книги из ГПНТБ / Лихачев В.С. Испытания тракторов учеб. пособие

Ѳ— фазовый сдвиг выходного сигнала; х н у — текущие амплитуды сигналов соответственно на

входе и выходе.

В комплексной плоскости (см. рис. 14) функция е>ші представ­ ляет собой движение точки по окружности радиуса г = 1 с угловой скоростью со; колебания в этом случае рассматриваются как дви­ жение проекции этой точки по оси ординат, которая является мнимой осью /со комплексной пло­ скости. Приняв

е/ (0Ч4-Ѳ) — е/и< g/'Ѳ

иимея в виду уравнения (1) и (2), получим отношение

с этим определением АФХ изображается кривой (рис. 18), по­ строенной по совокупности точек, каждая из которых представ-

ляет конец вектора длиной М = ■,в— , повернутого против часо- ■Двх

вой стрелки на величину сдвига фаз Ѳ, относительно положитель­ ного направления оси абсцисс (отставание сигнала по фазе Ѳ

в комплексной плоскости отрицательно). Отношение статических

д

значений k = ,вых 0 представляет собой коэффициент усиления

■^BXО

системы.

Переходная и частотные характеристики математически тесно связаны и могут быть аналитически получены друг из друга. Снятие частотных характеристик входит в обязательный объем подготовительных операций при использовании измерительно­ информационных устройств. Указания по выполнению этих опе­ раций даются в инструкциях по эксплуатации устройств (напри­ мер, в инструкции по эксплуатации усилителя 8АНЧ-7М) и по использованию тензометрических лабораторий.

Передаточная функция — это математическое изображение вну­ треннего функционального существа системы,— функциональная характеристика динамических свойств системы. Передаточная функция математически связывает входной сигнал с сигналом на выходе системы. Математическое изображение передаточной функ­

* Математическое обозначение вида Ѳ (со) тождественно обозначению Ѳ =

= f И-

37

ции получают из дифференциального уравнения движения си­ стемы, записанного по Лапласу как отношение операторов правой и левой частей уравнения.

Для примера, пусть тахогенератор ТГ подключен к простейшей цепочке RC (рис. 19). Дифференциальное уравнение такой схемы

Отсюда передаточная функция W (р), как связь входного и вы­ ходного сигналов, для рассматриваемого примера будет

W ^ = 1T = W + Y - W

Это выражение является типовым для передаточной функции безынерционного апериодического (неколебательного) звена лю­ бой системы.

Выходной сигнал теперь можно записать через передаточную функцию

у = W ( p ) X.

Таким образом, передаточная функция является функцией, на которую следует умножить изображение входного сигнала, чтобы получить выходную функцию.

Сделаем выводы:

1. Передаточная функция и амплитудно-фазовая характери­ стика тождественно характеризуют динамические свойства си­ стемы.

2.Чтобы изучить динамические свойства системы, достаточно исследовать ее передаточную функцию.

3.Чтобы получить изображение сигнала на выходе системы, достаточно изображение сигнала на входе умножить на передаточ­ ную функцию.

4.Передаточная функция инвариантна во времени (т. е. не

зависит от времени), зависит от частоты колебания сигнала и от постоянной времени системы (объекта), т. е. от ее инерционности.

38

Из выражения (3) следует, что передаточная функция показы­ вает порядок системы, ее быстродействие и характер переходного процесса.

Более подробное описание свойств передаточных функций и их использования можно найти в литературе по теории следящих систем автоматического контроля и управления.

§ 11. ДАТЧИКИ

Общие сведения

Датчиком или первичным измерительным преобразователем на­ зывают конструктивно законченный прибор для преобразования воздействия измеряемой величины в электрический сигнал. Часто датчик выполняют отдельно от первичного чувствительного эле­ мента. Такой датчик включает в себя электрический преобразова­ тель воздействия чувствительного элемента в электрический сиг­ нал (изменение тока, напряжения, частоты, фазы). Например, тензометрический индуктивный датчик представляет собой при­ бор, состоящий из корпуса и электромагнитной системы. Его уста­ навливают на упругое тяговое звено (первичный чувствительный элемент) для измерения тягового усилия.

В других случаях датчик включает в себя и первичный чувстви­ тельный элемент. Например, в корпусе индуктивного датчика для измерения давления масла в гидросистеме установлена мембрана (первичный чувствительный элемент), которая воздействует на электромагнитную систему индуктивного преобразования измеряе­ мой величины в электрический сигнал.

