ЛЕКЦИЯ 7 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
1.Основные понятия и определения
2.Совершенствование конструкции горных машин требует проведения исследований на натурных образцах. При анализе результатов экспериментов, как правило, оценивают нагруженность основных элементов, т. е. степень приближения фактических нагрузок (напряжений, токов, температур и т. д.) к предельным значениям. Труднее всего определить прямым измерением фактические нагрузки, т. к. в горных машинах они могут составлять десятки тысяч килоньютонов. Замерить напрямую (динамометром) такие силы практически невозможно. В связи с этим измерения механических величин производят косвенным способом. Аналогичные проблемы возникают при прямом измерении относительно больших давлений, скоростей, ускорений и т. д.
Входная величина —механическая величина, воздействующая на преобразователь и трансформируемая последним в электрический сигнал.
Выходная величина — величина, получаемая на выходе прибора как результат преобразования, усиления и других трансформаций.
Чувствительность устройства — отношение изменения выходной величины к изменению входной величины к измерению входной величины . Ее размерность определяется размерностью входной и выходной величин.
Общая чувствительность прибора, состоящего из последовательного ряда блоков и преобразователей, зависит от чувствительности каждого из узлов и определяется произведением частных чувствительностей
.
Порог чувствительности — минимальное изменение входной величины, которое можно уверенно обнаружить с помощью данного преобразователя.
Предел преобразования — максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без искажений и без повреждения самого преобразователя.
Динамический диапазон измерения — диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений и простирается от максимальной (предельной) величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех.
Основная погрешность — максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами, определяемыми по статической характеристике для данной входной величины при нормальных условиях.
Нормальные условия — за нормальные условия принимается следующее состояние
окружающей среды: температура |
; атмосферное давление |
мм рт. ст., относительная влажность |
; вибрации, электрические и магнитные |
поля должны отсутствовать. |
|
Дополнительная погрешность — погрешность, вызываемая изменением внешних условий, представляет собой относительное изменение входной величины в
2. Резистивные преобразователи
К ним относятся контактные, реостатные, тензоэлектрические, тензолитовые и другие. Однако из всего многообразия наиболее распространены лишь первые три типа.
Контактными преобразователями называются такие преобразователи, у которых входная величина (например, механическое перемещение или ускорение) вызывает замыкание или размыкание контактов, управляющих электрической цепью.
Наиболее подходящими для контактов являются серебро, платина, вольфрам, сплавы платины с иридием и др.
Реостатным преобразователем называется реостат, движок которого перемещается в соответствии со значением измеряемой не эклектрической величины. Таким образом, естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, которое может быть линейным либо угловым. Выходной величиной реостатных преобразователей является активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону перемещения движка.
Конструктивно реостатные преобразователи выполняются в виде провода, намотанного на каркас, а также реохордного типа. Для изготовления реостатов обычно применяют константановую, нихромовую, а для работы в условиях высоких температур — фехралевую проволоки.
В особо ответственных случаях применяют проволоку из сплавов платины с иридием, палладием или рутением.
На рис. 1 приведен реостатный датчик для измерения линейных перемещений.
На рис. 2 приведен контактный преобразователь (концевой выключатель) - датчик фиксирующий положение наблюдаемого объекта.
На рис. 3 приведен датчик температуры – термостат.
Рис.1. Реостатный датчик для измерения перемещений
Рис.2. Концевой выключатель
Рис. 3. Термостат
Рис. 4. Проволочный реостат для измерения угла поворота
Тензорезисторы
Большое распространение в качестве преобразователей получили тензорезисторы, называемые также тензометрами сопротивления, или тензосопротивлениями.
В основе работы тензорезисторов лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенной к ним силы. Широкому применению тензорезисторов способствуют, в первую очередь, их малые размеры и вес, возможность измерения как статических, так и динамических деформаций и т. д.
В настоящее время имеют распространение проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.
