книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

в измерительную диагональ моста. Мост питается напряжением от ге­ нератора Г частотой 50 кГц.

Параметры схемы выбраны таким образом, что если уровень жид­ кости в резервуаре к — 0, то напряжение в измерительной диагонали моста равно нулю. При повышении уровня жидкости до значения к мост разбалансируется и в измерительной диагонали его появится на­ пряжение. С выхода моста это напряжение, пропорциональное емкости измерительного конденсатора и соответственно уровню измеряемой жидкости, через трансформатор ТЗ подается на вход усилителя, а за­ тем на вход фазового детектора ФД. Выходное напряжение ФД опре­ деляется уровнем входного сигнала и соотношением между его фазой и фазой напряжения генератора Г Сигнал постоянного тока с выхода фазового детектора поступает на вход преобразовательного устрой­ ства обратной связи УОС и преобразуется в напряжение переменного тока частотой 50 кГц. С выхода преобразовательного устройства на­ пряжение подается на первичную обмотку трансформатора Т2 и на вход детектора Д. Выходным сигналом детектора является напряже­ ние постоянного тока 0...10 В, которое измеряется показывающим или записывающим вольтметром.

Наличие в одном из плеч моста компенсационного конденсатора Ск преобразователя и устройства обратной связи позволяет осуществить автоматическое введение поправки на изменение диэлектрической про­ ницаемости жидкости, уровень которой измеряется.

I Наличие в приборе фазового детектора дает возможность получить на выходе сигнал, пропорциональный лишь емкостной составляющей комплексного сопротивления преобразователя, поскольку опорное напряжение, подаваемое на фазовый детектор от генератора, совпа­ дает с основным сигналом, пропорциональным измеряемому уровню жидкости. Диапазон измерения зависит от выбранной длины электро­ дов емкостных преобразователей. Такие приборы могут использоваться для измерения уровней электро- и неэлектропроводных жидкостей, находящихся под давлением до 6 МПа и имеющих температуру от О до 200 °С.

Измерение расстояний. Простейшим методом измерения расстоя­ ния, пройденного движущимся наземным объектом, является преобра­ зование числа оборотов колеса в количество электрических импульсов. При этом используются электронные счетчики импульсов.

Большие расстояния (десятки и сотни километров) измеряют ра­ диолокационным методом, основанным на измерении времени прохож­ дения радиоимпульса от передатчика до объекта и назад к приемнику. Для измерения расстояний в несколько километров применяется аку­ стическая локация.

Наиболее типичным примером использования-акустической лока­ ции может служить ультразвуковой гидролокатор (эхолот) для изме­ рения глубин, упрощенная структурная схема которого показана на рис. 21.8. Генератор тактовых импульсов ГТИ вырабатывает электри­ ческие импульсы определенной частоты, которые преобразуются в уль­ тразвуковые пьезоэлектрическим преобразователем Я. Последние, распространяясь в жидкой среде (воде), отражаются от дна и посту­ пают на тот же преобразователь Я, преобразуясь в электрические

импульсы, длительность I которых пропорциональна измеряемой глу­ бине I и равна

V *

где V — скорость распространения звука в жидкости (о = 1500 м/с для морской воды, для воздуха о = 331,45 м/с).

Затем эти импульсы формируются и усиливаются приемником-уси­ лителем У, а с его выхода поступают на измеритель интервалов вре­ мени ИВ. Задающий генератор ЗГ управляет работой генератора так­ товых импульсов и измерителя временных интервалов.

С появлением и развитием оптических квантовых генераторов для точного измерения расстояний стали применять локацию световыми волнами. Приборы, построенные с использованием этого принци­ па, называют электрооптическими дальномерами ( с в е т о д а л ь н о - м е р ы). В электронных светодальномерах используют диапазон элек­

тромагнитных волн с длинами 10 5... 10 4 см.

В настоящее время имеется три основные метода оптико-электрон­ ных измерений расстояний: импульсный, частотный, фазовый.

