3.10. Методы электрических измерений неэлектрических величин

3.10.1. Введение.

В предыдущих разделах мы рассмотрели принципы, на которых основано большинство широко распространённых измерительных преобразователей (ИП) неэлектрических величин (НВ) в электрические (ЭВ), их конструкции, измерительные цепи, в которые включаются эти преобразователи. В ряде случаев один и тот же ИП может быть применён для измерения разных неэлектрических величин. Вместе с тем одна и та же НВ может быть измерена с использованием разных ИП.

Кроме того, не всегда та неэлектрическая величина, на которую непосредственно реагирует ИП, – её называют «естественной входной величиной», – например, деформация тензопреобразователя, является предметом измерения. Предметом измерения может быть другая НВ, например, давление жидкости. Поэтому датчики часто содержат не только ИП какой-либо естественной НВ в ЭВ, но и предварительный преобразователь измеряемой неэлектрической в эту естественную для данного ИП неэлектрическую величину. В приведённом примере это может быть мембрана, на которую наклеены тензорезисторы, т.е. преобразователь давления в деформацию.

Названное многообразие побуждает сделать краткий обзор методов измерения неэлектрических величин. Мы далее придерживаемся в нём классификации, принятой во многих отечественных и зарубежных книгах, например, в [1] ÷ [3].

3.10.2. Методы измерения линейных размеров.

Измеряемые линейные размеры находятся в очень широком диапазоне: от долей микрометра до многих километров. В [1] этот общий диапазон условно разделё на четыре:

• очень малые размеры – от долей до единиц микрометров;

• малые – до 100 мм;

• большие – до нескольких метров;

• очень большие – от нескольких метров и выше; это область радиолокационных измерений, которые у нас не рассматриваются.

Измерение очень малых размеров преимущественно связано с контролем шероховатости поверхности для оценки качества её обработки. Соответствующие приборы основаны на методе ощупывания испытуемой поверхности и называются профилометрами и профилографами. Первые позволяют оценить только визуально высоту шероховатости, а вторые дают возможность получить профилограмму поверхности. В этих приборах используются индуктивные, емкостные и пьезоэлектрические ИП.

Приборы для измерения малых размеров – это так называемые микрометры и толщиномеры. В них используются все рассмотренные ИП, кроме, разумеется, терморезисторов и термопар.

Измерение больших размеров – это в основном уровнемеры. В них используются реостатные, индуктивные и емкостные ИП. В них часто используется идея поплавка. Положение поплавка определяется измеряемым уровнем жидкости, например, бензина. Через тяги и рычаги перемещение поплавка передаётся на подвижную часть ИП, например, на подвижный контакт реостатного ИП. Таким образом, здесь есть предварительное преобразование сравнительно большого размера (положения поплавка) в сравнительно малое

(положение подвижной части ИП).

3.10.3. Методы измерения механических напряжений и усилий. Механическое напряжение

Механическое напряжение материала – важнейший показатель при испытаниях различных конструкций на прочность. Оно непосредственно связано с относительной деформацией:

σ =Еε_l,

где Е – модуль упругости (модуль Юнга).

Для стали, например, Е = 2,06·10¹¹ Па.

Деформация является естественной входной величиной тензорезисторных ИП. Именно они и применяются для измерения механических напряжений. Тензорезисторы наклеивают на детали испытуемого механизма, машины, конструкции.