическая энергия, на которую воздействует измеряемая величина. Воздействие можно осуществлять, изменяя либо геометрию преобра­зователя, либо электрические пара­метры и характеристики его мате­риала. В первом случае это могут быть линейные и угловые либо преобразуемые в них величины. Во втором случае речь идет о таких специфических параметрах, как ди­электрическая проницаемость, коэф­фициент магнитной проницаемости, электрическая проводимость и ряд других. Примером использования эффекта изменения диэлектрической проницаемости среды может слу­жить емкостной уровнемер (рис. 4.42). Изменение магнитной прони­цаемости ферромагнитных материа­лов происходит под воздействием механических сил. Это свойство

называют магнитоупругостью. Один из преобразователей, осно­ванных на этом принципе, - транс­форматорный преобразователь-представляет собой наборный сер­дечник из листового материала (рис. 4.53). В листах предусмотрены че­тыре отверстия для размещения первичной и вторичной обмоток. Первичную обмотку подключают к источнику постоянного напряже­ния. В ненагруженном состоянии преобразователя (рис. 4.53, слева) магнитные силовые линии каждой из обмоток симметричны и не пе­ресекаются. В нагруженном состоя­нии (рис. 4.53, справа) вследствие изменения магнитной проницаемо­сти материала магнитное поле пер­вичной обмотки вытягивается и пе­ресекает вторичную обмотку, инду­цируя в ней э.д.с., пропорциональ­ную приложенному усилию F. При изменении знака нагрузки изменяет­ся и фаза выходной э.д.с.

Примером использования эффек­та изменения электрической прово­димости металлов под воздействием измеряемой величины- температу­ры-может служить термометр со­противления (см. рис. 4.46). При на-

гревании металлического проводни­ка от температуры 9о до температу­ры 9 его сопротивление изменится от rq до rq в соответствии с выра­жением

где К^ и К г - коэффициенты преоб­разования, характеризующие кру­тизну участков кривой температур­ной зависимости сопротивления. На рис. 4.54 приведены кривые такой зависимости для трех различных металлов: железа, меди и платины. Для последних двух металлов К^ == =0, а для железа К^ = 0 при от­носительно низких температурах. Методы и средства измерения со­противления указаны в табл. 4.11.

Изменяют свое сопротивление при механическом растяжении так называемые тензорезисторы или тензодатчики (см. табл. 4.7). Тон­копленочные тензорезисторы при­меняют, в частности, для преобра­зования давления в электрический сигнал, закрепляя их на мембране манометра, как это показано на рис. 4.55. Изготовленные в виде пар спи­ралей тензорезисторы включаются в измерительный мост.

В последние годы расширяется

производство интегральных датчи­ков, совместимых по своим выход­ным параметрам с измерительными интегральными схемами. Примером таких датчиков может служить кремниевый термистор, схематично изображенный на рис. 4.56, о. За­висимость от температуры его со­противления растекания между то­чечными электродами (рис. 4.56,6) хорошо воспроизводится при мас­совом производстве в определенном диапазоне размеров. Температурный коэффициент, равный 0,0075 К~¹, определяется зависимой от темпе­ратуры подвижностью зарядов по­сторонних примесей. Термистор имеет размеры порядка нескольких миллиметров. Предел измерении температуры составляет 175 °С, а при использовании кремния с вы­сокой степенью чистоты достигает 300 °С.

Другим примером интегрально­го датчика является мембранный преобразователь давления (рис. 4.57). Мембрана преобразователя изготовлена из кремния толщиной 5 мкм. На поверхности выращена структура тензорезисторного изме­рительного моста. Диаметр чувст­вительного элемента (мембраны) равен 1 мм. Пределы измерений О — 200 кПа, диапазон рабочих тем­ператур от —40 до +150 °С.

В табл. 4.7 приведены примеры активных преобразователей с воз-

Таблица 4.7. Примеры активных преобразователей с воздействием і	іа свойства	их материалов
Изменяемое свойство (пример реализации) Принцип действия и характе­ристики	Некоторые сведения	дополнительные

Изменение магнитной проницаемости (і, под воздействием давления или рас­тяжения (магнитоупругий преобразо­ватель усилий)

Электрическая проводимость (тензо-резистор)