Во всех известных методах измерения расстояний используется прямолинейное распространение электромагнитных волн в однород­ ной среде с постоянной скоростью. Обычно передатчик и приемник электромагнитных волн совмещены в одном приборе, а расстояние из­ меряется до отражающей цели (пассивного или активного отражателя). В этом случае время, необходимое для прохождения сигнала от пере­ датчика к приемнику, равно

частотой модуляции. В качестве несущей частоты может быть исполь­ зована радиочастота диапазона СВЧ или частота светового диапазона.

В импульсных дальномерах выходной величиной является интер­ вал времени, необходимый для прохождения световым сигналом (ко­ роткой вспышкой) расстояния от источника до объекта и обратно, т. е. о расстоянии судят по времени запаздывания отраженного им­ пульса относительно излученного.

В другой разновидности светодальномеров применяют непрерыв­ ное излучение, модулированное по интенсивности синусоидальным сигналом. Выходной величиной такого дальномера служит разность фаз между напряжением на выходе приемника оптического излучения и модулирующим напряжением.

Основной недостаток импульсного метода — необходимость крайне точного фиксирования малых интервалов времени, так как при рас­

стоянии 3 км измеряемый интервал времени ( — 10—5 с, а для обеспе­

чения относительной погрешности измерения расстояния порядка 10-6 погрешность фиксации времени распространения не должна превы­

шать 1СГ10 с.

\ Упрощенная структурная схема фазового светодальномера пока­ зана на рис. 21.9. Принцип действия прибора основан на косвенном измерении времени прохождения светом, модулированным определен­ ной частотой, расстояния до отражателя и обратно. Это время опре­ деляют по разности фаз опорного и возвратившегося от отражателя светового сигнала. Свет от источника ИС поступает на модулятор М и модулируется частотой, задаваемой генератором Г Модулированный световой поток проходит измеряемое расстояние от приемопередатчика до объекта отражения и возвращается обратно. Приемником отражен­ ного сигнала ПС световой сигнал преобразуется в электрический, усиливается и поступает на фазометр ф , который измеряет разность фаз напряжений генератора и приемника. Напряжение генератора модулирующей частоты выражается формулой

их= У,т 5«п И + Фг),

где ф! — начальная фаза.

Напряжение на выходе приемника можно выразить формулой

"2 = ^ т 2 5Щ [со (* — д + Ф1 — фя1.

где 10 — время, необходимое световому сигналу для прохождения двой­ ного измеряемого расстояния; ф2 — запаздывание фазы модулирующе­ го колебания в цепях светодальномера.

Разность фаз напряжений их и и2 равна

ф/ = со^0 + ф2.

Запаздывание фазы в цепях прибора может быть учтено достаточно точно или сведено к пренебрежимо малой величине. Таким образом, измерив разность фаз напряжений их и «2, можно определить изме­ ряемое расстояние как

Точность измерения расстояний зависит от стабильности модули­ рующей частоты и погрешности измерения разности фаз;

Для того чтобы погрешность измерения расстояния не превышала требуемого значения, частота модуляции должна быть очень высокой и ее можно определить как

гсДф

'” 4лД/ •

Так, при / = 300 м погрешности 0,3 мм, что составляет в относитель­ ных единицах 10-6, и если Дф = 0,1...0,5°, соответствует частота модуляции / = 700... 1500 МГц.

Следует учесть, что разность фаз может быть измерена только в пределах 2я. Если 21 > X, то возникает неоднозначность измерения. Для того чтобы узнать целое число периодов, производят измерение на нескольких близких частотах.

21.2. Измерение механических напряжений, деформаций, сил, давлений и крутящих моментов

Диапазон внутренних механических напряжений в деталях меха­ низмов и конструкций сравнительно неширокий (0...1500 МПа) и поэтому для их измерения чаще всего используют только тензорезистивные преобразователи, которые по своему принципу действия яв­ ляются непосредственными преобразователями механических дефор­ маций.

Измерение относительных деформаций Д/// в пределах постоянного значения модуля упругости Е является той же задачей, что и изме­ рение механических напряжений о, поскольку для любого материала справедливо

Вследствие того, что механические напряжения и деформация — векторные величины, тензорезистор должен быть наклеен на поверх­ ность исследуемой детали в направлении их действия. При этом

где к — относительная чувствительность, а — относительное изме­ нение сопротивления тензорезистора.

