Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Приведенное выше описание очень упрощено, поскольку атомное
ядро не закреплено жестко в кристаллической решетке, а участвует в
ее колебаниях. Долю квантов f, испускаемых в мессбауэровской
линии без отдачи, обычно называют фактором Дебая — Валлера, а
иногда — множителем Лэмба — Мессбауэра. Величина f зависит от
энергии γ-квантов, дебаевской температуры кристалла и абсолютной
температуры, при которой происходит измерение. Чем ниже энергия γ
- квантов, тем выше величина f. Поэтому при мессбауэровских
измерениях используют изотопы, которые испускают γ-кванты в
области энергий ниже 50 кэВ, хотя существуют многочисленные
изотопы с энергиями до 150 кэВ, которые испускают в
соответствующих кристаллах мессбауэровские линии. Изучение узких
линий проводят с помощью метода ядерного гамма-резонанса,
который принято называть мессбауэровской спектроскопией. На рис.
31 п
оказана типичная схема экспериментальной установки.
Испускаемые радиоактивным источником γ-кванты проходят через
изучаемый поглотитель, а количество прошедших квантов
регистрируется детектором. В других вариантах метода измеряется
число поглощенных квантов, которые регистрируются по
флуоресцентному излучению или характеристическому
рентгеновскому излучению.
Рисунок 84 - Схема мессбауэровского эксперимента
Линия γ-лучей источника накладывается на линию
поглотителя. Разделить их можно с помощью эффекта Доплера,
поэтому источник γ - к
вантов перемещают. Характерные скорости,
соответствующие смещению порядка естественной ширины линии,
лежат в интервале от 1 мм/с до 1 см/с. Обычно измеряют зависимость
скорости счета детектора от скорости перемещения источника. Эти
211
зависимости и называют мессбауэровскими спектрами.
Мессбауэровская спектроскопия в настоящее время является одним из
наиболее точным из всех физических методов измерений.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Электроизмерительные аналоговые шкальные приборы
подразделяют по принципу действия и по типу индикаторных устройств
(рис. 85).
Рисунок 85 - Классификация электроизмерительных аналоговых
приборов
Стрелочные приборы во всех вариантах в качестве аналогового
сигнала имеют угол поворота стрелки индикатора. Прибор преобразует
электрическую величину в угол поворота, который и измеряется.
Электронно-лучевые приборы хорошо известны в измерительной
практике как выходные каскады осциллографов, электроннооптических преобразователей. Многие электроизмерительные
приборы в качестве выходного устройства имеют компьютер с экраном
монитора на выходе. Приборы с компьютерным выходом также можно
отнести к электронно-лучевым приборам, хотя в большинстве своем
такие приборы уже являются не аналоговыми, а цифровыми,
поскольку использование компьютера предполагает наличие
аналогово-цифрового преобразователя между датчиком и
индикаторным устройством.
212
Электрические газоразрядные индикаторные устройства
также как и светодиодные индикаторы, являются как бы
промежуточными между стрелочными аналоговыми приборами и
цифровыми.
Электромеханические приборы подразделяют по принципу
действия. Наиболее распространенный тип электромагнитного
прибора - магнитоэлектрический. Принцип действия такого
устройства показан на рис. 86.
Рисунок 86 - Магнитоэлектрический первичный преобразователь
Измеряемый ток протекает по катушке, расположенной между
полюсами постоянного магнита. Аналоговый сигнал такого устройства,
угол поворота катушки, определяется простым соотношением:
SWB⋅⋅⋅
=α ,
I
k
где В — магнитная индукция; W - число витков катушки; S - площадь
контура катушки; k - жесткость пружины и I - сила тока через катушку.
Магнитоэлектрические приборы позволяют проводить измерения тока
очень высокой точностью. В оптических приборах такой же принцип
используется в поворотных механизмах для точной установки углов в
приборах с дифракционными решетками.
В электромагнитных первичных преобразователях
магнитное поле создается в катушке, через которую пропускается
213
измеряемый ток. В зависимости от силы тока измеряется сила,
втягивающая внутрь катушки постоянный магнит, соединенный с
индикаторной стрелой (рис. 87).
Рисунок 87 - Электромагнитный первичный преобразователь
Угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы тока и
дается формулой:
1
=α ,
2
I
⋅
ddLk2
α
где L - индуктивность катушки; k — жесткость пружины; I - сила тока
через электромагнит Электромагнитные приборы уступают
магнитоэлектрическим в чувствительности, но оказываются
предпочтительнее последних в измерении больших токов или в тех
случаях, когда необходимо работать с прибором, имеющим большое
входное сопротивление.
В электродинамических первичных преобразователях
используется взаимодействие катушек с током (рис.88).
214
Рисунок 88 - Электродинамический первичный преобразователь
Зависимость угла поворота подвижной катушки относительно
неподвижной дается выражением:
dM
12
⋅=α ,
k1α
II
21
d
где М12 - взаимная индуктивность катушек, k - жесткость пружины; I1 12
- токи через катушки. Электродинамическим первичным
преобразователем можно измерять ток или мощность.
