VI. Тензометрична апаратура для вимірювання статичних і динамічних процесів

6.1. Тензометричні підсилювачі, їх застосування та основні технічні характеристики

Оскільки, зміни опору, які виникають при деформуванні тензодатчиків є малими, то розбалансування моста Уінстона і відповідні зміни напруги в мості є також, достатньо малими. Для того, щоб ці зміни зареєструвати їх необхідно підсилити. З цією метою, в електротензометрії, використовуються тензопідсилювачі.

Стандартні підсилювачі, що використовуються в електротензометрії, умовно можна поділити на три групи : підсилювачі постійного струму (ППС), підсилювачі змінної напруги (ПЗН), підсилювачі напруги несучої частоти (ПННЧ).

ППС, у порівнянні з іншими типами підсилювачів, мають найбільше позитивних якостей. Вони, вирізняються простотою схеми та зручністю управління, можуть працювати як з параметричними, так і з генераторними датчиками. Смуга частот ППС простягається від нуля до 120 кГц. Це дає змогу використовувати їх у дослідженні як статичних, так і динамічних процесів. В електричній схемі таких підсилювачів відсутні реактивні елементи, тому немає причин для виникнення частотних і фазових спотворень. Якщо відсутні джерела перешкод, вхідні кабелі можуть бути неекранованими і мати велику довжину. Існує додаткова, можливість вмикати між датчиком і входом підсилювача різноманітні універсальні блоки, призначені для первинної обробки вхідного сигналу.

П ЗН мають нижній робочий поріг на частоті 5-10 Гц. Це дозволяє їх використовувати для вимірювання статичних або повільно змінюваних (квазістатичних) процесів. Залежно від ширини частотного діапазону, ПЗН поділяють на широкосмугові та вузькосмугові. В електротензометрії, здебільшого, знаходять застосування широкосмугові підсилювачі. Але маючи високу чутливість в широкому діапазоні частот, ці підсилювачі зазнають сильного впливу перешкод, що робить їх малопридатними для підсилення слабких сигналів.

ПННЧ (рис. 6.1.1) від ППС вигідно відрізняються доброю стабільністю підсилення в часі (незначний дрейф). Однак, ПННЧ притаманні істотні недоліки, до яких можна віднести велику складність схеми, існування частотних та фазових спотворень, необхідність балансувати тензоміст за ємнісною складовою, високі вимоги до з’єднувального кабелю, датчика (якісне екранування, незначна ємність), взаємозв`язок між каналами, не можливість застосовувати генераторні датчики (тахогенератори) та блоки первинної обробки вхідного сигналу.

Рис. 6.1.1. Чотири канальний тензометричний підсилювач ТА-5.

6.1.1. Основні характеристики тензопідсилювачів

Тензопідсилювач призначений для підвищення потужності сигналу, одержаного на виході тензомоста без зміни його форми. Оскільки, безпосереднє підвищення потужності дуже слабкого сигналу практично не можливе, цю процедуру розбивають на дві стадії. На першій підвищується, головним чином, рівень напруги при незначній силі струму, а на другій - збільшується струм за деякого зниження напруги. Параметри схеми підсилювача розраховують так, щоб на його виході, при номінальному струмі в навантаженні, розвивалася напруга заданої величини. У цьому випадку потужність, яку поглинає навантаження, відповідатиме необхідному рівню. Тому підсилювальні каскади умовно поділяють на каскади підсилення напруги, струму і потужності.

Технічні характеристики, які дають змогу говорити про властивості підсилювачів, можна поділити на чотири групи.

До першої групи відносять характеристики, що оцінюють підсилювач з точки зору внесених ним спотворень. Вони вказують частотні та амплітудні границі, в межах яких досліджуваний сигнал проходить через підсилювальний канал, практично, без спотворень. До числа таких характеристик, що оцінюють степінь спотворення форми стаціонарних процесів, віднсяться амплітудна, фазова і частотна характеристики.

Амплітудна характеристика показує залежність амплітуди сигналу на вході підсилювача від заданого навантаження. В практиці електротензометрії вимірюваною величиною є деформація досліджуваної деталі, а контрольованою вихідною величиною - струм у навантаженні. Тому амплітудна характеристика тензопідсилювача подає залежність .

На рис. 6.1.2,а зображена ідеалізована амплітудна характеристика тензопідсилювача, одержана для додатніх і від`ємних значень вимірюваної деформації. Практично, для побудови графіка обмежуються вимірюванням вхідної величини одного знаку. Реальна амплітудна характеристика зображена на рис. 6.1.2,б. Кут нахилу кривої залежить від величини навантаження. Чутливість підсилювача визначає вираз .

З рис. 6.1.2,б видно, що реальна амплітудна характеристика має у верхній частині загин, тобто, починаючи з деякого значення зі збільшенням амплітуди сигналу на вході чутливість зменшується. Нелінійність амплітудної характеристики призводить до того, що форма коливань на виході підсилювача відрізняється від форми коливань на його вході. При цьому, у вихідному сигналі з`являються такі частоти, яких не було у вхідному сигналі. Відхилення амплітудної характеристики від лінійної залежності відбувається при перевантаженні входу підсилювача сигналом, амплітуда якого перевищує максимально допустиму для цього підсилювача.

а б

Рис. 6.1.2. Ідеалізована (а) та реальна (б) характеристики тензопідсилювача.

Спотворення спричинені перевантаженням входу підсилювача, називаються амплітудними або нелінійними. Відхилення амплітудної характеристики від лінійної залежності вимірють процентним відношенням. Рис.6.1.3,а свідчить про те, що при зміні опору навантаження змінюються чутливість і довжина лінійної ділянки амплітудної характеристики.