Металлическими тензорезисторами измеряют относительные дефор­ мации о т0,002 до 2 %, полупроводниковыми — д о 0,1 %, проволочны­ ми, закрепленными на концах базы,— до 6...10 %, а эластичными — до 30...50 %. Тензорезисторы практически безынерционны и исполь­ зуются для измерения переменных деформаций в диапазоне частот от О до 100 кГц.

При измерении деформаций или величин, предварительно преобра­ зованных в деформацию упругого элемента, тензорезистор наклеивают на исследуемую деталь. Для температур до 200 °С применяют баке­ литофенольные клеи (БФ), бакелитовый лак, для более высоких тем­ ператур — жаростойкие кремнийорганические цементы и цементы на основе жидкого стекла.

Особенностью приклеиваемых тензорезисторов является то обстоя­ тельство, что они не могут быть переклеены из объекта на объект. По­ этому действительная функция преобразования рабочего тензорезистора не может быть определена, а для ее оценки определяют функцию преобразования аналогичного, так называемого градуировочного, тензорезистора из той же партии. Так как свойства преобразователей всей партии, а также условия их приклеивания в общем различны, то имеет место некоторая неопределенность действительной функции преобразования. Опыт показывает, что погрешность от неидентичности при тщательной приклейке тензорезисторов из достаточно однородной партии не превышает 1,5 %.

Выходным информативным параметром тензорезистора является относительное изменение его сопротивления и поэтому в подавляющем большинстве случаев их включают в мостовую измерительную цепь. При этом тензорезистор может быть включен в одно из плеч моста, в два плеча либо мостовая цепь может быть составлена целиком из тензорезистивных преобразователей.

Так как относительные изменения сопротивлений тензорезисторов очень малы (е^ ~ 1 %), то существенное влияние на результат изме­ рения могут оказывать их температурные изменения. Следовательно, необходимо предусмотреть температурную компенсацию. В частности,’ если используется мостовая цепь с одним рабочим тензорезистором, то для температурной компенсации необходимо применить другой не­ рабочий тензорезистор Ято, аналогичный рабочему и находящийся с ним в одинаковых температурных условиях (рис. 21.10, а). Если та­

форм ации сопротивление изменится на ед#т, равновесие мостовой цепи нарушится и на выходе появится напряжение

Для увеличения чувствительности измерительной цепи обычно при­ меняют дифференциальное включение преобразователей (рис. 21.10,6), при котором один тензорезистор испытывает деформацию растя­ жения, а другой — деформацию сжатия. В этом случае температур-

ная погрешность также исключается, а чувствительность увеличивает­ ся вдвое.

Две пары дифференциальных тензорезисторов, образующих пол­ ный мост из тензорезисторов, подобранных индивидуально, обеспечи­ вают максимальную коррекцию температурных погрешностей и в четыре раза увеличивают чувствительность [16].

Обычно в мостовых цепях с тензорезисторами предусматривают включение переменных резисторов для уравновешивания моста при отсутствии деформации. |

Питание измерительных цепей с тензорезисторами может осущест­ вляться постоянным или переменным током. Для измерения постоян­ ных во времени величин, а также переменных с частотой не более 1 Гц широко используют мосты и компенсаторы с автоматическим уравновешиванием [17].

При измерениях динамических деформаций на частоте более 1 кГц, например деформаций, вызванных ударом, используется потенциомет­ рическая схема включения тензорезисторов (рис. 21.10, в).

Для исключения постоянной составляющей выходного напряжения устанавливают разделительный конденсатор С и при деформациях с частотой со получают выходное напряжение, содержащее лишь пере­ менную составляющую:

^Лзых — | д &Я 5Ш <0*.

Вместо резистора может быть включен тензорезистор, устанавли­ ваемый на исследуемый объект так, чтобы он воспринимал деформа­ цию, противоположную по знаку деформации тензорезистора /?т.

