4.2. Датчики динамических величин

К датчикам динамических величин (ДДВ) относятся информационные устройства, преобразующие изменение динамических факторов (силы, ускорения и давления) в изменение электрического сигнала.

Датчики этого типа весьма распространены в различных системах контроля и диагностики. Практически нет такой области техники, где в процессе измерения не использовались бы методы пре­образования динамических параметров. Характерными задачами являются контроль параметров натяжения всевозможных лент и полос в бумажной промышленности и металлургии, измерение сил на валках клетей прокатных станов, предохранение от перегрузок в подъемных механизмах и транспортных средствах, наконец, контроль весовых и инерционных характеристик различных объектов. Использование ДДВ в системах управления и робототехнике позволяет регулировать момент на валу привода или ускорение выходного вала и реализовывать сложные законы управления звеньями исполнительного механизма.

ДДВ классифицируются по четырем основным признакам:

1. По назначению: датчики систем управления (к ним относятся измерители момента/силы на валу, давления в магистрали и акселерометры) и датчики контроля (в основном контроля технологических параметров и параметров безопасности).

2. По физическому принципу преобразования: пьезоэлектрические, магнитоупругие, тензометрические (омические), электродинамические, емкостные и индуктивные.

3. По способу создания противодействующей силы: датчики совмещенного преобразования (содержат электрически активный упругий преобразователь, реакция которого создается упруго-чув­ствительным элемен­том), датчики раздельного преобразования (включают электрически неактивный упругий преобразователь) и датчики с силовым уравновешиванием (си­ла реакция создается электрическими способами).

4. По виду выходной величины: генераторные («активные», выходной сиг­нал имеет форму заряда, напряжения или тока) и параметрические («пассивные», с выходным сигналом в виде изменения сопротивления, индуктивности и емкости).

Придерживаясь указанной классификации, рассмотрим способы построении ДДВ, основанных на наиболее известных принципах преобразования: пьезоэлектрических, магнитоупругих, емкостных и индуктивных.

4.2.1. Пьезоэлектрические датчики

Пьезоэлектрические датчики динамиче­ских величин (ПДДВ) представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу ПДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Ка­ждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамиче­ской пла­стины и является генераторным упруго-чув­ст­вительным преобразователем, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому, при построении измерительных цепей широко применяются схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении (рис. 4.9а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается соответственно числу ЧЭ, а при параллельном (рис. 4.9б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость. Такая схема подобна зарядовой батарее. В электрическом смысле пьезоэлемент подобен конденсатору, и, следовательно, он измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, применением специальных схем (зарядовых усилителей и др.) можно существенно снизить граничные частоты (до 10^-3 Гц) и повысить тем самым постоянную времени до нескольких часов. Измерения в этом случае получили название квазистатических. Таким образом, функция преобразования ПДДВ примет вид: F = k i = k dQ/dt. В простых расчетах полагают F  kU, где F - измеряемый параметр (например, сила), i и Q - ток через пьезоэлемент и его заряд.

Обратимый характер пьезоэффекта позволяет конструировать не только электромеханические и механоэлектрические ПДДП, но и преобразователи, использующие оба типа пьезоэффекта. Так, ПДДВпрямого пьезоэффекта применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения; ПДДВ обратного пьезоэффекта, используются в качестве излучателей ульт­развуковых колебаний, преобразовате­лей напряжения в дефор­ма­цию (в пье­зо­элек­три­ческих реле, исполнительных эле­мен­тах автоматических систем и т.д.). ПДДВ, основанные одновременно на прямом и обратном пьезоэффекте (к ним относятся пьезорезонаторы, коэффициент преобразования которых мак­симален на резонансной частоте) применя­ются в качестве узкополос­ных и резонансных фильтров.