Проводник длиной /, ха­рактеризующийся моду­лем упругости Е, при удлинении є, = Д/// = <s/E, где а- механическое на­пряжение при растяжении, изменяет свое сопротив­ление Ro на 6,R. Относи­тельное изменение ^R/Ry является мерой удлинения и напряжения проводника при растяжении. Пределы измерения удлинения Єї до 5-Ю"³, напряжения ст до 1 кН/мм². Чувствитель­ность S = ДД/Д/ ^ 100 м при / = 100 мм, rq = = 500 Ом, относительная погрешность < ±5%

Принцип преобразования изложен при описании эф­фекта магнитоупругости (рис. 4.53). Пределы изме­рений 0-10 МП, чувст­вительность ~ 5 мВ/кН, относительная погреш­ность ±(1 - 2)%

Основные области приме­нения-измерения стати­ческих и динамических усилий. Вместо проводни­ков в последние годы ис­пользуют тонкие пленки, осаждаемые методом на­пыления, и полупровод­никовые резисторы. При­чины погрешностей -гистерезис, температур­ная зависимость, влияние сопротивления изоляции

В качестве материала пригоден сплав железо-никель, содержащий 80% никеля

При частоте напряже­ния первичной обмотки 50 Гц воспринимаются изменения усилий с часто­той до 12,5 Гц. Вследст­вие высокой чувствитель­ности не требуется допол­нительного усиления вы­ходного сигнала.

Может применяться как для измерения усилий и давления, так и для взвешивания (например, в крановых весах). При­чины погрешности-нели­нейность преобразования и гистерезис

• Измеритель применяют, ; например, для определе- , ния содержания воды в

• спирте. Измерительной . схемой служит мост или [ резонансный контур. На

погрешность влияют тем- . пературные изменения

Постоянная диэлектри^ ческой проницаемости є двухкомпонентной смеси, равна средневзвешенно­му значению постоянных є; и є, диэлектрической проницаемости компо­нент, и является мерой их содержания. Анализируе­мая смесь 3 помещается в измерительную ячейку 1, образующую вместе с электродом 2 конденса­тор. Ячейка размещена в термостате 4. По изме­ренной емкости конденса­тора определяют є и из таблицы находят соответ­ствующие содержания компонент. Чувствитель­ность измерителя пропор­циональна разности по­стоянных Єї и е^

Изменение диэлектрической проницае­мости среды (измеритель содержания компонент в двухкомпонентной сме­си-декаметр)

действием измеряемой величины на электрическую проводимость, маг­нитную и диэлектрическую прони­цаемость материалов этих преобра­зователей.

4.20. Как неэлектрические величины преобразуют в пневматические сигналы?

Такие преобразования использу­ют, главным образом, при измере­ниях давления и геометрических величин.

На рис. 4.58 схематично показана реализация одного из пневматиче­ских методов измерения длины (рас­стояния, перемещения)-метода соп­ла-заслонки. Объект, перемещение s которого измеряют, жестко связан с подвижной заслонкой. На входе сопла поддерживается постоянное давление воздуха; при этом объем­ный расход V на выходе из сопла зависит от зазора s между выход­ным срезом сопла и заслонкой. В простейшем устройстве, реализу­ющем этот метод, объемный расход отображается соответствующим давлением рц. Такое устройство показано на рис. 4.59; оно содержит два сопла-головное (J) и измери­тельное (5). На входе головного сопла регулятором 2 поддерживает­ся постоянное давление рц. При этом рм =f(s). Рабочая характерис­тика устройства приведена на рис. 4.60.

Рис. 4.57. Интегральный мембранный преоб­разователь давления с тензорезисторным мостом. а продольный разрез чувствительного элемента:

/ контактные площадки; 2 SiO;; 3 выращенный тензорезисторный мост; 4 кремниевая мембрана;

5 кремний «-проводимости; б конфигурация вы­ращенного тензореэисторного моста: / радиаль­ные резисторы; 2- тангенциальные резисторы; 3 кон­тактные площадки.

Метод сопла-заслонки исполь­зуют, например, для измерения тол­щины движущегося ленточного ма­териала, в частности бумажной по­лосы. Функцию заслонки в этом случае выполняет контролируемый материал. Этот же метод применя­ют и для измерения гидростатичес­кого давления в резервуарах. Соот­ветствующее устройство схематично изображено на рис. 4.61. Во входном патрубке камеры 3 объемом ^под­держивается постоянство объемного расхода V и устанавливается давле­ние рм, уравновешивающее давле­ние р,, столба контролируемой жид­кости высотой h, т.е.

