Пьезоэлектрический эффект является знакопеременным; при изменении направления прилагаемого усилия знаки зарядов на поверхности граней меняются на противоположные.

Обычно пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку, изготовленную из пьезоэлектрического материала, на которой имеются два изолированных друг от друг электрода.

В зависимости от вещества, формы преобразователя и ориентации кристаллических осей входной величиной могут быть как силы, производящие деформацию сжатия-растяжения, так и силы, производящие деформацию сдвига.

Выходной величиной преобразователя является напряжение на электродах

где Q - пьезоэлектрический заряд; С - емкость, образованная электродами. Электродвижущая сила, возникающая на электродах пьезоэлектрического

преобразователя, довольно значительна - единицы вольт.

Пьезоэлектричекие измерительные преобразователи находят широкое применение для измерения параметров движения: линейного и вибрационного ускорения, удара, акустических сигналов.

пьезодатчики выполняются из нескольких, последовательно соединенных пьезоэлементов.

7.2. Параметрические измерительные преобразователи

Реостатные преобразователи. Реостатный преобразователь ~ это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое перемещение движка, выходной - изменение его сопротивления.

Реостатный преобразователь состоит из каркаса, на который намотан провод, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением (манганина, константана), и токосъемного движка, укрепленного на оси. Движок касается провода. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции. Сила прижатия движка к обмотке создается благодаря упругости движка и равна 10° - 10‘4Н. Если преобразователь служит для измерения переменных величин или работает при вибрации, то сила прижатия должна быть увеличена. Большая сила нежелательна, поскольку при ее

где Rp- полное сопротивление преобразователя.

Если преобразователь имеет пропорциональную функцию преобразования, то «скачки» сопротивления будут одинаковы по всему диапазону перемещения движка. В этом случае Rp=nAR и

уо = ± — ,

и2 п

где п - число витков в обмотке.

Термометры сопротивления. Термометры сопротивления, как и термопары, предназначены для измерения температуры газообразных, твердых и жидких тел, а также температуры поверхности. Термометрами сопротивления называются датчики температуры с терморезисторами [2, 5].

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Есть два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые (термисторы).

Принцип действия термометров основан на использовании свойства металлов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с температурой.

Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются

сопротивления материала проводника.

Функция преобразования платинового терморезистора нелинейна и обычно аппроксимируется квадратичным трехчленом.

Для полупроводниковых материалов зависимость сопротивления от температуры имеет вид

где Т - температура в кельвинах; А, В - постоянные. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Проволочный термометр сопротивления представляет собой тонкую проволоку из чистого металла, закрепленную на каркасе из температуростойкого материала (чувствительный элемент), помещенную в защитную арматуру. Выводы от чувствительного элемента подведены к головке термометра.

Для обеспечения взаимозаменяемости и единой градуировки термометров стандартизованы величины их сопротивления Во и температурные коэффициенты. Зависимость сопротивления термометров от температуры дается стандартными градуировочными таблицами, составленными для ряда значений R o d Ю, 50, 100, 500Ом).

Полупроводниковые термометры сопротивления представляют собой бусинки, диски или стержни из полупроводникового материала с выводами для подключения в измерительную цепь. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло. В качестве материалов для рабочего тела термисторов используют смеси оксидов никеля, марганца, меди, кобальта, которые смешивают со связующим веществом, придают ему требуемую форму и спекают при высокой температуре.

Термисторы обычно имеют сопротивление от единиц до сотен килоом. Их чувствительность в 6 - 10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Малая теплоемкость термисторов обусловливает их малую

инерционность. К числу их недостатков следует отнести нелинейность функции преобразования, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и температурного коэффициента, а также необратимое изменение сопротивления во времени.

Измерение электрического сопротивления термометров производится с помощью мостов постоянного и переменного тока или компенсаторов, позволяющих исключить погрешность, от температурного изменения сопротивления проводов. Особенностью термометрических измерений является ограничение измерительного тока с тем, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра.

Тензорезисторные преобразователи (тензодатчики). В конструкторской практике часто необходимы измерения механических напряжений и деформаций в элементах конструкций. Наиболее распространенными преобразователями этих величин в электрический сигнал являются тензорезисторы. Тензорезисторный преобразователь представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление при деформации сжатия-растяжения. При деформации проводника изменяются его длина / и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления р. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника R=pl/Q. В пределах упругих деформаций относительное изменение сопротивления проводника связано с его относительным удлинением соотношением

материала, из которого изготовлен тензорезистор, а также от способа крепления тензорезистора к изделию. Для металлических проволок КТ=1.. .3,5.

Различают проволочные и полупроводниковые тензорезисторы. Наиболее употребительным материалом для изготовления проволочных тензорезисторов

Промышленностью выпускается широкий ассортимент тензорезисторов с величиной базы от 5 до 30 мм, номинальными сопротивлениями от 50 до 2000 Ом, с коэффициентом тензочувствительности 2±0,2.

Дальнейшим развитием проволочных тензорезисторов являются фольговые и пленочные тензорезисторы, чувствительным элементом которых являются решетка из полосок фольги или тончайшая металлическая пленка, наносимые на подложки на лаковой основе. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5 - 1 0 мм, шириной 0,2 - 0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Основным отличием полупроводниковых тензорезисторов от проволочных является большое (до 50%) изменение сопротивления при деформации благодаря большой величине коэффициента тензочувствительности.