Электродинамические чувствительные элементы. При
изменении магнитного потока, пронизывающего обмотку, в последней
индуцируется напряжение, пропорциональное числу витков N и
изменению магнитного потока dФ/dt. При постоянной плотности
потока В и длине проводов обмотки l напряжение пропорционально
скорости v их взаимного перемещения. Так как имеет значение лишь
относительное (по отношению к обмотке) изменение потока, то
безразлично, изменяется ли магнитный поток при неподвижной
обмотке или, наоборот, обмотка перемещается в постоянном
магнитном поле. В зависимости от конструкции различают
преобразователи с вращающейся катушкой или с вращающимся
магнитным полем. Выходное напряжение чувствительного элемента с
вращающейся катушкой, пропорциональное скорости ее
перемещения, может быть преобразовано в величину,
пропорциональную ее перемещению или ускорению, путем
электрического дифференцирования или интегрирования. Значение
индуцируемого напряжения определяется согласно закону магнитной
индукции:
215
dt
dФ
U = N
,
где Ф — магнитный поток; N — число витков обмотки; U — напряжение в обмотке. При постоянном магнитном потоке, направленном перпендикулярно плоскости обмотки, индуцируемое напряжение и = NBlvx, где l — длина обмотки.
Электродинамические чувствительные элементы применяют
также для генерации импульсов. В этом случае вращающийся
зубчатый ротор, набранный из стальных пластин, импульсно
модулирующий магнитный поток, устанавливают и воздушном зазоре
постоянного магнита. Электродинамический метод применим для
измерения не только линейных, но и угловых скоростей. Подобные
тахометрические генераторы создают напряжение, пропорциональное
частоте вращения ротора. Вследствие трудностей, связанных с
необходимостью использования коллектора и износом щеток, часто
применяют тахогенераторы переменного напряжения с последующим
его выпрямлением.
Характеристика электродинамических чувствительных
элементов. Входная величина: скорость. Выходная величина:
напряжение. Частотный диапазон: 0—103 Г
ц (преобразователь с
подвижной обмоткой); 0—102 Гц (генератор постоянного тока).
Преимущества: малые погрешности (преобразователь с подвижной
обмоткой); возможность индикации направления вращения
(тахогенератор постоянного тока).
Недостатки тахогенератора с подвижной обмоткой: ограниченное
перемещение, наличие подвижных токоподводов, необходимость
применения тяжелых постоянных магнитов. Недостатки
тахогенераторов постоянного тока: наличие помех, вызываемых
износом контактных колец. Несмотря на указанный недостаток,
генераторы постоянного тока находят широкое применение в качестве
первичных преобразователей частоты вращения.
Резистивные чувствительные элементы. Омическое
сопротивление проводника, обладающего длиной I, п
лощадью
сечения q и удельным сопротивлением материала ρ, определяется по
известной формуле R =
ρ
l/q. Изменение сопротивления может быть
вызвано изменением удельного сопротивления, длины или площади
216
сечения проводника. Все три возможности используют в
конструкциях чувствительных элементов.
Реостатные датчики Простейшим способом изменения
сопротивления резистора за счет изменения длины является
перемещение отвода (скользящего контакта). Реостатные датчики
(потенциометры) выполняются с продольным или круговым
перемещением. При приложении к ползунку усилия или крутящего
момента его продольное или угловое перемещение преобразуется в
изменение сопротивления и далее в изменение снимаемого с реостата
напряжения или протекающего тока. Линейная зависимость между
перемещением ползунка и напряжением, снимаемым с датчика при
включении его по схеме делителя приложенного напряжения,
обеспечивается только при достаточно высокоомных измерителях
напряжения.
Поэтому в основном пользуются компенсационными методами
измерения. Часто применяют измерительные потенциометры,
изменение сопротивления которых связано нелинейной зависимостью
с перемещением ползунка. Эти функциональные потенциометры
могут иметь квадратичную, синусоидальную или другую,
отвечающую специальным требованиям, характеристику. Для обеспечения минимальной обратной реакции необходимые для
перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны,
что успешно достигается в прецизионных потенциометрах. Большое
значение имеет разрешающая способность чувствительного элемента,
определяемая изменением сопротивления между двумя соседними
витками обмотки.
Характеристики реостатных датчиков. Входная величина:
линейное или угловое перемещение. Выходная величина: изменение
сопротивления. Диапазон измерения: линейный до 60 мм, угловой до
. Погрешность от нелинейности характеристики: 0,1—0,3 %.
355°
Динамические характеристики (частотный диапазон): зависят от
параметров механических преобразователей, включенных перед
потенциометром; при линейных и угловых измерениях до 5 и до 1000
Гц соответственно.
217
Преимущества: малые погрешности нелинейности; высокое
разрешение; применимость в вычислительных устройствах.
Недостатки: истирание обмотки и ползунка; нарушение контакта.
Тензорезисторы. При растяжении или сжатии проводника
изменяются его длина, площадь сечения и удельное сопротивление, т.