Амплітудно-частотна (коротко частотна) характеристика показує залежність чутливості підсилювача або, що те саме, залежність вихідної напруги або струму від частоти підсилюваних сигналів при сталій величині вхідної напруги та незмінному навантаженні рис.6.1.3,б.

Нелінійність частотної характеристики зумовлена наявністю в схемі підсилювача реактивних елементів, опір яких залежить від частоти підсилюваних сигналів.

Спотворення, викликані зміною чутливості підсилювача на різних частотах, називаються частотними спотвореннями. Їх відносять до спотворень лінійного характеру, оскільки у вихідному сигналі не виникають нові частоти, лише змінюється співвідношення між амплітудами складових складного сигналу. Відхилення від лінійності частотної характеристики подають у відсотках.

а б

Рис. 6.1.3. Амплітудна (а) та амплітудно-частотна (б) характеристики.

Суть фазових спотворень полягає у тому, що форма складного сигналу змінюється на виході підсилювача через фазові зсуви між окремими складовими різної частоти. Фазові спотворення подібно до частотних лінійні і викликані тими ж причинами - присутністю в підсилювальному каналі частотно залежних елементів. Фазові зсуви не пропорційні частоті і тому кожний підсилювач вносить фазові спотворення. Їх величину оцінюють на підставі фазової характеристики, яка подає залежність кута зсуву фаз між вихідними напругами від частоти підсилених коливань.

До характеристик другої групи входять коефіцієнт підсилення, чутливість, вхідний опір, вихідний опір, діапазон вимірювальних деформацій, діапазон робочих частот.

Коефіцієнт підсилення. Розрізняють коефіцієнти підсилення за напругою, струмом та потужністю. Для каскадів попереднього підсилення лампових (транзисторних) схем практичне значення має коефіцієнт підсилення за напругою, який визначається як відношення вихідної напруги каскаду до напруги на його вході : .

Загальний коефіцієнт підсилення визначається як добуток коефіцієнтів підсилення окремих каскадів : .

Чутливість. Під чутливістю тензопідсилювача розуміють таку величину вимірюваної деформації, при якій струм у навантаженні досягає максимального значення.

Вхідний опір - опір змінному струмові несучої частоти, виміряний між вхідними гніздами підсилювача. Оскільки він шунтує джерело сигналу і тим знижує рівень вхідного сигналу його намагаються зробити якомога більшим. Чим менший вхідний опір підсилювача, тим слабше впливає зміна опору навантаження на параметри приладу.

Вихідний опір - опір змінному струмові між вихідними гніздами за відсутності вхідної напруги і підключеному джерелі сигналу.

Максимальне значення вихідного струму при допустимій величині нелінійних спотворень - одна з основних величин, які характеризують кінцевий каскад підсилювача.

Діапазон вимірюваних деформацій - область, яка лежить між мінімальним і максимальним значеннями деформацій, виміряних з достатньою вірогідністю. Нижній рівень обмежується власними шумами підсилення, а верхній - допустимою величиною нелінійних спотворень.

Смуга пропущених частот, або діапазони робочих частот - область частот, у межах якої частотні та фазові спотворення не виходять за дані межі. У підсилювачах, за схемою несучої частоти, діапазон робочих частот визначається частотою несучого сигналу.

До характеристик трертьої групи відносяться такі показники, як стабільність, стійкість, рівень фону, віброміцність та вібротривкість.

Стабільність роботи підсилювача характеризується величиною похибок, викликаних зміною параметрів приладу (чутливості, вихідного струму ) при заміні підсилювальних елементів схеми (ламп, транзисторів), змінах умов навколишнього середовища (температури, вогкості повітря), коливань величини напруги живлення та ін.

Одним з виявів нестабільності є так званий "дрейф нуля" - повільна зміна вихідного струму або напруги при сталому вхідному сигналі.

Під стійкістю роботи підсилювача розуміють його здатність до самозбудження, як наслідок різких змін режиму роботи, чутливість до зовнішніх перешкод і міра взаємного впливу роботи каналів у багатоканальних приладах.

Ступінь протидії впливові зовнішніх перешкод, за звичай, визначається якістю екранування вхідних ланцюгів, ізоляції їх від корпусу та вібротривкістю.

Рівень фону - відношення напруги внутрішніх перешкод (викликаної живленням каналу ламп змінним струмом, коливань анодного струму через пульсації анодної напруги і різних флуктуацій) до номінальної вихідної напруги підсилювача. Напруга фону вимірюється на вихідних клемах. Рівень фону прийнято вимірювти в децибелах. Нижня межа підсилюваних сигналів визначається рівнем фону, який залежить від параметрів схеми, режиму підсилювальних елементів, якості фільтрації випрямленої напруги, що живить каскади, смуги пропускання, якості деталей та ін.

Міру впливу на роботу підсилювача вібрацій і пришвидшень називають вібротривкісю, а здатність приладу протидіяти механічним перевантаженням - віброміцністю. Цей показник має важливе значення для приладів, встановлених на рухомих об`єктах, що підлягають вібраціям від працюючих машин, верстатів та іншого обладнання. Серійна апаратура, що випускається для встановлення на рухомих об`єктах, розрахована на роботу в умовах вібрацій при частоті 20-80 Гц і пришвидченнях .

До четвертої групи показників відносяться характеристики, що стосуються особливостей схем підсилювача та режиму його роботи. Сюди входять такі показники, як кількість каналів, частота несучого сигналу, діапазон опорів застосованих тензорезисторів включених у мостову схему, максимальна довжина з`єднувальних кабелів, напруга та частота мережі живлення, спожита потужність та ін.

Технічні характеристики основних типів тензометричних підсилювачів для вимірювання статичних і динамічних деформацій, що виготовлялися у серійному виробництві, наведені в додатку (таблиця 2).