Изменение сопротивления проволочного тензодатчика, соответствующего его предельно допустимой деформации, оценивается величиной порядка 0,2%. Столь малое значение AR/R можно измерить достаточно точно только

В качестве R\ и Яг включаются одинаковые тензорезисторы. При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны. Кроме того, обычно выбирают Ry=Rt. В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует, выходное напряжение моста Ux =0. Деформация вызывает изменение сопротивления тензодатчиков R] и R2 и появление в измерительной диагонали тока или напряжения. Выходное напряжение тензорезисторного моста обычно не превышает 1 0 - 2 0 мВ, поэтому в тензорезисторных приборах обычно используются усилители.

Индуктивные преобразователи. Индуктивные преобразователи применяются для измерения перемещений, размеров, отклонений формы и расположения поверхностей. Преобразователь состоит из неподвижной катушки индуктивности с магнитопроводом и якоря, также являющегося частью магнитопровода, перемещающегося относительно катушки индуктивности.

р, Ро ~ магнитные проницаемости материала магнитопровода и воздушного зазора.

Когда магнитное сопротивление зазора значительно больше магнитного сопротивления магнитопровода, т.е. Rs » RM>или 8 » 1м/2ц выражение (46) принимает вид

(47)

26

Индуктивные преобразователи с переменным зазором имеют высокую чувствительность и реагируют на изменение зазора порядка 0,1...0,5 мкм. Ток в обмотке катушки определяется выражением

где U - напряжение питания; R - активное сопротивление обмотки; со - частота питающего напряжения.

Из (47) и (48) следует, что зависимость I=f(b) нелинейна. Спрямление нелинейности достигается применением дифференциальных преобразователей с двумя раздельными магнитными цепями и общим якорем.

Индуктивные преобразователи широко применяют в современных средствах линейных и угловых измерений: профилографах, контрольных автоматах и в электронных аналоговых и цифровых приборах для активного контроля линейных размеров. Приведенная погрешность индуктивных преобразователей не превосходит 1 .. .2 %.

8.ПРИНЦИПЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

8.1.Основы метрологического обеспечения

Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Объектом МО являются все стадии жизненного цикла изделия (продукции) или услуги. Под жизненным циклом понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления.

При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов [1]:

•установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управлении процессами;

•технико-экономическое обоснование и выбор средств измерений, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;

•разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения измерений, испытаний и контроля;

•поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно­ измерительного и испытательного оборудования, применяемого на предприятии;

•внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта и т. д.

Метрологическое обеспечение имеет основы: научные, организационные, нормативные и технические (рис. 37).

Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы. Метрологическая служба - служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора.

Вся метрологическая деятельность в Российской Федерации основывается на конституционной норме (ст. 71), в развитие которой приняты законы «Об обеспечении единства измерений» и «О стандартизации», детализирующие основы метрологической деятельности.

Основными целями Закона «Об обеспечении единства измерений», принятого в 1993 г., являются:

•установление правовых основ обеспечения единства измерений в РФ;

•регулирование отношений государственных органов управления с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений;

Рис. 37. Основы метрологического обеспечения

•защита прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;

•содействие прогрессу на основе создания и применения государственных эталонов единиц ФВ;

•гармонизация российской системы измерений с мировой практикой. Закон закрепляет ряд основных понятий метрологии. Одним из главных

является единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

8.2. Метрологические службы и организации

Государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Гэсстандарт России). Он является федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим межотраслевую координацию, а также функциональное регулирование в области стандартизации, метрологии и сертификации.

Госстандарт осуществляет деятельность непосредственно и через находящиеся в его ведении территориальные центры стандартизации, метрологии и сертификации, а также через государственных инспекторов по надзору за государственными стандартами и обеспечению единства измерений.

В ведении Госстандарта России находятся:

• Государственная метрологическая служба (ГМС). Несет ответственность за метрологическое обеспечение измерений в стране на

межотраслевом уровне и осуществляет государственный метрологический контроль и надзор. В состав ГМС входят: государственные научные метрологические центры, метрологические научно-исследовательские институты, а также органы ГМС на территории республик в составе РФ, автономной области, автономных округов, краев, областей, городов Москвы и Санкт-Петербурга.

•Государственная служба времени и частоты и определения параметров вращения Земли;

•Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов;

•Государственная служба стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и минералов.

Метрологическая служба создается для научно-технического и организационно-методического руководства работами по МО в соответствии с Положением о метрологической службе, которое разрабатывается по правилам, изложенным в ПР 50-732-93. Этот документ определяет структуру метрологической службы и ее звеньев, их задачи, обязанности и права.

Метрологическая служба государственного органа управления может включать в себя:

•структурные подразделения главного метролога в центральном аппарате государственного органа;

•головные и базовые организации метрологической службы в отраслях и подотраслях, назначаемые органом управления;

•метрологические службы предприятий, объединений, организаций и учреждений.

Международные метрологические организации: Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), Международное бюро мер и весов (МБМВ), Международная организация по стандартизации (ИСО), Международная электротехническая комиссия (МЭК) и др.

9.ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА СТАНДАРТИЗАЦИИ

9.1.Основы государственной системы стандартизации

Стандартизация по определению ИСО/МЭК - это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации (использования) и требований безопасности. Таким образом, стандартизация должна обеспечить наиболее полное удовлетворение интересов производителя и потребителя, повышение производительности труда, экономное расходование материалов, энергии, рабочего времени и гарантировать безопасность при производстве и эксплуатации [1].