где Ад- площадь сечения трубки 6, Fg-сила тяжести жидкости, р-плот-

Рис. 4.59. Схематичное изображение устрой­ства для измерения перемещения методом «сопло- заслонка».

/-регуляюр давления; 2- расходное сопло; Д-бу­ферная емкость; 4 измерительное сопло.

ность жидкости, (?-ускорение сво­бодного падения. Это устройство может быть использовано и для из­мерения высоты уровня.

4.21. Каковы принципы преобразования физичес­ких величин в оптические сигналы?

В основе действия подобных преобразователей физических ве­личин лежат различные принципы модуляции тех или иных парамет­ров оптического излучения, кото­рыми отображаются измеряемые величины. По характеру воздейст­вия на излучение различают непо­средственную модуляцию излучения измеряемой величиной на основе эффектов отражения и поглощения света и модуляцию воздействием на характеристики преобразователя по­средством различных физических эффектов. В современных измери­тельных преобразователях исполь­зуются волоконные световоды. Иногда они служат только средой, передающей излучение, в сочетании с традиционными модуляторами. Однако уникальные модуляционные эффекты в волоконных световодах позволили использовать их в качест­ве измерительных преобразователей различных величин.

На рис. 4.62 показана общая схема преобразования с использова­нием волоконных световодов для передачи излучения к модулятору измеряемой величины х„ и от мо­дулятора к фотоприемнику. Моду­

лировать можно различные пара­метры излучения-частоту, интен­сивность (амплитуду), фазу и поля­ризацию. Чаще всего осуществляют амплитудную модуляцию, как на­иболее просто реализуемую. Для уменьшения паразитного влияния изменений внешнего давления на параметры передаваемого излуче­ния передачу по световодам целе­сообразно осуществлять импульсно-модулированными сигналами.

В табл. 4.8 приведены примеры преобразования, основанного на эффекте поглощения оптического излучения, используемого для изме­рения малых длин, углов, а также подсчета числа объектов.

Рис. 4.63 иллюстрирует пример измерения расстояния до объекта, основанного на эффекте отражения излучения от этого объекта (метод локации). Здесь объектом является/ оптическая обратная связь; 2- оптические соеди­нители; 3- световоды; 4- модулятор (сенсор) изме­ряемой величины.

Рис. 4.62. Схема преобразования с использо­ванием волоконных световодов для связи из­мерительного устройства с оптическим мо­дулятором измеряемой величины.

8-727

226	Глава 4
Таблица 4.8. Примеры преобразования величин, основанного на эффекте поглощения оптического излучения
Форма излучения Характеристика преобразования		Применение

мембрана манометра, отклонение которой пропорционально измеряе­мому давлению. Объект может вра­щаться, и по числу считанных с него в единицу времени отражений меток можно измерять скорость вращения.

На рис. 4.64 приведена класси­фикация основных физических мо­дуляционных эффектов в волокон­ных световодах.

Одним из примеров преобразо­вателей с амплитудной модуляцией является температурный датчик, в котором используется полупровод­никовый материал с переменным поглощением излучения. В таких материалах коэффициент абсорбции света является функцией длины вол­ны излучения и температуры. Ха­рактеристика собственного погло­щения материала должна иметь большую крутизну края. Этот эф­

фект сильнее всего проявляется в арсениде галлия. Преобразователь из арсенида галлия может быть построен по схеме рис. 4.62. Чувст­вительный элемент в виде прослой­ки из арсенида галлия располагается между торцами световодов в том месте, где на рис. 4.62 указан сенсор. При длине волны Х = 880 ± ± 150 нм диапазон измерений тако­го преобразователя составляет —10— +300 ° С при погрешности ± 1 °С и времени отклика 2 с. На рис. 4.65 приведена в качестве при­мера характеристика одного из та­ких преобразователей.

При изгибе волокна световода нарушаются условия полного внут­реннего отражения. Это свойство используют для измерения микро­изгибов и микроперемещений. Прин­цип построения такого преобразо-

вателя иллюстрирует рис. 4.66 (пла­та 3 является подвижной). Преобра­зователь может использоваться так­же для измерения микроусилий и микродавления.