По функциональным признакам датчики разделяют на пара­

измеряемой величины меняется их электрический параметр: оми­ ческое сопротивление, емкость, индуктивность. К параметриче­ ским датчикам относятся:

коммутирующие датчики, которые при измерительном воздей­ ствии включают электрическую цепь и этим подают в измеритель­ ную систему импульсные сигналы (прерыватели счетных импуль­ сов, кодирующие датчики, коммутаторы дискретных измеритель­ ных сигналов);

потенциометрические и реостатные (электромеханические) дат­ чики, в которых под действием измеряемой величины перемещается реостатный ползунок (главным образом датчики линейных и угло­ вых перемещений);

тензорезисторы (тензометрические датчики сопротивления), из­ меняющие омическое сопротивление при деформации под измери­ тельным воздействием;

емкостные датчики, изменяющие свою электрическую емкость под воздействием измеряемой величины;

39

индуктивные датчики, в которых при измерительном воздей­ ствии изменяется их индуктивность (индуктивное сопротивление); датчики термосопротивления, фотосопротивления и другие, ме­ няющие свое электрическое сопротивление при изменении тем­

пературы, силы света и т. п.; трансформаторные датчики, ферромагнитные датчики угла по­

ворота, сельсины. В этих датчиках обмотка возбуждения питается переменным напряжением от блока питания, и на выходе полу­ чают напряжение, пропорциональное перемещению якоря.

и т. п. К генераторным датчикам относятся: тахогенераторы и ин­ дукторы (индукционные датчики) для измерения угловой скорости; термоэлектрические датчики, термопары; электрические датчики (электрокинетические, гальванические, полярографические, химотронные).

Датчики характеризуются параметрами, определяющими ре­ жимы их работы, а также их статическими и динамическими харак­ теристиками. К ним мы вернемся в главе о погрешностях измерений.

Существенной характеристикой любого датчика является его л и н е й н о с т ь . В рабочем диапазоне измерения датчик должен иметь линейную статическую характеристику. Нелинейность ха­ рактеристики часто делает невозможным функциональные измери­ тельные преобразования, требует нелинейного масштаба указа­ теля, затрудняет обработку осциллограмм и вообще результатов измерения.

Если не удается подобрать или изготовить датчик с линейной характеристикой, то в измерительную схему вводят линеаризи­ рующие устройства, которые, однако, также могут быть источ­ никами погрешности. Линеаризация в большинстве случаев бы­ вает не полная, а частичная, кусочная.

Выбор датчика определяется задачами исследования, конструк­ цией исследуемого узла, условиями работы измерительного устрой­ ства, характером измеряемой величины, а также методикой и тех­ никой сопряженных исследований.

Номенклатура и области применения датчиков промышлен­ ного и лабораторного изготовления постоянно расширяются. В практике испытаний наиболее часто используют датчики комму­ тирующие, тензорезисторные, индуктивные, индукционные, термо­ сопротивления, термопары, тахогенераторы.

Ниже дано описание некоторых наиболее характерных для практики испытаний датчиков.

Тензометрические датчики сопротивления

Тензометрическими датчиками сопротивления называют пер­ вичные преобразователи измерительной деформации упругого элемента в электрический сигнал. Последний образуется в ре­

40

зультате изменения наклеенного на упругий элемент чувстви­ тельного к деформации активного электрического сопротивления, которое называют т е н з о р е з и с т о р о м (тензосопротивлением). Часто тензодатчиком называют непосредственно тензорезистор, как первичный преобразователь тензометра — прибора для измерения деформации.

В практике испытаний, используя упругую деформацию, как функцию деформирующего усилия, тензодатчики применяют для измерений усилий, крутящих моментов, давлении, ускорений и других не­ электрических величин,

когда в результате воздействия измеряемой величины можно получить упругую деформацию чувствительного элемента (стержня, вала, мембраны и т. п.).

Существует три типа тензорезисторов: проволочные, фольго­ вые и полупроводниковые. В практике испытаний широко исполь­ зуют проволочные и фольговые тензорезисторы в связи с их не­ оспоримыми преимуществами: их можно наклеивать непосред­ ственно на исследуемую деталь; они имеют малый вес и поэтому их можно наклеивать на быстровращающиеся детали; они прак­ тически электрически безынерционны, благодаря чему их можно использовать в качестве первичных преобразователей в виброгра­ фах и акселерографах при частотах в несколько килогерц; малый размер тензорезисторов позволяет наклеивать их в труднодоступ­ ных местах и на деталях малых размеров; дешевизна тензорезисто­ ров допускает их разовое использование.

П р о в о л о ч н ы й т е н з о р е з и с т о р (рис. 20) пред­ ставляет собой решетку из тонкой проволоки с большим омическим

41

сопротивлением, наклеенную на основу (подложку) из тонкой бумаги или лаковой пленки.

