Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения и приборы. Часть I. Учебное пособие
.pdf
51
V
x
~
1 2
x
~ U
вх
U
вых
= f (x)
~U
вх
U
вых
= f(x)
x
П
е
р
в
и
ч
н
а
я
к
а
т
у
ш
к
а
В
т
о
р
и
ч
н
а
я
к
а
т
у
ш
к
а
2
В
т
о
р
и
ч
н
а
я
к
а
т
у
ш
к
а
1
Рис. 2.22. Индуктивный преобразователь транс-
форматорного типа с изменяющимся зазором:
1 – первичная катушка; 2 – вторичная катушка
а
Рис. 2.23. Дифференциальный индуктивный преобразователь:
а – трансформаторного типа с изменяющимся зазором;
б
б – соленоидного типа
52
По аналогичным схемам могут быть построены преобразователи
F
F
Z = f ( F )
Z = f ( F )
Z = f ( F )
F
F
U
вых
= f(F)
~U
вх
для измерения угловых перемещений.
Достоинства индуктивных преобразователей: конструктивная простота, высокая чувствительность, отсутствие износа.
Недостатки: нелинейность характеристики, инерционность, чувствительность к внешним магнитным полям, увеличенные размеры и вес,
значительное измерительное усилие.
Магнитоупругие преобразователи. Принцип их работы основан на
изменении магнитной проницаемости сердечника (μ) под действием
механической силы – магнитоупругий эффект, когда появляется дополнительное магнитное взаимодействие атомов вследствие искажения атомной решетки кристалла от воздействия механических усилий.
Магнитоупругие преобразователи подразделяются:
а) на дроссельные (рис. 2.24). Меняется электрическое сопротивление катушки Z;
б) трансформаторные. Меняется выходное напряжение.
В этих преобразователях используется эффект изменения магнитной проницаемости сердечника в одном направлении.
F Rm Z
а
б
F Rm U
Рис. 2.24. Магнитоупругие преобразователи:
вых
53
а – дроссельный; б – трансформаторный
U
вх
F
F
Uвх= f(F)
а
б
В последнее время применяют магнитоупругие преобразователи, в
которых магнитная проницаемость μ изменяется в двух взаимноперпендикулярных направлениях. На рис. 2.25 показан такой преобразователь.
Рис. 2.25. Магнитоупругий преобразователь с двумя обмотками:
а – ненагруженный; б – нагруженный
В пластинах из ферромагнитного материала (чаще железоникелевого сплава – 80 % никеля) выполняют четыре симметрично расположенных отверстия. В них размещают две пересекающихся обмотки,
одна из которых включена в цепь питания, другая – в цепь измерения.
При нагружении преобразователя ранее симметричное магнитное поле
искажается и в измерительной обмотке возбуждается напряжение,
пропорциональное нагружению.
В некоторых сплавах механическое напряжение 100 н/мм2 изменяет магнитную проницаемость на 40 %.
Недостатки: влияние температуры; магнитоупругий гистерезис;
нелинейность характеристики.
Достоинства: простота конструкции; большая мощность выходного сигнала (до 10 В), погрешность 1–4 %. Диапазон измерения
100 н…50 Мн.
Применяется в тяжелой промышленности, например в прокатных
станах.
Такие магнитоупругие преобразователи можно устанавливать параллельно или последовательно (рис. 2.26). В первом случае увеличивается диапазон измерения, во втором – чувствительность.
54
F
F
а б
ES
C
d
d
S
Рис. 2.27. Конденсатор
Рис. 2.26. Установка магнитоупругих преобразователей:
а – параллельно; б – последовательно
3. Емкостные преобразователи
Емкость плоского конденсатора (рис. 2.27)
где Е – диэлектрическая постоянная, Е = 8,8542·10
,
–12
А·с/В·м; ε – отно-
сительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами
конденсатора; S – площадь пластин; d – расстояние между пластинами.
Изменять емкость можно изменением S, d и ε. Преобразователи с
изменяющимися геометрическими размерами (S и d) служат для измерения перемещений.
Конденсатор с изменяющимся зазором представлен на рис. 2.28.
Как видно из формулы емкости пло-
ского конденсатора, зависимость емкости
от расстояния между пластинами (зазора)
имеет нелинейный (гиперболический) характер (рис. 2.28, б).
В этих преобразователях только при
малых относительных изменениях зазора
d/d зависимость между C и d практически линейна. Так, при d/d = 0,1 нелинейность 10 %, а при d/d = 0,01 – около
1 %.