Примером преобразователя с модуляцией поляризации измеряе­мой величиной является датчик маг­нитного поля. В нем используется эффект Фарадея, который заключа­ется в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряжен­ности которого совпадает с направ­лением света, плоскость поляриза­ции света, проходящего через ве­щество, поворачивается. Угол этого поворота, преобразуемый оптичес­ким анализатором в интенсивность излучения, пропорционален изме­ряемой напряженности магнитного поля. Датчиком магнитного поля можно измерять также силу электри­ческого тока. Для прецизионных измерений используются волокон­но-оптические интерферометры (см. рис. 4.22). Чаще других применяется интерферометр Маха-Цендера. В нем лазерное излучение делится на две части, одна из которых направ­

ляется в световод, расположенный в зоне действия измеряемой вели­чины, а другая пропускается через опорный световод, изолированный от влияния внешней среды. Резуль­тирующий интерференционный сиг­нал зависит от разности оптических путей излучения в упомянутых све­товодах. Этот сигнал воспринимает­ся фотоприемником, значение фото­тока которого зависит от измеряе­мого воздействия на соответствую­щий световод. Измеряемыми вели­чинами могут быть температура и давление. Измерения можно осу­ществлять и в цифровой форме -подсчетом числа интерференцион­ных полос, что существенно повы­шает точность.

4.22. В каких случаях для отображения промежу­точных величин применя­ют оптические сигналы?

Методы измерений с применени­ем оптического излучения основаны на взаимодействии оптического из­лучения с измеряемым объектом (источником излучения может быть и сам объект). При этом параметры оптического излучения могут харак­теризовать, например, химический состав веществ (эмиссионный спект­ральный анализ) либо температуру излучающего объекта (пирометрия). Если энергия исходит только от объекта, то такие методы измерений называют пассивными. В активных методах измерений на объект воз­действуют внешним источником оп­тического излучения, а информация об искомых свойствах и характерис­тиках объекта получается как ре­зультат взаимодействия объекта с излучением. При этом измеряемые величины активно управляют пото­ком излучения.

В зависимости от задач иссле­дований и измерений используются

различные формы оптического из­лучения. Так, излучение в виде раст­ра позволяет получать оптические отображения объектов. Соответст­вующие методы и средства, объеди­няемые понятием геометрической оптики, широко используют и в измерительной технике, например в измерительной микроскопии. Ре­зультаты взаимодействия излучения с объектом измерений, получаемые в виде соответствующих информа­тивных параметров этого излучения, используют в ряде методов для промежуточного представления из­меряемых величин. Квантовая при­рода света позволяет осуществлять преобразование и измерение вели­чин на основе энергетических взаимо­действий частиц. Для представления промежуточных величин использу­ют вторичное излучение, вызывае­мое взаимодействием объекта изме­рений с первичным (внешним) оп­тическим излучением, в том числе в виде, например, флюоресценции либо корпускулярного излучения в фотокатоде (см. табл. 4.18).

Помимо квантовой, свет харак­теризуется и волновой природой. Волновые свойства света также ис­пользуют для преобразования и из­мерения величин, так как для волны характерны такие свойства и пара­метры, как скорость распростране­ния, частота колебаний, энергия, плоскость колебаний и амплитуда. Так, например, эффект изменения скорости распространения света на границе двух сред с различной опти­ческой плотностью (преломление света) используют в рефрактомет­рии (измерение показателя прелом­ления вещества). Способность опти­чески активных веществ к вращению плоскости колебаний нашла приме­нение в поляриметрии (измерение степени поляризации света и опти­ческой активности среды).

Волновая природа света прояв­ляется и в таких его свойствах, как

интерференция и дифракция, кото­рые широко используются для из­мерений (интерферометры, дифрак­ционная решетка, нефелометр¹*). На изменении интенсивности излучения при прохождении его через измеряе­мую среду основана фотометрия.

Области и методы измерений, основанные на использовании опти­ческого излучения, его свойств и характеристик для промежуточногс представления неоптических изме­ряемых величин, указаны в класси­фикационной схеме рис. 4.67. В скоб­ках обозначены области измерении собственно оптических величин Многие из этих методов относятся к анализу веществ; им посвящен разд. 4.2.4.

Рассмотрим примеры реализа­ции некоторых методов.

1. Измерение диаметра большил емкостей теодолитом. Принцип из­мерений схематично показан на рис 4.68. В точках А и В измеряют углы 2а и 2р соответственно, причем излучаемый вдоль оптической оси теодолита луч света выполняет ролі длинного «ощупывающего контакт­ного рычага» измерительного инст­румента. Диаметр вычисляют пс формуле

при известном значении базы /. Разумеется, все линии и углы долж­ны располагаться в одной плоско­сти.

