5.2.6. Струнные датчики давления

Датчики в которых в качестве чувствительного элемента применяется электромеханический струнный преобразователь называются струнными (рис.5.6.). Струна одним концом жестко заделана в основание, а другой её конец растягивается измеряемой силой Р. Частота собственных поперечных колебаний струны связана с силой натяжения зависимостью:

, где m и l – масса и длина струны.

Вблизи струны размещен электромагнитный приемник, сигнал которого подводится к усилителю обратной связи. Последний формирует выходной сигнал и, кроме того, запитывает возбудитель колебаний струны.

Рис.5.6. Принципиальная схема струнных датчиков давления

Возбудители бывают электромагнитные, магнитоэлектрические, электростатические и применяются для стимулирования колебаний струны (рис.5.7). Контур, содержащий электромагнитный приемник и усилитель обратной связи, обеспечивает поддержание колебаний постоянной амплитуды. Любые изменения нагрузки на струну будут изменять её натяжение и, следовательно, собственную частоту. Поэтому частота сигналов на выходе усилителя однозначно связана с измеряемым усилием.

Рис.5.7. Виды возбудителей колебаний струны

а– электромагнитный;б– магнитоэлектрический;в– электростатический.

Измеряемое давление конвертируется в силу с помощью упругого элемента. Преобразователь силы состоит из вибрирующей струны, расположенной между полюсами постоянного магнита. Струна входит в состав электрической автогенераторной схемы, поддерживающей её незатухающие поперечные колебания на резонансной частоте. Схема генератора содержит усилитель, охваченный широкополосной отрицательной и узкополосной положительной обратными связями. Центральная частота узкополосного тракта устанавливается равной средней частоте колебаний струны в требуемом рабочем диапазоне. Выходная амплитуда регулируется изменением петлевого коэффициента усиления всей системы с помощью полевого транзистора. Эта схема должна обеспечивать генерирование переменного выходного сигнала на частоте, равной резонансной частоте струны:

. (5.11)

Датчики давления со струнными преобразователями имеют нелинейность характеристики менее 0.1%, порог чувствительности 0.05% от измеряемого давления, температурную погрешность не более 0.1% на 10ºС . Струнный метод измерений рекомендуется для измерений динамических процессов с частотой колебаний 100 – 150 Гц. Отсутствие зависимости частоты от модуля продольной упругости материала снижает температурную погрешность датчика давления и повышает его метрологические характеристики. Механические напряжения в струне должны быть в пределах 2 – 6 МПа . При значениях менее 1.5 МПа колебания струны становятся несинусоидальными.

Для температурной компенсации необходимо изготовлять все детали электромеханической системы преобразователя (струну, мембрану, корпус, зажимы и т. д.) из материалов с равным коэффициентом линейного расширения. Частоты колебаний струны в датчиках лежат в пределах 400 – 10 000 Гц . Возможность использования струн малого диаметра (0.01 – 0.02 мм) определяет возможность разработки миниатюрных струнных датчиков.