|
| |
 |
Главная » Мануалы 1 2 3 4 5 6 ... 48 Рис. 1.9. Виды вибрационных процессов например, при отработке узлов современных автомобилей, дизелей, самолетов. Диапазоны амплитуд и частот вибраций различны для различных объектов и их узлов и достигают lOOOg = 9,81 м/с^) по амплитудам виброускорений и 50 ООО Гц по частоте. Вибрации характеризуются частотой со и амплитудой виброускорений а, а на низких частотах также амплитудой виброперемещений х. Вибрационный процесс так же, как и тепловой, может носить стационарный и нестационарный характер (рис. 1.9). Стационарный вибрационный процесс (рис. 1.9, а) имеет ограниченный частотный диапазон и может описываться спектром амплитуд виброускорений. Однако более широкое распространение получило задание зависимости амплитуды виброускорений от частоты с отдельными указаниями о величинах виброперемещений на низких частотах, например такое: амплитуда виброускорений изменяется линейно в пределах от 1 м/с^ до 300 м/с^ в диапазоне частот от 20 Гц до 10 кГц; амплитуда виброперемещений составляет 1 мм на частоте 10 Гц. Таких указаний, как правило, оказывается достаточно для проектирования системы виброзащиты и .организации испытаний. Нестационарный вибрационный процесс отличается от стационарного наличием ударов. Удар (рис. 1.9, б) представляет собой затухающий переходный процесс с высокой интенсивностью фронтального импульса. Удар характеризуется длительностью импульса и амплитудой ударного ускорения. Существенное значение для про-редения испытаний датчиков имеет количество ударов и их частота. Вибрации вызывают повреждения конструкции в местах сочленения узлов, обрыв проводников вследствие относительного перемещения, повреждения усталостного характера при продолжительном действии вибраций, перенапряжение конструкции вследствие приложения больших усилий. Уровень акустического давления. Для характеристики эксплуатации датчиков в условиях воздействия акустических шумов обычно задают максимальный уровень акустического давления и частотный диапазон звуковых колебаний. При испытании современных технических устройств и в процессе их эксплуатации на датчики могут действовать акустические шумы интенсивностью 150-175 дБ и выше. Влажность. Влажность практически постоянно присутствует в числе характеристик комплекса внешних условий. Она задается в относительных единицах (процентах) при определенной температуре, например: относительная влажность 80% при температуре 40° С. Высокая влажность может привести к быстрому разрушению электрических и механических элементов датчиков, снижению сопротивления изоляции, электрическому пробою, коррозии металлических элементов, снижению их механических характеристик. Основные способы защиты от влажности - герметизация, применение влагостойких покрытий и различного рода влагопоглотителей. Пониженное давление. В условиях пониженного давления датчики могут работать на самолетах, радиозондах, в космическом пространстве. Пониженное давление задается в миллиметрах ртутного столба или в паскалях. В реальных случаях датчик может оказаться в условиях пониженного давления, равного 10 Па (10~* мм рт. ст.). В условиях пониженного давления происходит выделение газов различными материалами и резко понижается сопротивление изоляции воздушных промежутков. Основное средство защиты - герметизация. Колебания питающих напряжений. Они в той или иной мере оказывают влияние на выходные характеристики практически всех датчиков, в основном приводя к изменению их чувствительности. Это в равной степени относится как к напряжению переменного тока промышленной сети, так и к автономным источникам питания, находящимся на борту различных движущихся объектов. Основное средство защиты - стабилизация напряжения. Электромагнитные поля. Влияние магнитного поля Земли и других источников электромагнитного излучения на датчики проявляется в возникновении паразитных ЭДС, наводимых в катушках индуктивности. Защита от электромагнитных полей, как правило, заключается в использовании проводящих металлических материалов для изготовления корпусов (кожухов и т. п.) датчиков. Агрессивная среда. Работа в агрессивных средах имеет место при контроле и исследовании режимов и параметров различных химических процессов, измерении давлений и расходов химически активных веществ в резервуарах, баках, трубопроводах и т. п. Элементы датчика, находящиеся в процессе эксплуатации в контакте с агрессивной средой, выполняют из материалов, стойких к воздействию соответствующей среды, например из различных марок нержавеющих сталей. В противном случае возможно быстрое разрушение материалов, ухудшение их механических и электрических свойств. Внутренние полости датчиков, как правило, герметизируют. Радиация, Радиация - сложное физическое явление. Это потоки частиц, электронов, нейтронов, -излучение и т. д., причем