книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

боты преобразователя и на основе их выбрать такой преобразователь, который бы наиболее эффективно удовлетворял поставленным условиям. Для этого надо знать свойства входного сигнала, основные характери­ стики преобразователя и условия его работы. Различают характеристики статического и динамического режимов работы преобразователя.

На рис. 2-1,6 изображен график градуировочной ха­ рактеристики преобразователя.

Обычно градуировочная характеристика преобразо­ вателя приводится не в абсолютных значениях выходной величины Uд, а в относительных

(2- 2)

где Uд.макс — максимальное значение выходной вели­ чины.

В большинстве случаев стремятся сделать эту зави­ симость линейной. Вместе с тем широко используются преобразователи и с нелинейными градуировочными характеристиками. Линейность выражается в долях (про­ центах) от максимального значения выходного сигнала.

б) Коэффициент преобразования — отношение изме­ нения сигнала на выходе преобразователя, отображаю­ щего измеряемую величину, к вызывающему его изме­ нению сигнала на входе

(2-3)

где Аи и AI — приращение выходной и входной величин соответственно (см. рис. 2-1,6).

Часто коэффициент преобразования называют чув­ ствительностью преобразователя. У преобразователей с нелинейной градуировочной'характеристикой коэффи­ циент преобразования зависит от значения входной величины.

30

в) Порог чувствительности или разрешающая спо­ собность преобразователя. Под этой величиной понима­ ется то наименьшее изменение входной величины, кото­ рое вызывает изменение выходного сигнала, превышаю­ щее уровень собственных шумов преобразователя.

В паспортах на преобразователи, кроме рассмотрен­ ных, могут приводиться и другие характеристики стати­ ческого режима.

При измерении быстроизменяющихся величин важ­

Рис. 2-2. К пояснению инерционных свойств преобразователей.

а — ступенчатая функция входного возмущения; б — переходная характери­ стика; в — частотные характеристики.

устанавливающего зависимость изменений во времени входной и выходной величин преобразователя. Решить дифференциальное уравнение можно, если известна входная величина преобразователя Ці) как функция времени.

Для исследования и сравнения динамических свойств преобразователей применяется несколько типовых стан­ дартных входных сигналов, называемых типовыми воз­ мущениями или возмущающими функциями. Выходные сигналы преобразователей при воздействии на них ти­ повых возмущений называют реакцией. Наиболее упо­ требительными возмущениями являются единичная функция (ступенчатый сигнал) и синусоидальная (гар­ моническая) функция времени.

Ступенчатая функция (рис. 2-2,а) в момент ^=0 скачком достигает значения.h и далее остается постоян­ ной. В результате такого входного воздействия преобра­ зователь перейдет к новому равновесному состоянию и

31.

этот процесс будет переходным. Математически он опи­ сывается переходной функцией (функцией времени), которая является решением дифференциального урав­ нения при воздействии на вход преобразователя ступен­ чатой функции. Таким образом, переходная функция, которую часто называют переходной характеристикой — это реакция преобразователя на ступенчатое изменение входной величины. Если на вход преобразователя с ли­ нейной зависимостью выходной величины от входной поступит синусоидальный сигнал определенной частоты, то выходной сигнал будет также синусоидальным, иметь ту же частоту, но другие амплитуду и фазу. Свойства преобразователя в этом случае отображаются ампли­ тудно-частотной и фазо-частотной характеристиками.

Амплитудно-частотная характеристика А (со) выра­ жает зависимость отношения выходной и входной ампли­ туд синусоидальных величин от частоты со.

Фазо-частотная характеристика ср(со) выражает за­ висимость фазового сдвига выходной синусоидальной

и частотные характеристики наиболее распространенной группы преобразователей с идентичными динамическими свойствами, которые называют инерционными преобра­ зователями. Переходная характеристика инерционного преобразователя является экспонентой с постоянной времени тд.

Длительность переходного процесса тем меньше, чем

без запаздывания по отношению к изменениям входной величины. Время, в течение которого выходная величина достигнет значения 0,95/(7, называется временем уста­ новления /у (/у=»3тд). Таким образом, постоянная вре­ мени инерционного преобразователя характеризует его динамические свойства.

Величина постоянной времени тд преобразователя обычно определяется как время, за которое происходит изменение выходного сигнала преобразователя от на­ чального значения Нд.вых.пач до 0,63//д.вых.макс при скачке входной величины.

