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

Индуктивный датчик представляет собой электромагнитную систему, состоящую из катушки, насаженной на Ш-образный, П-образный или стержневой сердечник из трансформаторного же­ леза, и якоря. Якорь соединен с чувствительным элементом — диафрагмой, упругим стержнем, вращающимся валом и т. п. При измерительном воздействии чувствительного элемента якорь пере­ мещается, зазор между якорем и сердечником изменяется, что приводит к изменению индуктивности катушки. Последняя при этом работает как дроссель, воздействуя на величину перемен­ ного тока в измерительной цепи.

Если якорь разместить между двумя катушками, то зазор между якорем и сердечником катушек, с одной стороны, будет уменьшаться, а с другой — увеличиваться. Такой датчик назы­ вается дифференциальным и имеет вдвое большую чувствитель­ ность, чем простой. Его катушки включают в два рабочих плеча измерительного моста.

В длинноходовых датчиках перемещений внутри двух дифферен­ циально включенных катушек помещен ферромагнитный плун­ жер, изменяющий индуктивность катушек при своем перемещении.

Физические основы работы индуктивного датчика заключаются в следующем.

При заданном напряжении U ток / в катушке датчика опре­ деляется выражением

б— длина воздушного зазора между сердечни­ ком и якорем (входит в цепь дважды);

47

Ист — относительная магнитная проницаемость

Таким образом, ток в катушке датчика с заданными конструктивными парамет­ рами и при заданном напряжении про­ порционален воздушному зазору. Одно­ временно ток в катушке датчика обратно пропорционален его частоте, поэтому для работы индуктивного датчика с заданной точностью необходимо иметь стабилизиро­ ванную частоту тока питания.

Чувствительность датчика по току из выражения (8)

из немагнитного материала. В нем помещены две катушки 3, на­ саженные на стержни 2 и 4 из армко-железа. Якорь 6 закреплен на оси 7, один конец которой образует измерительную ножку, а другой опирается на пружину 5, создающую небольшое измери­ тельное давление. Высота датчика 90 мм, диаметр 46 мм. Допусти­ мое перемещение измерительной ножки 100— 150 мкм.

При испытаниях гидросистем тракторов, а также дизельных топливных систем успешно используют дифференциальные индук­ тивные датчики давления Ростовского института инженеров желез-

48

нодорожного транспорта (РИИЖТ) для давлений 10—-100 и 100— 200 кгс/см2. На рис. 24 показана схема такого датчика. Между катушками 1 я 3 находится якорь 2, который с помощью дюрале­ вого ярма 4 соединен с мембраной 5. Корпус датчика имеет шту­ цер для вворачивания в место, где измеряют давление. Датчик позволяет исследовать процессы с частотой до 300 Гц.

Отечественная промышленность выпускает датчики с диафраг­ менными, сильфонными, сильфонно-пружинными чувствительными

Якорь перемещается между сердечниками 4 дифференциальных катушек 3. Зазор можно регулировать перемещением сердечни­ ков с катушками. Датчик допускает ток до 100 мА, имеет высокую чувствительность, прямолинейную характеристику и не требует усилителя.

При испытаниях широко используют индуктивные импульсные датчики частоты вращения. Различаясь в конструкции, датчики одинаковы по принципу действия и близки по принципиальным схемам. На рис. 26 показана принципиальная схема датчика ДБК-1 КубНИИТИМ. Основными частями датчика являются электромагнитная система с колебательным контуром, простей­ ший полупроводниковый усилитель и вращающийся якорь с одним или несколькими флажками. Катушки L1 и L2 (по 100 витков провода ПЭЛ-0,1) с транзистором 77 и конденсатором С образуют

колебательный контур, работающий в автоколебательном режиме и генерирующий переменное напряжение с частотой 100— 120 кГц. В катушке L3 (100 витков подвода ПЭЛ-0,1) при этом индукти-

R1

Рис. 26. Принципиальная схема индуктивного им­ пульсного датчика часто­ ты вращения ДБК-1

руется э. д. с., которая выпрямляется диодом Д1 и через делитель напряжения R4—R5 поступает на базу транзистора Т2. Послед­ ний таким образом оказывается открытым, а база транзистора ТЗ находится под нулевым потенциалом, и транзистор закрыт, в цепь

Датчик обеспечивает подачу импульсов с частотой до 50 Гц, что при одном флажке на якоре соответствует 3000 об/мин вала. Якорь можно устанавливать с числом флажков от 1 до 10. При 10 флажках можно измерять частоту вращения тихоходных валов до 300 об/мин. На рис. 27 показана фотография датчика ДБК-1.