Широкое распространение получили приборы с усилителями на несущей частоте — т е н з о с т а н ц и и [24]. Для исследования де­ формаций (или напряжений) одновременно во многих точках они вы­ полняются многоканальными, состоящими с соответствующего коли­ чества однотипных измерительных мостов и каналов усиления с об­ щим задающим генератором несущей частоты. При необходимости передачи сигналов на большие расстояния могут использоваться пре­ образователи напряжения неравновесия тензорезисторного моста в частоту.

Диапазоны механических сил и давлений, встречающихся в совре­

менной технике, весьма широки — от 10-5 до 10® Н (силы) и от 0 до 1010 Па (давления). Отсюда и большое разнообразие методов и при­ боров для их измерения. Укрупненно можно выделить метод измерения с непосредственным преобразованием измеряемых сил и давлений в электрический сигнал и метод с промежуточным преобра­ зованием измеряемых величин в механическое напряжение, деформа­ цию или перемещение.

В приборах, базирующихся на первом методе, используются маг­ нитоупругие и пьезоэлектрические преобразователи. Эти приборы не нуждаются в дополнительных преобразующих элементах, поскольку измеряемые сила или давление непосредственно воспринимаются пер­ вичным измерительным преобразователем.

ференциальными (рис. 21.11). Магиитоупругий преобразовательный элемент МП1 является рабочим преобразователем силы Р, а идентич­ ный ему преобразовательный элемент МП2, не подвергающийся дей­ ствию каких-либо усилий, служит для компенсации начальной индук­ тивности рабочего преобразователя, а также для компенсации влияния внешних факторов, в частности температуры и частоты источника пи­ тания. Показания вольтметра будут практически линейной функцией преобразуемой силы. Незначительная нелинейность может быть устра­ нена путем создания некоторой начальной нагрузки.

Пьезоэлектрические измерители применяют только для измерения переменных сил и давлений, изменяющихся с частотой не менее 5 Гц. Основные трудности при построении этих приборов вызываются элек­ тростатической природой зарядов пьезоэлектрического преобразова­ теля, их малым значением, невозобновляемостыо и тенденцией к быст­ рому стенанию через сопротивления изоляции. Чрезвычайно малая выходная мощность при высоком сопротивлении пьезоэлектрических преобразователей требует применения высокочувствительных вторич­ ных приборов с очень большим входным сопротивлением. Без учета погрешности градуировки погрешность .пьезоэлектрических измери­ телей сил и давлений составляет 0,5...2 %.

В приборах, основанных на втором методе, промежуточное преоб­ разование измеряемых сил и давлений в механическую деформацию может осуществляться тензорезисторами, размещенными непосредст­ венно на детали, подвергающейся воздействию силы или давления, а чаще всего для увеличения чувствительности — на специальных уп­ ругих элементах (мембранах, сильфонах, трубках Бурдона и т. п.).

Структурные схемы любого тензорезисторного датчика силы или давления прямого преобразования представляют собой последователь­ ное соединение трех измерительных преобразователей: упругого преобразовательного элемента, тензорезистора и измерительной цепи. Следовательно, основные конструктивные отличия тензорезисторного преобразователя силы или давления от преобразователя деформаций состоит в наличии дополнительного измерительного преобразователя — упругого элемента.

Приборы для измерения крутящих моментов называют торсиомет­ рами. Принцип их действия основан на измерении касательных напря­ жений т, возникающих в материале вала и связанных с крутящим мо­ ментом соотношением

М = т1Гр,

ЗТ/'З

где №р — —2----- полярный момент сопротивления сплошного кругло­

го вала радиусом г.

Для измерения касательных напряжений можно использовать тензорезисторы, наклеенные непосредственно на валах исследуемых меха­ низмов, а если это невозможно,— на упругих элементах, соединяемых с рабочим валом. Тензорезисторы следует наклеивать в направлении наибольших касательных напряжений, т. е. под углом 45° к оси вала, как показано на рис. 21.13. Включением тензорезисторов в два сосед­ них. плеча моста обеспечивается не только температурная компенса­ ция, но и устранение влияния изгиба вала на результат измерения, так как значения и знаки деформаций обоих преобразователей одина­ ковы.