Ф о л ь г о в ы й т е н з о р е з и с т о р (рис. 21) имеет ре­ шетку, изготовленную травлением из металлической фольги (или напыливанием) и наклеенную на основу. Преимуществом таких

различной формы и мембранные). Кроме того, поперечные части витков делают более широкими, что уменьшает влияние попереч­ ной деформации тензорезистора на точность измерения.

Основными техническими характеристиками тензорезистора яв­ ляются его активное сопротивление, база (длина решетки) и коэф­ фициент тензочувствительности.

Материалом для тензорезисторов служат константан, нихром, манганин, изоэластик и др. Наибольшее применение получил кон­ стантан. Для проволочных тензорезисторов используют константановую проволоку диаметром 0,02—0,05 мм, для фольговых — фольгу толщиной 0,004—0,012 мм.

Номинальный рабочий ток для проволочных тензорезисторов, наклеиваемых на металлические детали, составляет 30 мА, для фольговых — до 0,2 А. Тензорезисторы могут работать под напря­ жением до 12 В.

Отечественная промышленность выпускает тензорезисторы про­ волочные (П), константановые (К) на бумажной (Б) или пленоч­ ной (П) основе следующей номенклатуры:

2ПКБ-5-50Х (Г) 2ПКП-5-50Х (Г) 2ПКБ-5-100Х (Г) 2ПКП-5-100Х (Г) 2ПКБ-10-100Х (Г) 2ПКП-10-100Х (Г) 2ПКБ-10-200Х (Г) 2ПКП-10-200X (Г) 2ПКБ-20-100Х (Г) 2ПКП-20-100Х (Г) 2ПКБ-20-200Х (Г) 2ПКП-20-200Х (Г) 2ПКБ-30-200Х (Г) 2ПКП-30-200Х (Г) 2ПКБ-30-400Х (Г) 2ПКП-30-400Х (Г) 2ПКБ-30-500Х (Г) 2ПКП-30-500Х (Г)

Цифры 5, 10, 20, 30 означают базу тензорезистора; 50, 100, 200, 400, 500 — номинальное сопротивление в омах; буквы X (Г) — холодную и горячую наклейку.

42

Тензорезисторы фольговые (Ф), константановые (К), прямо­ угольные (П) и розеточные (Р), подтипов по форме розетки А, В,

2ФКМГ-30-200Х (Г).

Кроме того, изготовляют высокотемпературные (до 430° С) никель-молибденовые проволочные тензорезисторы НМП-430 с ба­ зой 5; 10 и 20 мм на металлической основе, привариваемые к де­ талям конденсаторно-точечной сваркой.

Полупроводниковые тензорезисторы изготовляют преимуще­ ственно из кремния и германия. Они имеют тензочувствительность, в 50—60 раз большую, чем проволочные тензорезисторы, и отличаются весьма малыми размерами, однако в практике испыта­ ний применения не находят из-за недостаточной механическойпрочности, нелинейности характеристик и большого разброса элек­ трических параметров.

Для выяснения физического смысла коэффициента тензочувствительности тензорезистора воспользуемся зависимостью оми­ ческого сопротивления проводника от его геометрических разме­ ров и материала:

р — удельное сопротивление материала проводника; I — длина проводника;

s — площадь поперечного сечения проводника.

При деформации тензорезистора изменяются все перечислен­ ные параметры, т. е. R — f (/, s, р). Из формулы (4) элементарное приращение сопротивления тензорезистора при его деформации выразится полным дифференциалом

— = ~ V — ’

где p, — коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной дефор­ мации), учитывающий уменьшение поперечного сечения проводника при его продольной деформации.

Отсюда

43

Зависимость удельного сопротивления проводника от его про­ дольной деформации дает уравнение Де-Фореста

водника.

Подставив в уравнение (5) значения ds и dp из выражений (6) и (7) и разделив левую и правую части уравнения соответственно

к о э ф ф и ц и е н т т е н з о ч у в с т в и т е л ь н о с т и тензо­ резистора, постоянный для данного материала. Для константана

k = 2.0-S-2.1.

Так как тензорезистор деформируется одновременно с упругим стержнем, на который он наклеен, а деформация стержня (или другого упругого элемента) пропорциональна приложенному уси­ лию, то изменение сопротивления тензорезистора пропорцио­ нально усилию Р:

где т — коэффициент пропорциональности (масштабный коэф­ фициент).

Изменение сопротивления тензорезистора вызывает соответ­ ственные изменения тока в измерительной цепи, которые и реги­ стрируются как изменение измеряемой величины Р.

Приведенные выше соотношения справедливы лишь для линей­ ных измерительных цепей. Для нелинейных цепей зависимости усложняются.

