книги из ГПНТБ / Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами

использован в качестве динамометра. Подключая дополнитель­ ную оттягивающую пружину, можно расширить диапазон изме­ рений в сторону больших усилий. При помощи рассмотренного

Растягивающая

■7777

Фиг. 9.18. Измерение малых усилий с помощью ИП перемещения WWH141.

Акселерометры на полупроводниковых тензорезисторах моде­ лей BWH101 — BWH401 пригодны для измерения статических

идинамических ускорений. Их особым преимуществом является возможность работы в частотном диапазоне от 0 Гц, в котором пьезоэлектрические акселерометры неработоспособны. Измерение статического ускорения (0 Гц) допускает исключительно простую

иочень точную градуировку путем сравнения с ускорением силы

тяжести (см. разд. 3.6.2.3).

Область применения определяется основными параметрами, описанными в разд. 7.1.

Относительная чувствительность ИП В'а (фиг. 9.19) зависит от рабочего частотного диапазона. Выбор типа ИП нужно про­ изводить с таким расчетом, чтобы не слишком превысить запас, определяемый частотным диапазоном.

Выбирая тип ИП по частотному диапазону, лишь в редких случаях удается использовать весь диапазон ускорений. В боль­ шинстве случаев измеряемые ускорения оказываются значи­ тельно меньше допустимых максимальных ускорений, так что безусилительные блоки питания HLS можно использовать только совместно с усилителями постоянного напряжения HLG.

BWH W1

0,02

0,01

PWH‘101

0,001 Н!-

f - П ц

Фиг. 9.19. Зависимость между чувствительностью и рабочим частотным диапазоном для акселерометров на полупроводниковых тензорезисторах серии BWH.

Хорошо себя зарекомендовал вторичный электронный прибор HLA111, который, кроме HLS, включает еще усилитель постоян­ ного напряжения, усилитель переменного напряжения и реги­ стрирующий прибор и при выходном напряжении моста Um*= 1 мВ обеспечивает полное отклонение стрелки вмонтиро­ ванного регистрирующего прибора. Для регистрации динамиче­ ской составляющей необходимо подключить соответствующий ламповый вольтметр (например, QRV2).

Относительно высокое усиление малых выходных напряже­ ний возможно также при работе акселерометра на несущей ча­ стоте (напритиер, UM111; Um^. 0,3 мВ на полное отклонение).

9.6.2.Построение измерительного стенда

9.6.2.1.Выбор аппаратуры

Выбор измерительных устройств, компонуемых в общий изме­ рительный стенд, зависит от характера решаемых задач. Сни­ маемое с ИП и, как правило, усиливаемое измеряемое напряже­ ние пропорционально ускорению.

Соответствующие регистрирующие приборы (например, ос­ циллограф или самописец) фиксируют непосредственно и с уче­ том знака мгновенные значения ускорения. Для прямой индикации квазистатических процессов пригодны также преобра­ зователи постоянного напряжения (например, HLA).

Регистрация эффективных и пиковых значений в случае динамических ускорений (виброускорений) требует соответству­ ющих выпрямительных схем, как, например, в ламповом вольт­ метре QRV2 и в универсальном измерительном устройстве

UM111 завода «Meflelektronik» в Дрездене.

9.6.2J2. Крепление ИП на объекте измерения

Хорошее, тщательное крепление ИП на объекте является не­ обходимым условием для исключения грубых погрешностей измерения. Лучшее крепление достигается резьбовой затяжкой при наличии промежуточной жировой пленки. Возможна также приклейка воском. При больших ускорениях бывает целесо­ образно закрепить кабель ИП на расстоянии примерно 5 см от него с тем, чтобы не возникало напряжения растяжения.

9.6.2.3. Градуировка

Наиболее целесообразно градуировать измерительное устрой­ ство путем воздействия на ИП точно известной величиной уско­ рения. В случае статических ускорений такой величиной может служить ускорение силы тяжести.

ИП устанавливается на горизонтальной плоскости, так что вектор ускорения силы тяжести совпадает с геометрическим направлением оси чувствительности ИП (направление выгра­ вированной на ИП стрелки). После установления на нуль в этом положении ИП поворачивается на 180°. При этом ускорение, воздействующее на ИП, изменяется на 2g. Подбором напряже­ ния питания ИП или усиления (в соответствии с разд. 9.3.2) устанавливается показание 19,62 деления шкалы (напряжение, соответствующее 2g на шкале 100 мВ).