2. Измерение температуры оп­тическими пирометрами. Пиромет­ры-это средства измерений высо­ких температур по тепловому излу­чению объекта. Оптические пиро­метры, в зависимости от энергии

¹⁾ Прибор для химического количествен­ного анализа, в котором концентрация или размер частиц определяется по интенсивно­сти света, рассеянного этими частицами.-Прим. перев.

Рис. 4.67. Классификационная схема опти­ческих методов измерений.

и спектра воспринимаемого излуче­ния, делятся на радиационные (вос­принимают полную энергию излу­чения во всем частотном спектре), яркостные (воспринимают энергию в какой-либо узкой части спектра) и цветовые (измеряют отношение интенсивностей излучения на двух длинах волн)¹'.

Схема автоматического цветово­го пирометра представлена на рис. 4.69, а, а на рис 4.69, б приведена его блок-схема сигналов. Излучение объекта 7 фокусируется линзой 2 и передается на модулятор-колеб­лющееся зеркало 3 с электромаг-

¹⁾ Теоретический анализ работы пиро­метров кратко изложен при обсуждении вопр. 4.33 и проиллюстрирован кривыми спект­рального распределения электромагнитного излучения на рис. 4.101.- Прим. перев.

нитным вибратором 4. Отраженное от зеркала излучение передается поочередно через красный (7) и зеленый (6) светофильтры на фото­приемник 10. В начале шкалы ин­тенсивности красного и зеленого участков спектра одинаковы, и поэтому фотоприемник при скани­ровании излучением фильтров вы­дает равные напряжения. С ростом температуры объекта интенсивность зеленого излучения возрастает, что вызывает соответствующее увеличе­ние выходного тока усилителя 9.

Рис. 4.69. Автоматический цветовой пиро­метр.

а-схема; б-блок-схема сигналов, /-объект изме­рений; 2-фокусирующая линза; 3- колеблющееся зеркало; 4- электромагнитный вибратор; 5-ампер­метр; б-зеленый светофильтр; 7 красный свето­фильтр; 8 -оптический клин; 9- усилитель; /О- фо­топриемник.

Увеличение тока, в свою очередь, вызывает увеличение амплитуды колебаний зеркала относительно зе­леного светофильтра. При этом воз­растает поглощение зеленого излу­чения оптическим клином 8 до вы­равнивания интенсивностей излуче­ний обоих цветов на входе фото­приемника. Отклонение выходного тока усилителя является мерой ис­комой температуры объекта. Пиро­

метры такого типа позволяют из­мерять температуры, превышающие 700 °С.

3. Измерение температурных по­лей тепловизорами. Тепловизоры представляют собой разновидность пирометров и предназначены для измерения температур, соответст­вующих инфракрасной части спект­ра оптического излучения в диапа­зоне примерно от —50 до 3000 °С. Конструктивно они состоят из оп­тической термочувствительной ка­меры и устройств преобразования и обработки информации. Камера представляет собой многоэлемент­ный приемник излучения-линейча­тый или матричный со сканирую­щим устройством. В качестве чувст-

вительных элементов приемника могут использоваться фотоэлемен­ты на основе полупроводниковых структур, указанные в табл. 4.17. Линзы приемных камер изготавли­ваются из полупроводников (герма­ний, кремний) и других материалов, способных пропускать инфракрас­ное излучение. Тепловизоры позво­ляют осуществлять контроль, изме­рения и визуализацию температур­ных полей, а в сочетании с ЭВМ-выполнять цифровую обработку ин­формации. Круг областей их при­менения очень широк (медицина, микроэлектронное производство, металлургия, космические исследо­вания и др.).

Еще один пример использования оптического излучения - измерение расстояния на основе рассмотренно­го выше эффекта интерференции (интерферометр Майкельсона, рис. 4.22).

В качестве внешних измеритель­ных источников оптического излу­чения в настоящее время чаще всего используют лазеры, которые позво­ляют не только повысить точность измерений существующих методов, но и разрабатывать новые.

4.23. Можно ли для из­мерений неэлектрических величин использовать иони­зирующие излучения?

В отличие от оптического, иони­зирующие излучения имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при их использовании в измерительной технике.

К ионизирующим относятся не только электромагнитные излучения (у- и рентгеновское излучение), но также и ядерные излучения (а-, (3-и нейтронное излучение). Ионизи­рующие излучения в сравнении с оптическим характеризуются более высокими энергиями и вследствие

этого большей проникающей спо­собностью. Процессы взаимодейст­вия ионизирующих излучений с ве­ществом (объектами измерений) от­личаются многообразием.