50

Индукционные датчики

Работа индукционного датчика основана на законе электро­ магнитной индукции, по которому э. д. с. е, наведенная в провод­ нике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пересекающего проводник:

гіФ

— w- dt ’

где w — число проводников катушки датчика;

гіФ-----скорость изменения магнитного потока.

В связи с прямой зависимостью индуктированной датчиком э. д. с. от скорости, индукционные датчики нашли применение главным образом при измерении угловой скорости вращающихся валов в виде тахометрических генераторов. Тахогенераторы в ком­ плекте с тахоуказателями широко используют в качестве элек­

чики импульсов, изготовляемые обычно силами самих исследова­ тельских организаций. Датчики импульсов работают на осцилло­ граф, на счетчик электрических импульсов, или на цифровой элек­ тронный частотомер. Если для срабатывания электромагнитного счетчика мощность импульса недостаточна, между датчиком им­ пульсов и счетчиком включают электромагнитные реле или про­ стой полупроводниковый усилитель мощности, либо полупровод­ никовый формирователь импульсов, расширяющий импульс, а при необходимости и увеличивающий его амплитуду.

В качестве простейшего генератора импульсов используют те­ лефонный наушник без мембраны. На вращающийся вал закреп­ ляют стальной флажок (или звездочку с несколькими флажками). При прохождении флажка над магнитом неподвижно закреплен­ ного наушника в его катушке индуктируется импульс э. д. с.

На рис. 28 показан индукторный тахогенератор ЦМИС. В алю­ миниевый корпус 1 ротора запрессовано 12— 18 цилиндрических постоянных магнитов 3. Магнитопроводом служат стальные кольца 2, имеющие полукруглые впадины, расположенные между магнитами. Статор тахогенератора состоит из стального стакана 4, стального кольца 6 и расположенной между ними кольцевой ка­ тушки 5. Стакан 4 и кольцо 6 служат магнитопроводом и имеют такие же впадины, как и на кольцах ротора (они образуются при совместном сверлении). Катушка 5 имеет 2500 витков провода ПЭЛ-0,1, намотанных на обойму из оргстекла. Статор заключен в алюминиевый корпус (на чертеже не показан), закрепляемый неподвижно с помощью кронштейна. Ротор устанавливается на вращающийся вал объекта испытаний непосредствено или с по­ мощью переходного стакана и центрируется в статоре двумя шарикоподшипниками.

При вращении ротора периодическое совпадение зубцов и впа­ дин магнитопроводов создает пульсирующее магнитное поле, на­ водящее в катушке пульсирующую э. д. с. Наведенные каждым

__IV—fY r J V rJ V r J V r - A r - l \ ___руктивные параметры индук-

димо, чтобы сопротивление катушки датчика (активное и реактив­

ное) было равно сопротивлению регистрирующего устройства.

* *

*

Номенклатура и области применения датчиков постоянно рас­ ширяются. Нами описаны лишь типы датчиков, наиболее распро­ страненные в практике испытаний. О других типах будет сказано при описании специальной техники испытаний.

§12. СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКОВ

ВИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ СХЕМУ

Электротензометрические датчики, тензорезисторные, индук­ тивные и другие включают в измерительный мост, иногда в потен­ циометрическую схему. Потенциометрический метод измерения более сложен и менее универсален, поэтому применяется редко. Мостовая схема позволяет вычитать или складывать напряжения датчиков, включенных в мост, исключать мешающие напряжения, компенсировать напряжения, вызывающие дополнительные по­ грешности (например, температурные); обеспечивает повышение чувствительности всей измерительной схемы.

52

Существует два метода измерения с помощью мостовых схем: нулевой и метод разбаланса.

При нулевом методе при каждом нарушении равновесия моста, возникшем вследствие измерительного воздействия на датчик, про­ изводят уравновешивание моста, т. е. указатель измерительного прибора, включенного в диагональ моста, устанавливают на нуль. Об изменении измеряемой величины судят по величине дополни­ тельно введенного уравновешивающего сопротивления.