9.6.3.Примеры

9.6.3.1.Универсальная лабораторная измерительная система для измерения статических и динамических ускорений

Измерительная система BWH — HLA111— ламповый вольт­ метр пригодна для измерения статических и динамических ускорений (фиг. 9.20). По методу, рассмотренному в разд. 9.6.2.3, промежуточный преобразователь HLA можно градуировать не­ посредственно в м-с-2.

скости, и выставляется нуль. После опрокидывания на 90° под­ бирается такое усиление HLA, чтобы этому положению соответ­ ствовало полное отклонение стрелки показывающего прибора (100 делений шкалы). Тогда прибор при наклонном положении ИП покажет синус угла наклона.

9.7. Измерительные системы с ИП давления на полупроводниковых тензорезисторах

9.7.1. Области применения

Измерение давления жидкостей и газов приобретает большое значение при контроле и регулировании промышленных устано­ вок, а также в медицине и научно-исследовательских работах, причем представляют интерес значения как статических, так и динамических давлений или их изменение во времени.

Преимуществом электрических методов измерения давления является то, что аналогом давления является электрическое напряжение, которое можно преобразовывать самым различным образом. Это позволяет измерять разность давлений в двух раз­ несенных друг от друга точках или регистрировать изменение давления взрыва во времени. Единственным ограничением в при­ менении ИП можно считать их рабочий температурный диапазон.

ИП давления на полупроводниковых тензорезисторах серии DWH 5...200 являются ИП относительного давления. Они изме­ ряют избыточное давление относительно внешнего атмосферного давления. Сводку наиболее важных технических параметров серии DWH 5...200 можно найти в табл. 7.6.

Выбор должен предусматривать возможность работы в диа­ пазоне (0,1 ... 1) X Номинальное давление. При динамических измерениях, когда зависящий от температуры дрейф нуля не является помехой, можно достаточно надежно измерять малые относительно номинальной величины давления. Следует также обратить внимание на рабочий частотный диапазон ИП. Выбор блока питания и вторичного электронного прибора зависит от задач измерения.

Измерительная система DWH — HLS в комплекте со стрелоч­

компенсатор, можно существенно поднять точность измерений. Для лабораторных измерений динамических давлений подхо­ дит вторичный электронный прибор HLA111 в комплекте с соот­ ветствующим регистратором (осциллограф, низкочастотный лам­

повый вольтметр).

сов, рассмотрена в разд. 9.6.3.1 и пригодна в одинаковой мере для всех ИП на полупроводниковых тензорезисторах.

Вторичный электронный прибор HLA111 располагает выхо­ дом, на который можно непосредственно подключать измеритель­ ный шлейф (б мА), так что имеется возможность регистрировать измеряемые процессы во времени. Для измерения импульсных процессов (например, взрыва) к вторичному электронному при­ бору HLA111 можно подключить осциллограф с послесвечением.

9.8. Техника измерений в производственных условиях

Описанные производственные измерительные установки ха­ рактеризуются тем, что монтируются стационарно и в самом общем случае служат для измерения или управления техноло­ гическим процессом производства.

К этим установкам предъявляются дополнительные требова­ ния в отношении надежности эксплуатации, нечувствительности к воздействию пыли и влаги, прочности и простоты ухода за ними.

В системах с полупроводниковыми тензорезисторами эти требования учтены и функциональные блоки поставляются в специальных корпусах. Для утопленного монтажа на щитах пригодны герметичные корпуса с высокой степенью защиты, в которых могут размещаться функциональные блоки с вдвижным исполнением. При особо тяжелых условиях эксплуатации важ­ нейшие функциональные блоки размещают в литых корпусах со степенью защиты IP54, так что их можно монтировать непосред­ ственно рядом с ИП.