е. из трех величин, определяющих значение сопротивления, ни одна
не остается постоянной. Указанные изменения зависят от направления
приложенной силы и в пределах упругости пропорциональны ей. В
ненагруженном состоянии сопротивление R проводника, имеющего
длину l, определяется его сечением q и удельным сопротивлением ρ.
lρ
R =
При растяжении проводника его длина становится равной l (
q
1
+ ∆l/l). а сечение q (1 - 2µ∆l/l), где µ — коэффициент Пуассона,
определяющий отношение поперечного сжатия к растяжению ∆l/l (для
большинства металлов µ = 0,3). Изменяется также и удельное
сопротивление. Если обозначить относительное изменение удельного
сопротивления ∆ρ/ρ через τ и относительное изменение растяжения
∆l/l через ε, то сопротивление растянутой проволоки определяется
зависимостью.
)1()1(l
µε
τ+ρε+
)2 - (1 q
/
R
=
Обозначаемая коэффициентом k крутизна характеристики
чувствительного элемента (тензочуветвительность) равна
k = l/ε = 1 + 2µ + τ/ε
При использовании проволоки из константана влияние
изменений объема и проводимости суммируется и коэффициент
становится равным 2. Этот сплав наилучшим образом подходит для
изготовления тензорезисторов: температурный коэффициент
сопротивления мал, а температурный коэффициент удлинения обычно
совпадает с коэффициентом удлинения исследуемых материалов.
Возникающая при контакте с медью термо - э. д. с. искажает
результаты только при измерениях, проводимых на постоянном токе,
и при больших перепадах температур. Для обеспечения достаточных
для измерения изменений сопротивления чувствительный элемент
изготовляют из тонкой проволоки, наклеиваемой в виде петель с
218
параллельными нитями на подложку из пропитанной бумаги или
искусственных смол. Чувствительный элемент можно также
изготовить способом фотохимического травления покрытой тонким
слоем металла изоляционной пластинки.
Такие тензорезисторы называют фольговыми в отличие от
проволочных.
Рисунок 89 - Проволочный тензометрический элемент
(тензорезистор): 1 - подложка; 2- измерительная проволока;
3 - соединительные провода
В последнее время для изготовления тензочувствительных
элементов стали применять полупроводниковые материалы, в которых
под нагрузкой наряду с изменением геометрических размеров
значительно изменяется удельное сопротивление, вследствие чего
тензочувствительность k д
остигает 180 и более. На рис. 89 приведена
конструкция широко применяемого в настоящее время проволочного
тензорезистора. Диаметр проволоки 20—30 мкм, что обеспечивает
большое сопротивление и достаточную эластичность, позволяющую
проволоке следовать за деформацией испытуемого материала.
В качестве подложки используют бумагу с полимерным
покрытием, в котором утоплены присоединительные провода и
измерительная проволока. В качестве примера - кремниевый
полупроводниковый тензорезистор. Сопротивление содержащейся в
нем кремниевой полоски приблизительно равно стандартным
сопротивлениям проволочных тензочувствительных элементов. Чтобы
обеспечить достаточную эластичность полоски, ее изготовляют
толщиной 10—20 мкм травлением предварительно отполированной
заготовки (при этом улучшаются ее механические свойства).
Недостатком полупроводниковых тензорезисторов является
большая зависимость коэффициента k от т
емпературы. Исследования
механических напряжений обычно проводят в пределах упругости,
поэтому изменения сопротивлений весьма малы; максимальное
219
удлинение едва достигает 0,001. При k = 2 сопротивление
тензочувствительного элемента увеличивается не более чем на 1/500
своего первоначального значения.
Основной причиной возникновения погрешностей является
изменение температуры. Изменение сопротивления тензорезистора S
зависит от удлинения контролируемого материала и от
температурного коэффициента сопротивления материала
тензорезистора. Удлинение контролируемого материала в свою очередь происходит, во-первых, под действием механической нагрузки,
во-вторых, под влиянием температуры. Измерению подлежит первая
из названных составляющих. Влияние температурного удлинения
исследуемого материала может быть уменьшено путем подбора для
изготовления тензорезисторов материала, обладающего близким
коэффициентом температурного расширения. При использовании
тензочувствительных элементов следует иметь в виду, что
измеряемые усилия весьма велики — порядка 10 Н.
Характеристика тензорезисторов Входная величина:
перемещение. Выходная величина: изменение сопротивления.
Диапазон измерения: 5 мкм (механическое растяжение или сжатие
упругого элемента). Погрешность нелинейности: 0,05 %. Частотный
диапазон: 0—10 Гц.
Достоинства: малая погрешность, универсальность применения,
невысокая стоимость, вибростойкость.
Недостатки: крайне низкая чувствительность, необходимость.
больших нагрузок, чувствительность к изменениям влажности и
температуры, необходимость тщательного приклеивания.
Электростатические первичные преобразователи
Пьезоэлектрические чувствительные элементы Принцип действия
пьезоэлектрических чувствительных элементов основан на
использовании свойств некоторых кристаллов образовывать на своих
гранях электростатические заряды под действием упругих
деформаций.
220
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]