При измерении методом разбаланса при нарушении равновесия моста об изменении измеряемой величины судят по отклонению указателя измерительного прибора в диагонали моста. Метод раз­ баланса более универсален, пригоден для динамических измерений с использованием регистратора, однако он менее точен (точность обычно не превышает ±1%).

Рис. 29. Принципиальная схема тензометрического устройства для измерения тяговых усилий

Существует большое разнообразие мостовых схем и способов

устройства для измерения тяговых усилий. Рабочий тензорезистор 2 наклеен на упругое тяговое звено 1 и включен в измеритель­ ный мост 3. Деформация тягового звена под действием силы Ркр передается тензорезистору, что приводит к изменению его актив­ ного сопротивления и нарушению равновесия моста. На измери­ тельной диагонали моста появляется напряжение. Оно не превы­ шает нескольких милливольт, и ток в диагонали оказывается не­ достаточным для работы гальванометра осциллографа 5. Поэтому перед регистратором включают усилитель 4.

Тензометрические мосты различают: по виду напряжения пи­ тания — мосты постоянного и переменного тока; по нагрузке в измерительной диагонали — мосты пассивные и нагруженные; по способу включения датчиков в плечи моста.

Измерительные устройства с усилителями постоянного тока, не­ смотря на ряд преимуществ, в практике испытаний применяют редко из-за отсутствия недорогих и надежных усилителей. При безусилительном тензометрировании измерительные устройства на постоянном токе весьма просты и надежны.

53

М о с т ы п о с т о я н н о г о т о к а включают в себя только активные сопротивления, поэтому их балансировка (первоначаль­ ное уравновешивание) не представляет трудностей. Стабилизация постоянного напряжения для питания измерительных схем зна­ чительно проще, чем стабилизация переменного напряжения. Схемы на постоянном токе нечувствительны к распределенным емкостям, вносящим дополнительные погрешности (распределен­ ные емкости — это паразитные емкости тензорезисторов относи­ тельно массы чувствительного элемента и емкости проводов отно­ сительно смежных проводов, брони или земли). Кроме того, схемы на постоянном токе мало чувствительны к промышленным шу­ мам — наводкам переменного тока промышленной частоты. Эти наводки сказываются лишь при работе в мощных электрических полях, например под высоковольтными линиями. Поэтому в из­ мерительных схемах на постоянном токе экранировать провода не требуется. Это большое преимущество измерительных схем на постоянном токе по сравнению со схемами переменного тока.

М о с т ы п е р е м е н н о г о т о к а работают со сравни­ тельно простыми усилителями переменного тока, работающими на несущей частоте в несколько тысяч герц. Схемы на переменном токе чувствительны к распределенным емкостям. К примеру, емкость моста с фольговыми тензорезисторами, включая гальванометр ос­ циллографа, не превышает 100 пФ, в то же время взаимная емкость двухпроводного шнура составляет 100—300 пФ на метр длины, что при длине 10— 15 м составит несколько тысяч пикофарад. Эта паразитная емкость подключена в параллель к плечам моста. Различный удельный вес этих емкостей в общей емкости схемы вносит искажения в результат измерения тем больший, чем выше несущая частота тока питания моста. Поэтому несущую частоту следует выбирать возможно более низкой, однако не менее чем в 5 раз выше основных частот исследуемого процесса, чтобы ча­ стоты последнего не лежали в полосе, близкой к резонансным искажениям измерительной цепи. При регистрации высокочастот­ ных процессов (порядка 1000 Гц) следует пользоваться усилите­ лями постоянного тока.

Экранированный кабель, оплетка которого заземлена, устра­ няет влияние распределенных паразитных емкостей.

При работе измерительных схем на переменном токе значи­ тельные искажения регистрации исследуемого процесса вносят наводки промышленной частоты — так называемые промышлен­ ные шумы, которые проникают через провода между измеритель­ ным мостом и усилителем и через цепи питания усилителя при не­ достаточной фильтрации в этих цепях. Промышленные шумы скла­ дываются с токами основной измерительной частоты, детекти­ руются и поступают на измеритель, обусловливая дополнительную случайную погрешность измерения. Поэтому измерительные схемы переменного тока требуют экранирования по всей длине измери­ тельного тракта.

54

Следует еще заметить, что различные термотоки и токи утечки одинаково приводят к погрешностям измерения при работе как на постоянном, так и на переменном токе.