9.9.Сравнение систем

сполупроводниковыми тензорезисторами

сизмерительными установками, работающими на несущей частоте

Благодаря тому, что измерительные мосты с полупроводни­ ковыми тензорезисторами питаются постоянным напряжением, их уравновешивание осуществляется весьма просто, так как здесь нет необходимости в уравновешивании по фазе. Примене­ ние специальных потенциометров с очень высокой разрешающей способностью в еще большей степени облегчает уравновешива­ ние измерительных приборов, работающих в комплекте с полу­ проводниковыми тензорезисторами.

Кроме того, при питании постоянным напряжением допустима прокладка длинных и подвижных измерительных линий. Во мно­ гих случаях нет необходимости в экранировании измерительных

282 9. Измерительные системы

линий. Электронные блоки, используемые в большинстве измери­ тельных приборов, работающих в комплекте с полупроводнико­ выми тензорезисторами, проще, чем у более сложных измери­ тельных установок, работающих на несущей частоте. Связанная с этим обстоятельством повышенная надежность делает возмож­ ным применение измерительных приборов в комплекте с полу­ проводниковыми тензорезисторами не только для лабораторных измерений, но и для использования в производственных ус­ ловиях.

Основная погрешность обычных измерительных установок, работающих на несущей частоте, составляет, как известно, 1 — 3%, тогда как у приборов в комплекте с полупроводнико­ выми тензорезисторами она не превышает нескольких десятых процента. Это достигается применением для питания моста вы­ сокостабильного напряжения. У приборов в комплекте с полу­ проводниковыми тензорезисторами, снабженных усилителями, основная погрешность получается не намного больше. Макси­ мальная чувствительность измерительной установки, состоящей из одинарного моста с двумя активными, находящимися в оди­ наковых тепловых условиях полупроводниковыми тензорезисто­ рами типа WDH (К = 120) и измерительного прибора типа WDH111, соответствует продольной деформации е = 5• 10—6 для полного отклонения.

Аналогичное устройство с двумя активными проволочными тензорезисторами и универсальным измерительным устройством типа UM111 имеет на самом чувствительном диапазоне измере­ ний чувствительность всего только е = 4-10~5 для полного от­ клонения, несмотря на то, что прибор типа UM111 на 10 дБ чув­ ствительнее прибора типа HLA111. При измерении динамиче­ ских величин высокой частоты большое значение имеет то, что рабочий диапазон частот у приборов в комплекте с полупровод­ никовыми тензорезисторами без усилителя составляет 0—50 кГц, а у типа HLA111 от 0 до 4 или 10 кГц, тогда как, например, измерительное устройство типа UM111 может применяться только до 1200 Гц.

Несмотря на то, что системы с полупроводниковыми тензо­ резисторами имеют существенные преимущества перед устрой­ ствами, работающими на несущей частоте, последние нисколько не теряют права на существование. Они сохраняют свое зна­ чение как универсальные измерительные лабораторные приборы, которые пригодны для работы в комплекте с тензорезисторами, а также с индуктивными ИП. Последние не могут работать в комплекте с приборами, предназначенными для полупроводни­ ковых тензорезисторов.

Измерительные усилители, работающие на несущей частоте, сохраняют доминирующее положение также и тогда, когда из

соображений стоимости применяют проволочные тензорезисторы, для которых чувствительность измерительных приборов, предна­

значенных для полупроводниковых тензорезисторов, не вполне достаточна.

Следует также отметить, что универсальное измерительное устройство типа UM111 в противоположность приборам для по­ лупроводниковых тензорезисторов содержит в измерительной цепи выпрямитель, благодаря которому имеется возможность измерять встроенным в него прибором как эффективные значе­ ния, так и отдельно положительные и отрицательные пиковые значения динамической составляющей измеряемой величины.

Взаключение следует подчеркнуть, что приборы в комплекте

сполупроводниковыми тензорезисторами предоставляют в рас­ поряжение потребителя стройную систему с широким диапазо­ ном применения. Эта система отличается хорошими возмож­ ностями комбинирования полупроводниковых ИП как со

специально предназначенными для них измерительными прибо­ рами, так и с другими приборами. Наличие большого числа конструктивных модификаций и вдвижных блоков у системы с полупроводниковыми тензорезисторами дает возможность ком­ поновать в короткий срок небольшие по габаритам измеритель­ ные установки для решения широкого круга измерительных задач.