В наиболее простом случае проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, концы которого (или весь отрезок) жестко закрепляются с помощью клея на упруго деформируемой детали. Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное растяжение или сжатие проволоки, в результате чего изменяются ее длина, поперечное сечение и удельное (1) сопротивление, что в конечном итоге приводит к изменению электрического сопротивления проволоки. Если в исходном состоянии электрическое сопротивление проволоки
где |
— удельное сопротивление материала проволоки; |
—начальная длина деформируемого участка проволоки;
—площадь сечения проволоки,
то при растяжении проволоки ее сопротивление изменится на величину |
(2) |
|
и |
||
составит |
. Относительное изменение сопротивления тензорезистора |
|
определяется соотношением |
|
|
Частное от деления относительного изменения сопротивления на относительное изменение длины
|
проводника в пределах упругой деформации характеризуется постоянной |
величиной |
(3) |
и получило название коэффициента тензочувствительности, который наряду с номинальным сопротивлением R и длиной решетки (базой) является основной характеристикой тензорезистора. Величина коэффициента тензочувствительности k зависит от свойств материала, из которого изготовлен тензорезистор, и технологии его изготовления.
Для изготовления проволочных тензорезисторов применяются материалы, имеющие высокий коэффициент тензочувствительности и малый температурный коэффициент сопротивления (ТКР) - константановая проволока диаметром 20—30 мкм.
Конструктивно проволочные тензосопротивления представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких петель (витков) проволоки, наклеенных на тонкую бумажную или лаковую (пленочную) основу.
также закрыта тонкой бумагой или пленкой (рис. 5). |
|
|
Для пленочной основы используются бакелитовый лак, клей БФ- |
|
2 и специальные композиции. Резисторы, изготовленные на |
|
пленке из клея БФ, работоспособны при температурах от -40 до |
|
+70 C, а на бакелитовом лаке — до 200 C. Для измерений при |
|
более высоких температурах используются |
|
высокотемпературные датчики, приклеиваемые на клеях В-58, |
Рис.5. Устройство |
ВН-15 (до 400 C ) или цементах Б-56, ВН-12 (до 800 C) и др. |
проволочного |
Обозначение тензорезистора: первая буква (П) указывает на то, |
тензорезистора |
что решетка выполнена из проволоки; материал тензорешетки |
представлен второй буквой (К—константан); третья буква
Рис. 6. Схема включения тензорезистора: а — потенциометрическая; б — мостовая
Вызванное деформацией изменение сопротивления тензорезисторов весьма мало и колеблется от единиц миллиОм до нескольких десятых долей Ома. Для измерения этих изменений используются в основном две схемы: потенциометрическая и мостовая (рис. 6). Потенциометрическая схема (см. рис. 6.а ) состоит из источника питания и последовательно соединенных резисторов и , из которых один или оба могут быть тензорезисторами. В последнем случае тензорезистор устанавливается на упругий элемент таким образом, чтобы его деформация имела обратный знак, чем у другого
тензорезистора . Для исключения на выходе схемы постоянной составляющей Тензорезистор, к которому приложено усилие, называется активным, а напряжения в схему включен конденсатор .
недеформируемый — пассивным.
Если на схеме (см. рис. 6. а) первый резистор является активным тензорезистором, изменяющим свою величину в результате деформации, то напряжение сигнала
(4)
где |
— коэффициент тензочувствительности; |
|
— относительная деформация. |
Величина напряжения сигнала для данного тензорезистора определяется напряжением источника питания и отношением между резисторами и в обычных условиях пропорциональна деформации. Максимальная величина ограничивается допустимым рабочим током тензорезисторов . В качестве примера определим с помощью тензорезистора 2ПКБ-20-200 величину сигнала при относительной деформации и напряжении батареи .
При |
балластное сопротивление |
|
(5) |
Изменение сопротивления |
при |
, составит |
Ом, тогда |
|
|
Соответственно чувствительность преобразователя
В случае, когда активными являются оба резистора и их изменения равны
,
В частном случае, |
когда а |
, |
(6)
(7)
и
(8)
(9)
юда максимальная величина сигнала
(10)
Более совершенной схемой для измерения изменений сопротивления (особенно медленно изменяющихся) является хорошо известная мостовая схема (см. рис. 6. б). Для исключения на выходе моста начальной постоянной составляющей последний должен быть уравновешен.
В тензометрии применяются как уравновешенные, так и неуравновешенные мосты (см. рис. 7). Преимуществами уравновешенного моста являются большая точность (ибо результат не зависит от случайного изменения чувствительности нуль-индикатора) и применимость при малых изменениях сопротивления тензорезистора; недостатком — пригодность практически только для статических или медленно изменяющихся процессов, когда за время балансировки моста процесс не изменяется.
Неуравновешенные мосты, в которых изменение сопротивления определяется по величине разбаланса, более универсальны и применимы для измерения как статических, так и динамических процессов.
Напряжение сигнала на выходе предварительно сбалансированного моста при одном активном тензорезисторе
(11)