Частотные характеристики инерционного преобразо­ вателя имеют следующие особенности. Максимальное

32

значение К (со) при со = 0 убывает, стремясь к пулю с увеличением со. Чем больше Тд, тем интенсивнее убы­ вает К (со) с ростом частоты. При со = 0 фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами равен нулю. С увеличением частоты входного сигнала сдвиг по фазе выходных колебаний растет тем интенсивнее, чем боль­

На точность измерения неэлектрической величины значительное влияние оказывают погрешности преобра­ зования. Преобразователи создают основную погреш­ ность при измерении неэлектрических величин методами электрических измерений. Абсолютной погрешностью преобразователя называется разность между реальным значением его выходной электрической величины и ее возможным значением при идеальном преобразовании (без погрешности). Абсолютная погрешность, отнесен­ ная к измеренному значению выходной величины, назы­ вается относительной погрешностью.

Если в основу классификации погрешностей поло­ жить характер изменения их во времени, то все по­ грешности можно разделить на статические и динамиче­ ские (Л. 18]. При этом первые являются постоянными величинами, а вторые — функциями времени. К стати­ ческим погрешностям молено отнести .методические, определяемые несовершенством метода измерения, и ин­ струментальные погрешности, возникающие вследствие несовершенства конструкции преобразователя и его материала.

Важнейшим средством повышения точности преобра­ зования является уменьшение влияния дестабилизирую­ щих факторов на характеристики преобразователя и вы­ бор наиболее подходящей схемы его включения.

Динамические погрешности .преобразователей возни­ кают из-за того, что преобразователи не могут мгновенно реагировать на быстрые изменения входных'величин.

Инерционные свойства преобразователей оценивают­ ся по их динамическим характеристикам.

Существенную динамическую погрешность при пре­ образовании могут вносить преобразователи, относя­ щиеся к классу колебательных динамических звеньев. При наличии в конструкции преобразователя сочетания массивных и упругих элементов его частотная характе­ ристика имеет явно выраженный максимум, определяю­

щий собственную резонансную частоту преобразователя. Эта частота тем больше, чем меньше масса и больше упругость взаимодействующих элементов, и наоборот. В случае преобразования таким преобразователем из­ меняющейся во времени величины появится значитель­ ная динамическая погрешность, если частотная харак­ теристика преобразователя выбрана без учета частоты измеряемого процесса. В этом случае преобразователь должен быть выполнен так, чтобы его собственная ре­ зонансная частота была значительно больше частоты

изменения преобразуемой величины, допустимая погреш­ ность преобразования, а также допустимые масса и габариты преобразователя, известны источники пита­ ния.

Используется большое число преобразователей, раз­ личных по своей конструкции и назначению. Они могут быть классифицированы по различным признакам, важ­ ным в том или другом отношении. В последнее время широко используется классификация преобразователей по принципу их действия. В соответствии с такой клас­ сификацией ниже приводится краткое описание прин­ ципа действия наиболее широко распространенных типов преобразователей неэлектрических величин в электриче­ ские и отмечаются их основные особенности.

Все измерительные преобразователи можно разде­ лить на два основных класса: параметрические и гене­ раторные. Некоторые из преобразователей, например фотоэлектрические, ионизационные и др., в зависимости от их конструкции могут быть параметрическими и ге­ нераторными.

В параметрических преобразователях входная пре­ образуемая величина вызывает изменение параметров самого преобразователя и вследствие этого создает из­ менение его выходной величины, в качестве которой может быть один из параметров электрических цепей, например омическое, индуктивное или емкостное сопро­ тивление. При включении параметрического преобразо­ вателя в электрическую цепь с источником питания его выходной величиной будет электрический сигнал, один из параметров которого ток и напряжение, амплитуда,

34

Зависимость выходного напряжения UBbIX от вели­ чины перемещения контакта (углового или линейного) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра между неподвижным и подвижным кон­ тактами.

