§ 11.2. Устройство струнных датчиков

Для обеспечения требуемой точности, чувствительности и надежно­сти струнных датчиков необходимо выбрать соответствующий мате­риал струны. Этот выбор определяется как условиями применения датчика, так и способом возбуждения колебаний струны. К матери­алу струны предъявляются следующие требования: высокая проч­ность при вибрационных нагрузках, определенное значение темпе­ратурного коэффициента линейного расширения (либо малое, либо равное этому же коэффициенту конструкционного материала датчи­ка), независимость упругих свойств от времени и температуры.

Возможно применение как ферромагнитных, так и неферромаг­нитных материалов струны. При использовании ферромагнитной струны применяются электромагнитные возбудители колебаний. Под действием тока, протекающего по обмотке неподвижного элек­тромагнита, к струне прикладывается сила притяжения, выводящая ее из состояния покоя. При использовании неферромагнитной струны применяются магнитоэлектрические возбудители колеба­ний. При пропускании через струну тока она испытывает силу при­тяжения (или отталкивания) к полюсам постоянного магнита.

Наибольшее распространение в струнных датчиках с электро­магнитным возбуждением получили стальные струны из круглой ро­яльной проволоки диаметром 0,1—0,3 мм. При длине в 40—60 мм в таких струнах возбуждаются колебания с частотой 700—2000 Гц. В последнее время используются более гибкие и поддающиеся бо­лее надежному креплению стальные ленты толщиной 0,08—0,1 мм и шириной 1—2 мм. Частота колебаний стальной ленты достигает 3 кГц и выше. Стальные струны и ленты работают в режиме задан­ной длины. В этом режиме струна крепится к относительно более массивному упругому первичному преобразователю, изготовленно­му также из стали. Одинаковый температурный коэффициент ли­нейного расширения материала струны и материала конструкции датчика позволяет уменьшить температурную погрешность.

В режиме заданной длины струна очень чувствительна к неста­бильности крепления, а при использовании неферромагнитных струн обычно требуется изолировать хотя бы один из концов стру­ны, что ухудшает механическую стабильность крепления. Поэтому неферромагнитные струны обычно используют в режиме заданной силы. В качестве материала применяют бериллиевую бронзу, воль­фрамовые сплавы, а также специальный железокобальтовый сплав. Струны из вольфрамовых сплавов бывают как круглыми, так и лен­точными. Другие материалы обычно используют в виде лент.

При выборе размеров струны исходят из следующих противоре­чивых требований. При малой длине уменьшаются габариты датчи­ков, повышаются чувствительность и виброустойчивость. Однако при этом увеличивается погрешность из-за несовершенства крепле­ния и влияния собственной жесткости струны. Для обеспечения ма­лой погрешности от собственной жесткости следует стремиться к выполнению условия l/d> 300-н500, где / — длина струны, d — диа­метр круглой или толщина ленточной струны. Обычно не рекомен­дуется выбирать длину струны / менее 20 мм. Сечение струны выби­рается по требуемому пределу изменения натяжения и целесообраз­ному механическому напряжению в струне. Например, для бронзы рекомендуется выбирать напряжение не более 0,5 % от модуля упругости.

Конструкция и материал крепления струны играют первосте­пенную роль для обеспечения стабильности струнного датчика. При малых механических напряжениях (до 200 Н/мм²) более хорошие результаты дают способы крепления, показанные на рис. 11.2. Крепление с помощью винта (рис. 11.2, а) приводит к значительно­му смятию струны и ухудшению стабильности. Более хорошие резу­льтаты дает крепление в щели (рис. 11.2, б). Ленточные струны за­крепляют между Двумя хорошо обработанными и подогнанными па­раллельными плоскостями (рис. 11.2, в). Таким же способом можно крепить и круглые струны. Для высокоточных датчиков применяют более сложные конструкции крепления струны. Для снятия механи­ческих напряжений при установке крепления используют темпера­турное старение в виде нескольких циклов нагрева до 80—100 °С (по 4—8 ч каждый).

С помощью струнных датчиков возможно автоматическое изме­рение силы, давления, перемещения, ускорения, температуры и других неэлектрических величин. На базе струнных датчиков созда­ны также цифровые электроизмерительные приборы постоянного и

переменного тока. Диапазон изменения выходного сигнала — час­тоты— составляет 300—500 Гц. Для исключения помех промышлен­ной частоты стремятся увеличить минимальное значение частоты. Высокая частота облегчает и преобразование ее в цифровой код. Например, для получения погрешности дискретности счета, не пре­вышающей 0,1 %, при частоте в 1000 Гц достаточно производить счет импульсов выходного сигнала датчика в течение 1 с. Наиболь­шее распространение получили струнные тензометры. Рассмотрим схему измерения с помощью струнного тензометра (рис. 11.3, а). В корпусе 1 закреплена струна 2, начальное натяжение которой мо­жет устанавливаться с помощью регулировочного винта 3. Колеба­ния струны возбуждаются с помощью электромагнита 4. Выходной сигнал приемника 5, в качестве которого используется, например, электромагнитный трансформаторный датчик, измеряется частото­мером. В струнных тензометрах применяются струны длиной 20—200 мм с начальным механическим напряжением 300—400 Н/мм² и максимальным до 800 Н/мм². С их помощью мо­жет быть обеспечена чувствительность измерения относительной деформации в 1 • 10~^б.

На рис. 11.3, б показаны диаграммы напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита 4, и напряжения, снимаемого с прием­ника 5 в режиме работы по запросу. Периодически посылаются сиг­налы запроса в виде одиночного импульса, а сигнал ответа имеет вид затухающих колебаний с частотой f, определяемой силой, при­ложенной к струне. Как следует из уравнения (11.1), эта зависи­мость имеет нелинейный характер. С помощью некоторых конст­руктивных мер можно уменьшить эту нелинейность. Но в датчиках с одной струной довольно трудно обеспечить нелинейность меньше чем 2—3 % от диапазона изменения частоты.

Для увеличения точности преобра­зования и повышения линейности испо­льзуют двухструнные дифференциаль­ные датчики. Преобразователь силы в частоту (рис. 11.4) состоит из двух струн 1 и 2, размещенных под малым углом друг к другу и натянутых с силой 2F₀, создаваемой пружиной 3.

Пружина 4 уравновешивает началь­ное натяжение F₀ в струне 2. Измеряе­мая сила F, приложенная к рычагу 5, пе­рераспределяет суммарную силу натяже­ния 2/о, увеличивая натяжение F₂ струны 2 и уменьшая натяжение F_] стру­ны 1. Под струнами 1 и 2 расположены возбудители колебаний 6 и 7 и приемники колебаний 8 и 9. Прием­ники подключены на вход усилителей 10 и 11, а возбудители — на выход этих усилителей. Напряжения с усилителей 10 и 11 с частота­ми соответственно/, и^ поступают на смеситель 12 и фильтр 13, на выходе которого получается сигнал разностной частоты &f=f₂-f_}. Для уменьшения нелинейности струна, работающая на укорочение, выбирается несколько большей длины.

Контрольные вопросы