Методы и возможности приме­нения ионизирующих излучений для измерений неэлектрических величин иллюстрирует рис. 4.70. Методы измерений с использованием иони­зирующих излучений также подраз­деляют на пассивные и активные. Под пассивными понимают методы, основанные на излучении самого объекта измерений, определяемого его свойствами.

Излучение может представлять собой естественную радиоактив­ность, ответную реакцию (актива­цию) при облучении объекта, на­пример нейтронами, либо излучение искусственных радиоактивных изо­топов. Информацию об измеряемом объекте можно получить по виду излучения и его интенсивности (ра­диоактивный, в том числе радио-активационный методы анализа), по количеству содержащихся радиоак­тивных частиц (в частности, метод контроля износа), по расположению и скорости радиоактивных частиц в перемещающейся среде (например, методы измерения смещения объек­та).

Требования защиты от ионизи­рующего излучения вносят специ­фику в эту область измерительной техники. Радиоактивное вещество радиоизотопных измерительных ус­тановок заключается в герметичную дюралевую или латунную ампулу с «окном». В ряде случаев исполь­зуют рентгеновские трубки, излу­чающие только при включении на­пряжения. Это делает их более бе­зопасными по сравнению с радио-изотопными источниками, излучаю­щими непрерывно.

Существует ряд методов измере­ний и контроля многих неэлектри­ческих величин при помощи иони-

Рис. 4.70. Классификационная схема ионизи­рующих методов измерений.

зирующего излучения. Ранее (см. рис. 4.17) был рассмотрен пример использования ионизирующего из­лучения для измерения толщины движущегося ленточного материала. Вместо оптического излучения в описанном выше следящем уров­немере (см. рис. 4.10) может быть использовано у-излучение. Соответ­ственно фотоприемник в том случае должен быть заменен на детектор

излучения.

Рис. 4.71, а иллюстрирует прин­цип измерения толщины d слоя цин­ка на поверхности железа. Он осно­ван на возбуждении характерного по интенсивности вторичного рентге­новского излучения железа и цинка под воздействием у-излучения (ис­точник S). Интенсивность вторично­го излучения цинка оказывается выше, чем у железа. Оно воспри­

нимается детектором 7, перед ко­торым установлен пороговый фильтр 2, пропускающий рентгенов­ское излучение, превышающее по интенсивности уровень излучения железа. Зависимость интенсивности рентгеновского излучения цинка от его толщины d показана на рис. 4.71, б. На оси абсцисс точка rf,- тол­щина, при которой наступает насы­щение по интенсивности излучения для цинка, uf, =й 350 г/м².

4.24. Какие величины, по­мимо рассмотренных вы­ше, используются в ка­честве промежуточных?

Важную роль в таком представ­лении измеряемых величин игра­ют также частота изменения непре­рывного сигнала и частота следо­вания импульсов. При этом дости­гаются возможности увеличения разрешающей способности и отст-

ройки от помех (за исключением помех, совпадающих по частоте), а также удобство обработки и пре­образования частотных сигналов в непрерывный электрический или цифровой сигнал. Примером могут служить первичные измерительные преобразователи, выходной величи­ной которых является емкость или индуктивность. При включении та­кого преобразователя в схему гене­ратора сигналов изменение его час­тоты можно сделать пропорцио­нальным изменению емкости или индуктивности преобразователя. Частота может быть измерена циф­ровым методом. Другим примером являются частотные датчики, один из которых (для измерения усилий) схематично изображен на рис. 4.32. Для измерения толщины непрово­

дящего покрытия металлических поверхностей пригоден индуктив­ный датчик переменного тока. С этой целью катушку датчика раз­мещают на поверхности контроли­руемого объекта; электромагнитное поле катушки наводит в металле вихревые токи, поле которых, в свою очередь, уменьшает индуктив­ность катушки датчика (эффект за­мещения потока). Катушка включе­на в колебательный контур генера­тора. Изменение частоты колебаний генератора относительно начально­го значения оказывается пропорцио­нальным толщине непроводящего покрытия.

В последнее время нашли широ­кое распространение микроэлект­ронные (интегральные) преобразо­ватели напряжения и тока в частоту;

их используют не только в изме­рительных устройствах, но и для дистанционной передачи измеряе­мых величин. Следует подчеркнуть, что при преобразовании измеряе­мых величин в частоту существенно снижаются или устраняются по­грешности, характерные для ампли­тудной модуляции.