П о л з у ч е с т ь тензорезистора характеризует жесткость его основы и клея. По ТУ ползучесть при температуре 20 ± 5° С не должна превышать 0,5% для тензорезисторов на пленочной основе и 1 % — на бумажной основе.

При использовании тензорезисторов наиболее ответственными работами являются механическая подготовка поверхности, на

44

которую наклеивается тензорезистор, обеспечение чистоты склеи­ ваемых поверхностей и используемых химикатов, тщательное со­ блюдение технологии наклейки тензорезистора.

Поверхность детали для наклейки тензорезистора шлифуют по классу Ѵб шкуркой № 8— 12. Полированную поверхность также зашлифовывают. Перед наклейкой поверхность детали обез­ жиривают химически чистым ацетоном, а затем 96%-ным этиловым спиртом. Подготовленную для наклейки деталь обычно подогревают до температуры 50—70° С.

Для приклеивания тензорезисторов применяют следующие клеи:

Датчики на металлической основе приваривают импульсной точечной сваркой.

Сначала на деталь наклеивают подложку из папиросной бу­ маги, на которой размечена схема наклейки тензорезисторов. За­ тем по разметке наклеивают тензорезистор. Технология наклейки зависит от типа детали, вида основы тензорезистора и от приме­ няемого клея. Рекомендации по наклейке изложены в инструк­ циях фирм, поставляющих тензорезисторы, а также в литературе.

После наклейки тензорезистор защищают от действия влаги и тепла и от механических повреждений. В качестве гидроизоля­ ции используют различные мастики, эпоксидную смолу, клей 88, клей ГМН-301 или лак 1201 с наполнителем (1 :1 , опилки эбо­ нита, асбест, мел и т. п.). Наносят гидроизоляцию по мере высы­ хания слоями до толщины 2—3 мм. Затем место наклейки закры­ вают фетром, забинтовывают и закрашивают. Иногда для защиты тензорезистора на него наклеивают никелевую фольгу.

Для устранения местных напряжений из-за неравномерного высыхания клея под основой тензорезистора его подвергают тре­ нировочной работе под нагрузкой, иногда в течение нескольких десятков часов.

Тензорезисторы используют в датчиках различного назначе­ ния, где измерительное воздействие может восприниматься упру* гим чувствительным элементом, на который можно наклеить тензо­ резистор.

Апрелевский завод средств автоматики и контроля выпускает датчики давлений ТДДМ для давлений 1; 2; 5; 10 и 25 кгс/см2, в которых тензорезисторы наклеены на мембрану. В'датчиках ТДД

45

для давлений до 50; 100; 200 и 400 кгс/см2 того же завода (рис. 22) чувствительным элементом служит упругий цилиндр 4, на ко­ торый наклеены два рабочих проволочных тензорезистора 3 и два компенсационных тензорезистора 5 для компенсации температур­ ных погрешностей. Проводники от тензорезисторов выходят к ште­ керному разъему 1. Корпусом датчика служит стакан 2.

Эти датчики использовались при испытании гидросистем трак­ торов. Недостатком датчиков является большая температурная погрешность, объясняемая тем, что рабочий

икомпенсационный тензорезисторы наклеены

вместах, где они работают в различных динамических и тепловых условиях. Кроме того, упругий элемент датчика имеет не вполне удовлетворительную частотную ха­ рактеристику, что приводит к повышенным динамическим погрешностям при частоте пульсаций выше 80 Гц (данные испытаний ВНИИМЭСХ). Краснодарский завод тензо­ метрических приборов выпускает тензодат­ чики давлений и усилий, в которых чувст­ вительным элементом служат стальная мем­ брана или полый стальной цилиндр; вы­ пускаются тензодатчики давлений типов ТДД, ДДВ, ЛХ, ИС, тензодатчики усилий ТДС, ТПА, С и другие на различные пре­ делы измерений.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики широко используют для измерений давлений при испытаниях гидросистем, измерения частоты вращения различных валов и иногда для измерения тяговых усилий и крутящих моментов. Эти датчики имеют ряд преимуществ: они позво­

ляют пропускать большой ток, обладают высокой чувствитель­ ностью и в ряде случаев дают возможность обходиться без усили­ теля; не боятся наводок, поэтому провода к ним могут быть не­ экранированными; датчики для тензоизмерений выполняются съемными и в отличие от тензорезисторов допускают многократное использование; датчики для измерения перемещений и частоты вращения бесконтактны, что повышает их надежность; обладают высокой механической прочностью и надежностью в длительной эксплуатации. Недостатком индуктивных датчиков является за­ висимость их чувствительности от частоты питающего напряжения. Датчики для измерения усилий и крутящих моментов имеют боль­ шую массу и не могут использоваться при больших скоростях и ускорениях.

46