При динамических измерениях с большой скоростью записи перспективными являются измерительные схемы с импульсным питанием от мультивибраторов с периодом 0,1—0,5 с и со скваж­ ностью (отношением длительности импульса к его периоду) 0,1—■ 0,5. Импульсное питание позволяет повысить плотность тока в тензорезисторе и, следовательно, повысить его чувствительность, а также увеличить возможность безусилительного тензометрирования. Импульсный сигнал упрощает его функциональное пре­ образование в автоматических, измерительно-вычислительных си­ стемах. Уменьшается влияние паразитных напряжений. Кроме того, при осциллографировании появляется возможность вклю­ чить в один измерительный канал несколько мостов с различным масштабом сигнала, со смещением нулевой линии или со смеще­ нием токовых посылок во времени.

Входное сопротивление электронного усилителя постоянного . или переменного тока на два порядка (до 100 раз) больше сопро­ тивления плеч тензомоста. Поэтому мосты, работающие на элек­ тронный усилитель, практически не нагружены, работают в ре­ жиме холостого хода и называются п а с с и в н ы м и м о ­ с т а м и .

Мосты, работающие с магнитными или транзисторными усили­ телями, имеющими малое входное сопротивление, а также мосты, работающие без усилителя, непосредственно на гальванометр (имеющий также малое сопротивление), являются н а г р у ж е н ­ н ы м и м о с т а м и .

При составлении измерительных схем следует учитывать раз­ личие свойств пассивных и нагруженных мостов. Они требуют раз­ ного подхода в выборе сопротивления тензорезисторов. Пассив­ ный мост работает под малым током, его чувствительность выби­ рают по напряжению. Для нагруженного моста чувствительность рассчитывают по току. Имеются особенности и в схемах включе­ ния датчиков в мосты. При работе с нагруженным или пассивным мостом по-разному конструируют сглаживающие фильтры перед осциллографом.

Способ включения тензодатчиков, в частности тензорезисторов, в измерительный мост и способ их наклейки на деталь (на чувстви­ тельный, упругий элемент) зависит от вида измерительной дефор­ мации (растяжение, сжатие, кручение, сложная деформация), от типа тензорезистора (прямоугольный, розеточный) и от измери­ тельной схемы (один или несколько тензорезисторов в плече моста, полумост, полный мост, мосты несимметричные).

В практике тензометрирования используют мосты равноплечие или симметричные относительно измерительной диагонали. Мосты несимметричные сложны в расчете и в использовании, хотя иногда и дают некоторые преимущества.

55

На тензочувствительность тензорезистора сильно влияет из­ менение температуры детали, на которую он наклеен. Для ком­ пенсации дополнительной температурной погрешности рабочего плеча моста используют тензорезистор соседнего плеча, в котором температурная деформация имеет противоположный знак. Этот тензорезистор наклеивают на находящуюся рядом и работающую в тех же температурных условиях недеформируемую деталь или на деформируемую деталь, но ориентируя его так, чтобы он не подвергался деформации. Если два (или четыре) смежные плеча являются рабочими, то температурная компенсация происходит автоматически.

Рис. 30. Схемы наклейки тензорезисторов при измерении растягивающего усилия и изгибающего момента:

а — одно рабочее плечо и термокомпенсация; б и в — два рабочих плеча и термокомпенсация; г — четыре рабочих плеча и термокомпенсация

Следует опасаться наличия в измерительном мосте спаев, обра­ зующих термопары. Они могут генерировать токи, соизмеримые с измерительными сигналами и таким образом вносить значи­ тельные погрешности.

На рис. 30 показаны наиболее рациональные способы распо­ ложения тензорезисторов на упругом элементе при растяжении и изгибе.

На схеме рис. 30, а при одном рабочем плече R1 термокомпен­ сационный тензорезистор R4 наклеен перпендикулярно действию растягивающей силы Р. Кроме температурной компенсации, при таком расположении тензорезистора R4 происходит также ком­ пенсация потери тензочувствительности в рабочем плече, возни­ кающей за счет поперечных деформаций решетки тензорезистора. Схема на рис. 30, б имеет вдвое большую чувствительность при наличии термокомпенсации. Кроме того, в этой схеме компенси­ руются возможные влияния изгиба стержня. В схеме на рис. 30, в для измерения изгиба тензорезистор R1 наклеен на растягивае­ мые волокна стержня, а R4 — на сжимаемые. Схема имеет вдвое большую чуствительность, чем схема с одним рабочим плечом,

56