У потенциометров с линейно изменяющимся сопро­ тивлением выбор первого или второго неподвижного контакта в качестве одного из выходных зажимов (вто­ рым является подвижный) не влияет на закономерность выходного напряжения. У потенциометров же с нели­ нейной закономерностью изменения сопротивления при

использовании противоположного неподвижного контак­ та меняется закономерность изменения выходного напряжения. В обычно используемых преобразователях с линейно изменяющимся сопротивлением выходное на­ пряжение пропорционально величине смещения сколь­ зящего контакта (если внутреннее сопротивление источ­ ника пренебрежимо мало и Лн=°°)

Линейная зависимость выходного напряжения от пе­ ремещения подвижного контакта такого потенциометри­ ческого преобразователя сохранится в том случае, если выход преобразователя не нагружается. У нагруженного потенциометрического преобразователя линейность ука­ занной зависимости нарушается. Величина выходного напряжения нагруженного преобразователя при этом

36

Указанная зависимость представлена в виде графи­ ков на рис. 2-4, а для различных величин нагрузок пре­ образователя, выраженных отношением Rt/Rz-

Для измерения величины и фиксации направления перемещения применяются так называемые двухтактные потенциометрические преобразователи (см. рис. 2-3,6). Выходной сигнал снимается со средней точки потенцио-

Рис. 2-4. Градуировочные характеристики нагруженных потенцио­ метрических преобразователен.

а — обычного (рднотактного) преобразователя; б — двухтактного преобразова­ теля.

метра и подвижного контакта. Градуировочные харак­ теристики нагруженного преобразователя такого типа приведены на рис72-4,б.

Чувствительность потенциометрических преобразова­ телей сравнительно невелика и составляет 3—5 В/мм (В/град). Она может изменяться за счет изменения величины Uо. Максимально возможное значение чувст­ вительности при этом определяется электрической проч­ ностью конструкции преобразователя и допустимой мощ­ ностью рассеяния.

Достоинствами реостатных преобразователей явля­ ются их высокая стабильность и точность преобразова­ ния, а также простота конструкции, малая масса и га­

37

бариты, возможность питания постоянным и перемен­ ным током, простота регулировки. Наличие подвижного

перемещениях является безынерционным. Однако свой­ ство безынерционности имеет место не при любых ча­ стотах. В области частот, где проявляются паразитные емкости и резонансные явления подвижного контакта, потенциометрический преобразователь уже нельзя счи­ тать безынерционным.

К важнейшим параметрам реостатных преобразова­ телей относится также контактное давление.’ Если не учитываются инерционные силы, контактное давление должно быть пропорционально максимальной силе тока через подвижный контакт. Входное усилие реостатного преобразователя равно силе трения между подвижным контактом и сопротивлением преобразователя, а сила трения в свою очередь пропорциональна контактному давлению.

Точность преобразования реостатным преобразова­ телем входной величины определяется стабильностью питающего напряжения, величиной температурного ко­ эффициента сопротивления, точностью изготовления кар­ каса, равномерностью намотки, сечением провода и тех­ нологией изготовления.

Тензорезисторы (тензометрические преобразователи). Действие тензорезисторов основано на свойстве метал­ лической проволоки изменять сопротивление при дефор­ мации под действием внешней силы. Электрическое со­ противление проволоки R определяется из известного выражения

деформации ее сопротивление изменяется из-за увели­ чения длины, уменьшения площади сечения и изменения удельного сопротивления. Конструктивно тензорезисто­ ры часто представляют собой проволочную спираль (рис. 2-5,а), наклеенную специальным клеем на тонкую бумагу, которая затем наклеивается на деталь, подвер-

38

гаемую испытанию. Вместе с деталью деформируются основа (бумага) и наклеенная на ней проволочная спи­ раль. Материал основы и ее толщина оказывают влия­ ние на передачу деформирующего усилия. Тензопреобразователи применяются также и в виде ненаклеенной спирали, струны и других конструкций.

Если проволока тензорезистора подвергается упругой деформации, то между относительным изменением со­ противления проволоки AR/R и ее относительным удли-

Бумага.

б)

0п 0

Выводы

а.)

Рис. 2-5. Тензометрические преобразователи.

я —с наклеенной проволочной спиралью; 6 — тензо-

пением AL/L существует линейная зависимость, опреде­ ляемая выражением

дR s AL

пг - ь — (2-7)

Вэтом выражении коэффициент пропорциональности

бназывают относительной чувствительностью (тензочувствительностыо) тензорезистора. Величина 6 зависит не только от состава сплава проволоки, но и от техно­ логии ее обработки. Ориентировочные значения б для некоторых материалов следующие: константан— 1,9— 2,1; нихром — 2,1—2,3, хромель — 2,5; железо-хром-алю- миниевый сплав — 2,8—2,9.

Чувствительность тензорезистора может быть опре­ делена из следующего соотношения:

39