В большинстве случаев при пост­ро­ении ПДДВ используется несколько ЧЭ в виде кварцевых дисков, ори­ен­тированных вдоль одной или нескольких осей де­кар­товой системы координат и соединенных таким об­ра­зом, чтобы выходной сигнал каждого был максимальным (рис. 4.10). Так, для датчиков силы, верхняя граница измеряемого уси­­­лия определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет (2 …. 200) кН. Чувствительность такого диска зависит от типа пьезоэффекта и определяется значениями пьезоэлектрических коэффициентов d_ij. В частности (как отмечалось в разд. 2.1.5), матрица пьезомодулей кварца содержит только 5 коэффициентов и чувствительность пьезоэлемента Х-среза к растяжению-сжатию (при отсутствии паразитных боковых воздействий) проявляется через коэффи­­циентd₁₁. Аналогично, пьезоэлемент Y-среза чувствителен к сдвигу (коэффициент d₂₆). Следовательно, применяя ЧЭ разных срезов можно построить многокомпонентный датчик силы. Метрологические характеристики ПДДВ, как правило, очень высокие. Для них характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

Простейший ПДДВ представляет собой совокупность кварцевых или пье­зокерамических пластин (рис. 4.11а) или колец, установленных соосно. (Обычно вместо дисков используются кольца). Каждое кольцо ПДДВ, представляющее со­бой совме­щенный упруго-чувстви­тель­ный эле­мент X-среза, ра­ботает на продольном пьезо­эф­фекте (как известно, в этом случае плотность заряда не зависит от геометрических размеров кольца). Одна из на­иболее известных конструкций ПДДВ этого типа была разработана фирмой Hellwett-Pac­kard. Датчик состоял из двух колец, включенных последовательно относи­тель­но силы и параллельно электрически (такое соединение получило название кон­ден­са­торного). Верхний предел измерения составлял  1000 кН при диаметре датчика равном 10 см. Соединяя два таких датчика можно увеличить чувствительность конструкции, правда, с потерей жесткости.

Промышленностью выпускаются различные пьезокерами­ческие материалы, по­зволяющие конструировать высокочу­вствительные датчики. Так, серийные пье­зокерами­ческие диски из материала ЦТС-19 имеют крутизнуk_u  1 ... 5 В/Н.

Существенный недостаток простых конструкций свя­зан с эффектом стекания заряда, вызывающим пос­тепенное уменьшение сигнала при ста­тических измерениях. Этот эффект приводит к не­возможности использования таких схем при длительных измерениях. (Как уже отмечалось, постоянная времени ПДДВ  = 10³ сек, при типичной емкости датчика C_д 100 пФ и суммарном сопротивлении изоляции R_из  10¹³ Ом). Следовательно, нижняя частотная гра­ница измеряемого сигнала составит f_н = _н /2 = 1,6 10^-4 Гц. Поэтому, при статических измерениях уже через 10 с по­греш­ность  превысит 0,1%.

Для устранения эффекта стекания заряда ПДДВ строят по схеме пьезоэлек­трического тра­н­­сфор­ма­тора переменного тока, работающие, в зависимости от резонансной частоты, в диапазонах от 20 Гц до 200 кГц. Одна из первых конструкций поперечно-продольного повышающего пьезотрансформатора, предложенная С.А. Розеном приведена на рис. 4.11б. Устройство состоит из двух секций -входной и выходной. Направления поляризации показаны стрелками. Коэффициент трансформации подобных систем, включенных в режиме Т-образного четырехполюсника, достигает 1000 единиц и более. На рис. 4.12 представлена схема использования трансформаторного ПДДВ в качестве датчика статической силы. Особенностью конструкции является использование трех обкладок, одной общей для входной и выходной цепи и двух изолированных. Переменное напряжение U_и подзаряжает датчик, при этом уровень выходного сигнала U_и пропорционален величине измеряемой силы.В последние годы в информационных системах все чаще применяются резонаторные ПДДВ, в том чис­ле, основанные на эффекте возбуждения поверхностных акустических волн. Резонаторные датчики выполняются в виде двухполюсника, объединяющего сис­тему электрического возбуждения механи­ческих колебаний и съема электрического сигнала. Если частота приложенного напряжения совпадает с одной из собственных механических частот датчика, то возникнет резонанс, сопровождающийся резким уменьшением полного сопротивления Z и увеличением тока через резонатор. Спектр колебаний определяется раз­мером, конструкцией и упругими свойст­вами материала. Резонансные свойства ПДДВ зависят от его добротностиQ = 2 f_р L_э/R_д, где f_р - резонансная частота, L_э и R_д - соответственно эквивалентная индуктивность резонатора и его динамическое активное со­п­ро­ти­вление. Наивы­с­шей добротнос­тью Q = 10⁷ обладают кварцевые резонаторы (для сравнения Q колебательного контура = 10², Q пьезокерамического резонатора = 10³). Полное сопротивление принимает два экстремальных значения на часто­тах f_р и f_а, называемые частотами резонанса и антире­зонанса.