Наиболее важной частью торсиометров является токосъемник, со­ единяющий тензорезисторы с электрической измерительной цепью. Его изготовляют в виде контактного кольца, насаженного на вал, и контактной щетки. Значительное влияние на результат измерения могут иметь вариации переходных сопротивлений контактов и контакт­ ные термо-э. д. с., возникающие под действием нагревания трущихся подвижных контактов. Для уменьшения этого влияния щетки и коль­ ца изготовляют из материалов, имеющих в паре малые переходное сопротивление и термо-э. д. с., а также применяют соответствующие схемные решения. Например,- значительного уменьшения влияния ва­ риации сопротивлений контактов можно достичь, если разместить на валу четыре тензорезистора К.Т1 ...КТ4 и соединить их таким образом, чтобы сопротивления контактов ХА1...ХА4 добавлялись только к сопротивлениям источника питания и индикатора моста, не влияя на значения сопротивлений его плеч. Для устранения влияния паразит­ ных контактных термо-э. д. с. измерительные схемы необходимо пи­ тать переменным током.

Погрешность измерения крутящих моментов с помощью наклеен­ ных тензорезисторов может не превышать ±1...2 % при предваритель­ ной градуировке вала с наклеенными тензорезисторами. Без такой градуировки погрешность превышает 5... 10 %.

Широко используются для измерения крутящих моментов методы, основанные на измерении угла скручивания упругих элементов (спе­ циальной упругой муфты, вала) с помощью индуктивных, индукцион­ ных и других преобразователей.

При измерениях больших крутящих моментов (например, на ва­ лах буровых инструментов) применяют магнитоупругие трансформа­ торные преобразователи, у которых в качестве магнитоупругих эле­ ментов с изменяющейся под действием крутящего момента магнитной проницаемостью используется сам стальной вал. Достоинство такого метода состоит в том, что как намагничивающая, так и вторичная

обмотки преобразователя размещены на неподвижном статоре, чем обес­ печивается высокая надежность измерения. Погрешность измерения моментов с помощью серийных устройств такого типа не превышает ±1,5 %.

21.3. Измерение параметров движения

Основные параметры механического движения — перемещение, скорость и ускорение связаны между собой простыми дифференциаль­ ными зависимостями, которые часто используют при построении при­ боров, поскольку измерение одного из параметров позволяет найти другой с помощью дифференцирования или интегрирования, осуще­ ствляемых на любом этапе преобразования (в первичном преобразо­ вателе, измерительной цепи или указателе). При этом выбор структур­ ной схемы и элементов прибора определяется не столько параметром, подлежащим измерению, сколько диапазоном его изменения по ампли­ туде и частоте.

Диапазон скоростей, измеряемых электрическими средствами, ле­

жит в пределах от 10-7 до 1,2 Ю4 м/с, ускорений — от 10“ 6 до 6 х х 105 м/с2, частот вращательного движения — от долей оборота в ми­ нуту до 3 106 об/мин. Приборы для измерения скоростей и ускорений называются велосиметрами и акселерометрами, а Для измерения ви­ брационных перемещений — виброметрами.

Измерение параметров колебательного движения (вибраций) чаще всего осуществляют с помощью механической инерциальной системы и преобразователя, принимающего колебания этой системы и преобра­ зующего их в электрический сигнал. В качестве таких преобразовате­

образователи. Механическая инерциальная система не должна увели­ чивать массу и изменять собственную частоту колебаний объекта из­ мерения, чтобы не возникало значительных динамических погрешнос­ тей измерения.

Дифференциальное уравнение инерциальной системы (рис. 21.14) описывается уравнением

сРу . йу . сРх

т - & - + Р у - Щ - + ®У = - - З р - >

где т — инерционная масса; х — преобразуемое перемещение (вибра­ ция) объекта; у — перемещение инерциальной системы; ру — коэффи­ циент успокоения; до — удельный противодействующий момент упру­ гого элемента системы.

Из последнего уравнения можно определить! комплексный коэффициент преобразования

к ^ = 1 — цЛ - / • 20т) ; амплитудно-частотную характеристику

д (ъ\ _ ,_ _ _ _ _ _ _ _ т12