5.8. Тахометрические датчики

5.8.1. Электродинамическая тахометрия

Промышленные датчики, предназначенные специально для измерения скорости и использующие электродинамический вид тахометрии, базируются на законе Фарадея

, (5.80)

где Ф – магнитный поток, пересекающий контур, описывается функцией

, (5.81)

x – переменная линейного или углового положения.

Всякое относительное перемещение между источником магнитного потока (индуктором) и контуром наводит в последнем э.д.с., амплитуда которой пропорциональна скорости перемещения, вследствие чего на выходе такого датчика формируется сигнал- э.д.с.

, (5.82)

5.8.2. Импульсная тахометрия

Когда исследуемое движущееся тело осуществляет периодическое движение, например, вращение, определение скорости его может быть заменено измерением частоты. В этом случае имеем дело с импульсным тахометром.

Пример оптического тахометра представлен на рисунке 5.20.

Оптический тахометр состоит из:

- источника света;

- оптического приемника – фотодиода или фототранзистора.

Вращающееся тело либо снабжают отражающими метками, расположенными по окружности, на которые направляется световой пучок, либо соединяют с диском, который располагается между источником и приемником света и имеет попеременно прозрачные и непрозрачные сектора.

Вид сигнала в приемном устройстве для этого случая приведен на рисунке 5.21. Фиксируя интервал между импульсами фотоприемном устройстве, легко определить скорость (частоту) вращения диска (тела).

5.8.3. Гирометры

К ним относятся приборы, устанавливаемые на движущихся объектах, для определения их угловой скорости движения.

В зависимости от природы используемого физического явления различают:

- механические гирометры, основанные на свойствах гироскопа;

- оптические на лазерах или волоконной оптике, использующие свойства распространения волн.

Пример. Механический гирометр – гироскопический измеритель скорости.

Схема такого измерителя скорости приведена на рисунке 5.22.

Гироскоп, входящий в состав гирометра, состоит из ротора, вмонтированного в кардановом подвесе, который вращается с большой скоростью Ω вокруг оси Y.

При наличии угловой скорости вращения тела вокруг оси Z ω появляется гироскопический момент M_г, пропорциональный этой скорости и направленной по оси X, перпендикулярной осям Z и Y. Модуль этого момента определяется как

, (5.83)

где I – момент инерции ротора; H – кинетический момент гироскопа.

Этот момент стремится повернуть подвес гироскопа (на угол α).

Момент уравновешивается моментом упругих сил, создаваемым пружиной. Этот момент пропорционален углу поворота подвесаα

, (5.84)

где k – коэффициент упругости пружины.

Таким образом, имеет место

.

Отсюда из соотношений (5.83) и (5.84) имеем

. (5.85)

Полученные выражения показывают, что угол отклонения подвеса пропорционален измеряемой угловой скоростии наоборот.

При помощи потенциометра угол преобразуется в пропорциональный электрический сигнал.

5.9. Датчики ускорения, вибрации и удара

5.9.1. Общие положения

В датчиках ускорения используются физические явления (фундаментальные законы механики), позволяющие получить на их основе соотношения между ускорением, силой и массой.

По условиям экспериментов имеют место различные диапазоны измеряемых ускорений (по амплитуде и диапазону частот):

- ускорения на относительно малых частотах с малыми значениями (действуют на движущиеся объекты – самолеты, ракеты, морские транспортные средства);

- вибрационные ускорения жестких конструкций или больших масс в диапазоне высоких частот;

- вибрационные ускорения средней величины в диапазоне высоких частот (действуют на легкие конструкции);

- удар, представляющий собой импульсные ускорения высоких уровней.

В общем случае вибрацию можно охарактеризовать (в дополнение к частоте):

- перемещением;

- скоростью;

-ускорением.

Наиболее подходящим датчиком для измерения вибраций и ударов часто является акселерометр.

Этому способствует ряд причин.

Однаиз них заключается в том, что измерение ускорения всегда позволяет определить скорость или перемещение путем однократного или двукратного интегрирования. При этом необходимо отметить, что обратная операция (дифференцирование) нежелательна из-за уменьшения соотношения сигнал/шум, присущего операции дифференцирования

Вторая причина – это то, что датчики ускорения являются измерительными приборами, которые осуществляют абсолютные измерения и не требуют какой-либо точки отсчета.