каждые из них обладают энергией. Энергии частиц или -у-квантов. проходящая в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к излучению, называется интенсивностью излучения. Интенсивность излучения может оцениваться его ионизационной способностью, определяемой значением экспозиционной дозы. Основные методы защиты: экранирование слоем материала с высокой плотностью или мощным магнитным полем. В числе прочих факторов, определяющих условия эксплуатации датчиков, можно назвать статическое давление (для датчиков пульсирующих давлений), линейные и угловые низкочастотные ускорения и др. В отдельных руководствах и нормалях, выпускаемых различными ведомствами, условия эксплуатации датчиков разделяют на категории и группы в соответствии с интенсивностью и количеством воздействующих факторов. Такое разделение весьма удобно как для изложения требований технических заданий, так и для организации процесса проектирования и испытаний. Глава 2. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ДАТЧИКА 2.1. ДАТЧИК КАК ЦЕПЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Одним из основных положений современной теории измерительных устройств является положение об измерительном преобразовании [76, 113]. В соответствии с ним измерение рассматривается как процесс приема и преобразования информации об измеряемой величине, происходящий в измерительных устройствах. Структура измерительных устройств в связи с этим представляется в виде совокупности измерительных преобразователей, осуществляющих функциональные измерительные преобразования сигналов различной физической природы. Существует множество разновидностей измерительных устройств, но все эти устройства выполнены на основе ограниченного числа измерительных преобразователей, л Так в настоящее вреМя разработано много различных типов тензорезисторных датчиков. Это датчики для измерения усилий, деформаций, моментов и других физических величин. Датчики имеют различные пределы измерения, отличаются конструктивным исполнением, предназначены для различных условий эксплуатации и т. д. Но, представляя тензорезисторные датчики в виде последовательной цепи измерительных преобразователей, можно заметить, что некоторые из этих преобразователей являются общими для всех датчиков. Каждый тензорезисторный датчик включает в себя такие измерительные преобразователи, как тензорезистор и измерительная цепь, независимо от того, является ли он датчиком усилия или перемещения. Очень многие тензорезисторные датчики включают в себя упругие элементы, преобразующие усилие или давление в деформацию. На рис. 2.1 представлена структурная схема тензорезистор-ного датчика усилий. Измеряемое усилие F с помощью упругого элемента преобразуется в деформацию А/. Деформация упругого элемента воспринимается тензорезистором и преобразуется в изменение сопротивления тензорезистора Аг, которое в измерительной цепи преобразуется в величину выходного напряжения. Эта структурная схема является общей для других тензорезисторных датчиков, у которых измеряемая величина с помощью тех или иных измерительных преобразователей преобразуется в силу. Такими преобразователями могут быть, например, мембрана для Мембрана
Увы Рис. 2.1. Структурная схема тензорезисторного датчика усилий датчика давления или инерционная масса для датчика ускорений. Таким образом, структурная схема, представленная на рис. 2.1, охватывает практически все многообразие тензорезисторных датчиков, отличающихся между собой не только условиями эксплуатации и пределами измерения, но и входной величиной. Аналогичную картину можно увидеть, если, например, тензо-резисторный преобразователь заменить индуктивным (рис. 2.2). Замена только одного измерительного преобразователя другим позволяет получить цепь преобразования физических величин другой обширной группы датчиков - индуктивных. Рассуждая аналогичным образом, можно составить структурную схему любого другого датчика, в котором измеряемая величина претерпевает ряд последовательных преобразований. Такие схемы являются схемами последовательного преобразования измеряемой величины. Цепь последовательного преобразования измеряемой величины характеризуется тем, что измеряемая величина поступает на вход первого измерительного преобразователя, часто называемого входным измерительным преобразователем; выходная величина его является входной величиной второго измерительного преобразователя и т. д. Преобразование осуществляется до тех пор, пока на выходе последнего измерительного преобразователя, который можно назвать выходным измерительным преобразователем, не будет получена выходная величина, удобная для восприятия человеком или для использования в цепи дальнейшего преобразования с целью регистрации или управления. Инераионныа груз Мембрана -*-\ Упругий. злЕмент Цндунтабный. £г Измерительная вых прербразв- р- \ Рис. 2.2. Структурная схема индуктивного датчика усилий Измерительные преобразователи, которые в цепи преобразования находятся между входным и выходным, можно назвать промежуточными измерительными преобразователями. Причем деление измерительных преобразователей на входные, промежуточные и выходные во многих случаях является условным, так как один и тот же преобразователь в зависимости от того, в какой конкретно датчик он входит, может быть и входным, и промежуточным, и выходным. Так, например, упругий элемент в тензорезисторном или индуктивном датчике силы является входным измерительным преобразователем, в индуктивном акселерометре - промежуточным, а в механическом динамометре - выходным. fB цепи измерительных преобразований измерительные преобразователи различаются, в первую очередь, физическими основами преобразования измеряемой величины. В канедом измерительном преобразователе используется какая-либо физическая закономерность, функционально связывающая одну физическую величину с другой. Так в мембране датчика давления как измерительном преобразователе преобразование давления в силу осуществляется в соответствии с закономерностью / = 5.,фЯ, (2.1) где Р - давление - входная величина; F сила - выходная величина; 8дф - эффективная площадь мембраны; константа, характеризующая мембрану как измерительный преобразователь. Входной величиной стержневого упругого элемента является сила, а выходной - деформация упругого элемента. Связь между этими двумя величинами осуществляется в соответствии с законом Гука: г^Р, (2.2) где F - сила - входная величина упругого элемента; г - от.ни-сительная деформация - выходная величина упругого элемента; - площадь поперечного сечения упругого элемента; Е - модуль упругости материала упругого элемента. В данном случае константой, характеризующей упругий элемент, является l/SpE. Рассматривая физические процессы всЗ всех известных измерительных преобразователях, можно в каждом случае установить связь между выходной и входной величинами: У = /(Х). Математическое (или графическое) описание этой связи носит название функции преобразования преобразователя. Аналогичная характеристика для датчика в целом называется функцией преобразования датчика. Отношение изменения выходной величины AY к соответству-юш.ему изменению входной величины АХ называется чувствительностью датчика: S = AY/AX. (2.3) В общем случае функция преобразования может быть нелиней-ной* тогда чувствительность является функцией входной вели-Тщнь! и для любого Xi определяется как 5,= (ДУ/ДХ) при X = X,-. В пределе функция чувствительности определяется как первая производная Y по X. Отношение значения выходной величины датчика К,- к соответствующему значению входной величины X,- определяет коэффин циент преобразования - K = Y,/X,. (2.4) Если зависимость между выходной и входной величинами является линейной, то чувствительность преобразователя не зависит от входной величины: r = SX. (2.5) В этом случае чувствительность и коэффициент преобразования равны, поэтому для линейных датчиков, а таковыми являются большинство датчиков механических величин, в-дальнейшем изложении будем пользоваться как термином чувствительность , так и термином коэффициент преобразования . Датчик, выполненный в соответствии со структурной схемой рис. 2.3, называется датчиком прямого преобразования. Чувствительность такого датчика определяется произведением чувстви-тельностей отдельных преобразователей: 5 = 5iS, . . .5 Д, (2.6) и может быть найдена как отношение выходной величины датчика к входной (для линейной функции преобразования): S = V/X. (2.7) Так для мембранного датчика давления со стержневым упругим элементом, выходной величиной которого является относительная деформация, функция преобразования
Рис. 2.3. Структурная схема датчика прямого преобразования
При этом чувствительность датчика будет Т. е. определяется чувствительностями мембраны и упругого элемента. Однако структурная схема датчика прямого преобразования не охватывает всего многообразия датчиков. В последнее время все более внедряются в практику измерений датчики уравновешиваюиего преобразования (рис. 2.4). Отличительной особенностью схемы такого датчика по сравнению со схемой датчика прямого преобразования является то, что в ней имеются цепи прямого и обратного преобразования. Цепь обратного преобразования включает в себя обратный преобразователь с чувствительностью § и может в общем случае состоять из нескольких измерительных преобразователей и охватывать какое угодно число преобразователей, стоящих в цепи прямого преобразования. Эта цепь обеспечивает преобразование выходной величины цепи прямого преобразования в однородную с входной величиной (чаще всего электрической величины в неэлектрическую). Функция преобразования участка цепи с обратной связью [1131 где Sy = So/(l + SoP) - чувствительность цепи уравновешивающего преобразования; Sj, = 5г5з ... S.S;-чувствительность цепи прямого преобразования, охваченной цепью обратного преобразования; р - чувствительность цепи обратного преобразования. Тогда функция преобразования датчика с уравновешивающим преобразованием - Л - С^С^уЛ , (2.8) где = 5iSf+i ... S iS - чувствительность цепи прямого преобразования, не охваченной цепью обратного преобразования. Введение обратного преобразователя в структурную схему датчика качественно изменяет его функцию преобразования, а следовательно, и выходные характеристики. В данном случае происходит своего рода трансформация чувствительности в точность. Действительно, как следует из сравне-