Для обеспечения большей линейности и
чувствительности применяют дифференциальный преобразователь с включением
55
d
C
x
а б
x
x
l
b
Рис. 2.29. Дифференциаль-
ная схема включения двух
конденсаторов
Рис. 2.30. Емкостной преобразователь
с изменяющейся площадью
Рис. 2.28. Емкостной преобразователь с изменяющимся
зазором и зависимость его емкости от расстояния между
пластинами
его емкостей в соседние плечи измерительного моста (рис. 2.29). Тогда
при d/d = 0,1 нелинейность составляет около 1 %. Диапазон измерения до 1 мм.
Конденсатор с изменяющейся площадью представлен на рис. 2.30.
Поскольку площадь взаимного перекрытия S = lb, емкость конденсатора линейно зависит от l и характеристика линейна. Такой датчик тоже может быть дифференциальным.
Использование пластин различной формы позволяет получить
квадратичные, логарифмические и другие характеристики. Конденсаторы из круглых поворотных пластин применяют для угла поворота.
56
Конденсатор с изменяемой диэлектрической проницаемостью
12
12
.
dd
C
Рис. 2.31. Емкостной преобразо-
ватель с изменяющейся диэлект рической проницаемостью
представлен на рис. 2.31. Такие преобразователи основаны на измерении изменения диэлектрической проницаемости , которая различна у
различных материалов. Применяют для измерения уровня при изменяющемся заполнении зазора (рис. 2.31) или для определения состава
вещества (при полном заполнении зазора контролируемой средой).
Они представляют собой как бы
два параллельно соединенных конденсатора,
и тогда С = С1 + С2.
Если повернуть конденсатор,
представленный на рис. 2.31, на 90 ,
то получится двухслойный диэлектрик. Жидкость имеет значительно
большую диэлектрическую проницаемость, чем воздух. И схема пред-
ставляет из себя как бы два последовательно включенных конденсатора.
При полностью заполненном конденсаторе можно определить влагосодержание различных изоляционных материалов или содержание
воздуха в пенопластах и им подобных, а также толщину электроизоляционных материалов (пленок, тканей, лаковых покрытий).
Достоинства емкостных преобразователей: высокая чувствительность, простота конструкции, малая инерционность.
Недостатки: большое внутреннее сопротивление и поэтому требуется питание высокочастотным током; чувствительность к электрическим помехам и изменениям окружающей среды; необходимость применения коротких подводящих проводов.
57
Электроконтактные преобразователи
Рис. 2.32. Геркон
В электроконтактных измерительных преобразователях коммутируется электрическая цепь под действием изменяющейся физической
величины. Они являются дискретными (вкл./выкл.). Электрические
контакты приводятся в замкнутое или разомкнутое состояние.
Электроконтактные преобразователи применяются как в первичном преобразовании (перемещение – электрический сигнал), так и во
вторичном преобразовании (давление или температура – перемещение – электрический сигнал).
Используются для контроля (электроконтактные датчики), в системах управления (путевые переключатели или датчики положения),
в диагностике (реле давления, температуры и других физических величин).
Примером датчика положения может служить геркон (герметичный
контакт), в котором контакты расположены в запаянном стеклянном
баллоне, заполненном инертным газом (чистым
азотом или азотом с небольшой добавкой водорода) для предохранения их от окисления и загрязнения. Для улучшения контактирования
поверхности касания (контакты) покрываются
тонким слоем (2…50 мкм) золота, родия, палладия, серебра и др. Контакты в герконе управляются магнитным полем (рис. 2.32).
На перемещающейся со скоростью v детали 5 устройства устанавливается постоянный магнит N–S. При подходе к геркону 3 поток Ф от
постоянного магнита замыкается через ферромагнитные пластины 1 и
4, в результате чего замыкаются контакты 2 геркона за счет магнитного притяжения.
Когда постоянный магнит отходит, магнитный поток исчезает и
контакты 2 расходятся под действием упругих сил контактных пластин
1 и 4.