Резонаторные ПДДВ обычно включаются в измерительные схемы, использующие частотную или временную модуляцию сигналов.

При расчете ПДДВ и выбора компонентов измерительной цепи широко используютсяэквивалентные схемы, учитывающие особенности работы прибора. Простая схема включения ПДДВ предполагает использование следующих электрических компонентов: собственно пьезоэлемента, обладающего некоторым импедансом, обкладок, подводящих проводов, а также последующего усилителя сигнала. Как отмечалось в разд. 1.1 ПДДВ относится к датчикам второго порядка, и, следовательно, его свойства зависят от рабочей частоты. Поэтому, и эквивалентная схема ПДДВ имеет разный вид на разных рабочих частотах. (Действительно, такие параметры, как сопротивление утечки, изоляции и т.д. зависят от используемого диапазона частот). Наибольшее распространение получила эквивален­тная схема Тевенина (рис. 4.13б), и ее упрощенный вариант (рис.4.13в), составленный в предположении, что сопротивление изоляции пье­зо­материала достаточно велико. Заметим, что импеданс ПДДВ на малых частотах в основном оп­ределяется активной составляющей сопроти­вления изо­ляции, в то время как на сре­дних и высоких частотах проявляются реактивные составляющие. На рис. 4.13 обозначено: R_д - со­противление изоляции (оно соответствует импе­дансу да­тчика на малых частотах), C_д - импеданс датчика на средних и высоких частотах, R_к, C_к - со­противление и емко­сть коаксиального ка­беля. Сопротивление и емкость изоляции R_и, C_и определяются зависимостями:

1/R_и = 1/R_д + 1/R_к и C_и = C_д + C_к

Нагрузкой для ППДВ обычно служит усилитель заряда или напряжения свысокоомным входным сопротивлением. Его эквивалентная схема также представляется параллельным соединением резистора R_н и конденсатора C_н. Таким образом, суммарная эквивалентная измерительная схема, включающая все элементы цепи примет вид представленный на рис. 4.14а. Эквивалентные сопротивление и емкость измерительной схемы (рис. 4.14б) равны соответственно: ,C_экв = С_и + С_н. Характеристики ПДДВ определяются стабильностью параметров элементов образующих схему. Поэтому, для точных измерений недопустимо заменять отдельные элементы, даже на функционально подобные. (Так, в [ ] приведен пример, показывающий, что чувст­ви­тельность датчика с С_д = 1000 пФ снижается на 11% при подключении уси­лителя с С_н = 10 пФ коаксиаль­ным кабелем длиной 1 м с С_к = 100 пФ/м). Кроме того, параметры всех элементов зависят от тем­пературы, например, сопротивление изо­ля­ции R_д уменьшается на порядок каждые 33 ^оС (рис. 4.14в).

В ПДДВ используются измерительные схе­мы как генераторного, так и параметрического типов. Наиболее известными генераторными схемами являются усилители с высокоомным входом или специальные зарядовые усилители. Параметрические измерительные цепи строятся на основе мостовых схем.

В датчиках сил и аксельрометрах чаще всего используются усилители перемен­ного тока с высоким входным сопротивлением (не менее 500 Мом) и относительно невысоким усилением  10 (рис. 4.15). Надежность схемы определяется стабильностью всех элементов, особенно конденсатора С₁. Благодаря нему все измене­ния заряда Q, вызванные действием ускорений пе­ре­даются на вход усилителя. Коэффициент преобра­зова­ния измерительной схемы равен:

,

Усилитель необходимо размещать вблизи датчика.

Зарядовый усилитель (рис. 4.16а) представ­ляет собой достаточно сложный функциональный преоб­разо­ватель «за­ряд - напряжение».