Рис. 2.5. Структурная схема датчика с параллельным соединением измерительных преобразователей НИЯ чувствительностей, чувствительность уравновешивающего преобразования в (1 + SoP) раз меньше, чем чувствительность прямого преобразования, а погрешность цепи уравновешивающего преобразования [113] -fYo{l - а). где Y - погрешность цепи прямого преобразования; уа - погрешность цепи обратного преобразования; а = 1/(1 + SoP) - относительная недокомпенсация. Таким образом, введение обратного преобразователя в структурную схему датчика дает уменьшение погрешности цепи прямого преобразования. При 5оР > 1 погрешность цепи уравновешивающего преобразования определяется только погрешностью цепи обратного преобразования, поэтому цепь Р должна быть очень стабильной. В этом специфика рассматриваемой структурной схемы. Практически при построении датчиковой аппаратуры приходится сталкиваться еще с одной разновидностью структурной схемы - с параллельным соединением измерительных преобразователей (рис. 2.5), в которых преобразование измеряемой величины происходит в прямом направлении. Например, подавляющее большинство тензорезисторных датчиков выполняют так, чтобы использовать четыре рабочих тензорезистора. Это позволяет увеличить выходной сигнал датчика. В таком случае четыре одинаковых измерительных преобразователя - тензорезистора - имеют одну и ту же входную величину - деформацию упругого элемента. Тензорезисторы, включенные в мостовую измерительную цепь, имеют выходные сигналы, характеризуемые относительным изменением сопротивления. Эти сигналы суммируются измерительной цепью и преобразуются в величину выходного напряжения. Такое преобразование применяют и в других типах датчиков. Функция преобразования датчика, выполненного в соответствии с этой схемой, имеет вид F = SiS, ... 5,-1(51 + 51 + + 5;)5,+1 . . . 5 i5 X (2.9) 2 п/р Е. п. Осадчего 5 или где = S1S12 ... 5,- iSi+i ... 5 iS - чувствительность цепи прямого последовательного преобразования; S p = St + Sj + + Sj - чувствительность прямого параллельного преобразования. Как следует из (2.9), чувствительность прямого параллельного преобразования равна сумме чувствительностей преобразователей, включенных параллельно. Представленные три типа структурных схем датчиков позволяют на основе ограниченного числа измерительных преобразователей описать все многообразие датчиковой аппаратуры, построенной в соответствии с той или иной структурной схемой. Синтезируя измерительные преобразователи по схемам рис. 2.3, 2.4 или 2.5, можно получить функцию преобразования любого датчика и по известным характеристикам измерительных преобразователей определить характеристики датчика в соответствии с его функцией преобразования. 2.2. ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ДАТЧИКОВ в параметрических датчиках для измерения неэлектрических величин наибольшее распространение получили две разновидности электрических цепей: цепь делителя напряжения и мостовая цепь, причем под воздействием измеряемой величины изменяется либо одно сопротивление плеча делителя напряжения или мостовой цепи, либо два, либо все четыре (для мостовой цепи). В общем случае сопротивления плеч цепи могут быть как активными, так и реактивными. * По числу изменяющихся под действием измеряемой величины сопротивлений будем подразделять измерительные цепи на цепи с одним рабочим плечом, с двумя рабочими плечами и с четырьмя рабочими плечами. Эти цепи относятся к цепям прямого преобразования, теория которых разработана в работе [131 ]. В соответствии с этой теорией измерительная цепь рассматривается как измерительный преобразователь, характеризуемый функцией преобразования. Для определения функции преобразования измерительной цепи необходимо четко сформулировать, что является для этой цепи входной и что выходной величинами. Выходной величиной измерительной цепи является мощность электрического сигнала, поскольку только в таком случае решается вопрос оптимального энергообмена между отдельными измерительными преобразователями. Это позволяет оптимизировать соотношение мощностей полезного сигнала Рс и помехи Рщ 34 1 2 3 4 5 6 ... 48 |