Герконы обладают следующими преимуществами:
1) герметичность, позволяющая их использовать в условиях повы-
шенной влажности, запыленности, пожаро- и взрывоопасности и т. п.,
при низком переходном сопротивлении в замкнутом положении
(0,01...0,001 Ом) и малом падении напряжения на контактах;
2) простота конструкции, малые масса и габариты, что позволяет
автоматизировать их производство и снизить стоимость изготовления;
58
3) высокое быстродействие (время срабатывания и отпускания
1...3 мс), что позволяет использовать герконы при частоте коммутаций
до 1000 в секунду;
4) надежность работы в широком диапазоне температур (от –60 до
+120 °С);
5) удобство согласования с современными изделиями микроэлек-
троники.
Недостатки герконов:
1) сравнительно низкая чувствительность по магнитному полю
управления;
2) восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует спе-
циальных мер по защите от их воздействия;
3) хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и
вибрациям, что требует специальных мер по амортизации места установки герконов;
4) значительное время вибрации («дребезга») контактов (до 0,25 мс
при общем времени срабатывания 0,5...1 мс), которое может составлять до половины времени срабатывания;
5) малая мощность коммутируемых цепей;
6) возможность самопроизвольного размыкания контактов при
больших токах.
2.2.4. Преобразователи с оптическим
выходным сигналом
Оптический метод измерения получил широкое применение. У него есть два достоинства: быстродействие и бесконтактное измерение.
Чаще этот метод применяется в универсальных измерительных приборах: микроскопах, проекторах, автоколлиматорах. В автоматизированном производстве широко применяется метод «отбрасывания тени» с
оптоэлектронными преобразованиями на основе плоскостных фотодиодов и фотодиодных матриц. В 1970-е годы с появлением оптических волокон интенсивно развиваются измерительные средства на основе волоконно-оптических преобразователей.
Волоконно-оптические преобразователи
В них используется чувствительность оптического волокна к электрическим и магнитным полям, вибрации, температуре, давлению, деформации (изгибу). Передаваемый преобразователем свет претерпева-
59
ет изменения по интенсивности (за счет потерь), поляризации, фазе и
а б в
цвету. В волоконно-оптических линиях передачи сигналов такие изменения являются недостатком, в датчиках же – положительным эффектом, который и стараются развить.
На рис. 2.33 показано оптическое волокно. Сердечник является
световедущей частью. Коэффициент преломления его чуть выше, чем
у оболочки (относительная разность до 1 %). Поэтому свет, введенный
в сердечник с торца волокна, полностью отражается от границы сердечника и оболочки, как бы запирается в сердечнике и распространяется только в нем, многократно испытывая полное отражение.
Рис. 2.33. Оптическое волокно:
а – одномодовое; б – многомодовое; в – с дополнительным покрытием
и амортизирующим слоем
Оптическое волокно (световод) бывает двух типов: одномодовое, в
котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое – с передачей
множества (около сотни) мод (рис. 2.33). Модой называется распределение электромагнитного поля света вдоль вертикальной оси световода
в виде стоячей волны, многократно повторяющейся вдоль горизонтальной оси с периодом, зависящим от длины волны. Конструктивно
одномодовые и многомодовые оптические волокна различаются только диаметром сердечника: у первых он не превышает 10 мкм, у вторых – около 50 мкм.
Конструкция волоконного кабеля диаметром 0,9 мм, представленная на рис. 2.33, в, созданная на основе данных световодов (поз. 3, 4,
5), включает второе покрытие 1 из нейлона и амортизирующий слой 2.
60
Одномодовые волокна обладают меньшей дисперсией и высокой
а
б
скоростью передачи сигналов, но соединение их друг с другом вызывает значительное затруднение. В датчиках используется изменение
поляризации и фазы.
Многомодовые волокна легче соединяются. Но поскольку скорость
света для каждой моды различна, при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). Основное
применение они находят в преобразователях для измерения физических величин, при которых изменяется интенсивность света (при изгибе) или поглощаемость (уровень жидкости).
Рис. 2.34. Одномодовое (а) и двухмодовое (б) волокна
Зависимость выходного параметра от какой-то физической величины может быть положительным эффектом или помехой. Например, достаточно высокая чувствительность к давлению наблюдается у волокна с
пластмассовым покрытием. Это положительный эффект в датчиках давления. При измерении не давления, а другой физической величины, например температуры, она является помехой. Уменьшить чувствительность к давлению можно нанесением никелевого покрытия.
Чувствительность различных волокон к разным физическим величинам определяется исследованиями.
Материалы:
– кварцевое волокно;
– многокомпонентное стекло на основе окислов кремния с включением окислов Na, Ge, Li, Mg и др.; по сравнению с кварцем имеет
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]