Первый блок (собственно преобразователь заряда) обычно устанавливается совместно (в одном корпусе) с ПДДВ. Последующие каскады, выполняющие функции согласования и фильтрации сигналов, могут быть отнесены от первого блока на некоторое расстояние. Эквивалентная схема зарядового усилителя представлена на рис. 4.16б. На практике для измерения квазистати­чес­ких сигналов стремятся максимально поднять постоянную вре­мени  = R_иC_у, однако при этом возрастают пироэлектри­ческие шумы датчика, а также шумы линии связи. Функция преобразования ПДДВ с зарядовым усилителем в области низких частот имеет вид:

.

Пьезоэлементы могут объединяться в измерительную схе­му не только генераторного, но и параметрического типа. За последние годы появились новые технологические приемы, позволяющие выращивать пьезоэлектрические структуры непосредственно на поверхности упругого элемента. Данные технологии, широко при­меняемые в тензометрических измерительных системах, теперь позволяют строить интегральные ПДДВ по схеме раздельного преобразования. В частности, подобные датчики силы, давления, ак­сельрометры раз­работаны фирмой «Honey­well», США (рис. 4.17). Во всех датчиках используются пьезорезистивные диффузионные ЧЭ, объединенные в мос­­товую измеритель­ную схему. Упругим элементом, на котором расположены четыре ЧЭ, служит кремниевая диафрагма. С целью снижения погрешности предусмотрены меры по компенсации смещения нуля и изменения температурной чувствительности. Для этого используются внешние навесные элементы, а питание датчиков осуществляется от источника тока. На рис. 4.17 представлен пример включения датчика усилий серииFS с регулировкой смещения нуля и чувствительности. Интегральная измерительная цепь содержит усилитель с буферными каскадами (разд. 2.3). Выходной сигнал ПДДВ определяется выражением: U_вых = (U₂ – U₄) (1+2R/R₁) + U_см.

В завершение приведем характеристики некоторых моделей ПДДВ (табл. 4.5).

Таблица 4.5. Примеры промышленных ПДДВ

Модель	Измеряемый параметр	Диапазон	S	, %	Размеры, мм	m, кг
ДХП 096	Звуковое давление	0 ... 80 кГц	4мкВ/Па	2	425	0,005
ДПС 003	Динамическое давление	0 ... 5 106 Па (f до 25 кГц)	1 10-4 мВ/Па	10	2755	0,25
АЛО 034	Ускорение	0 ... 6 м/с2	1 В/м/с2	1	464647	0,4
	Вибрации	0 ... 1000 g	10 мВ/g		2025	0,005
K 9077	Усилия (Fx, Fy, Fz)	0 ... 88 кН (Fx, Fy) 0 ... 200 кН (Fz)	3,7 пКл/Н (Fx,Fy) 2 пКл/Н (Fz)	1 (1) 3*	10025	0,9
FSG15N1	Усилие	15 Н	0,24 мВ/г	1,5	12,789	0,1
К 9233	Деформация	0 ... 300 мСт	6 пКл/мСт	1 (2)	304054	0,21

Примечание.

1. Модели K 9077 и К9233 разработаны фир­мой Kis­t­ler, Германия, FSG15N1 -фирмой Honey­well.

2. ^* Погрешности датчиков K 9077, К 9233: 1% - линейность, в скобках - гистерезис, 3% - перекрестные влияния.

3. 1 мСт (microstrain, ) единица применяемая фир­мой Kis­t­ler для обозначения относительного удлинения 1 = 10^-6 м/м.

ПДДВ в измерительных системах используются чрезвычайно широко. Их достоинства: высокая механическая жесткость, широкий диапазон измерения (для сил 10^-1 Н ... 10⁶ Н), малые габариты и вес, а также стабильность характеристик сделали их основой большинства силоизмерительных установок. Некоторые модели стали базовыми. Такой моделью, в частности, явился датчик силы фирмы Hellwett-Pac­kard с двумя пластинами толщиной 1 мм. При механическом напряжении   15 кг/мм² его деформация составляет всего  2 10^-3 мкм. Однако, ПДДВ не лишены и недостатков. В первую очередь, это зависимость точности измерения от частоты входного сигнала и чувствительность к загрязнению, температуре и влажности.