Главная » Мануалы

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 ... 48

После соответствующих преобразований получим выражение для определения компенсационного сопротивления чувствительности цепи, работающей с калибровкой:

д- 4

= (1-f/4/г,)(ак--ад) (З-*!)

при = г^ = г

ад - 4

Так как в тензорезисторных датчиках часто осуществляется = О, то

= 2(аГ-ад) (3.43),

т. е. получим выражение, аналогичное (3.28), если сопротивление плеча моста равно входному сопротивлению моста. Но величина компенсационного сопротивления в этом случае получается в два раза меньше, чем в предыдущем.

Из выражения (3.41) следует еще одна важная особенность применения измерительной цепи с калибровкой: компенсация возможна при Га = О, необходимо только выполнение равенства ад = = .а4, т. е. температурный коэффициент сопротивления плеча должен быть равен температурному коэффициенту чувствительности датчика. Поэтому при разработке тензорезисторов нет необходимости требовать независимость сопротивления тензорезистора от температуры, и изменение сопротивления тензорезистора от температуры может играть не отрицательную, а положительную роль.

Если последовательно с включено сопротивление Гц и оно включено в цепь калибровки, то выражение для определения величины Га, можно получить аналогично предыдущему:

д - 4 д

- (l + Vr) ( к- д) + к- д ( -

при Г2== и = И а4 = О

а'\ (0.5а-вх +а (3.45)

Как видно из (3.44), величина сопротивления г^ в этом случае сильнее влияет на величину Га, чем в случае, когда измерительная цепь работает без калибровки [сравните (3.45) и (3.27)].

Введение в измерительную цепь компенсационных сопротивлений, как это следует из (3.24), при заданной величине ЭДС источника питания может существенно сказаться на чувствительности датчика.

Снижение чувствительности датчика за счет введения компен--.сации можно характеризовать следующим образом:

(; е=1 (5,/5), (3.46

3 п/р Е. п. Осадчего

где Sk - чувствительность датчика с компенсацией; 5 - чувствительность датчика без компенсации.

После подстановки в выражение (3.46) величины чувствительности с компенсацией (г„ + 0) и без компенсации (г^ = 0), полученной по формуле (3.24), и заменяя в соответствии с (3.28), получим

= Г^. (3-47)

к - Кд

т. е. уменьшение чувствительности датчика за счет введения компенсации определяется только отношением температурных коэффициентов чувствительности датчика и компенсационного сопротивления и не зависит от абсолютных значений сопротивлений и чувствительности датчика.

Аналогично можно получить выражение, характеризующее снижение чувствительности датчика с измерительной цепью, работающей с калибровкой:

Кд - а-

е = * . (3.48)

Из ЭТОГО выражения, так же как и из (3.41), видно, что снижение чувствительности равно нулю при д = а^.

В тензорезисторных датчиках часто бывают следующие исходные данные для расчета компенсационного сопротивления чувствительности: мост равноплечий с сопротивлением плеча, равным 700 Ом; температурный коэффициент сопротивления тензорезисторов (входного сопротивления) равен нулю; компенсационное сопротивление выполнено из меди = 4% на 10° С и включено в диагональ питания, температурный коэффициент чувствительности датчика ад = 0,5% на 10° С. Для этих условий по формулам (3.28) и (3.43)

Га = 700 g = 100 Ом - без калибровки; = 700 (4 Q 5) = 50 Ом-с калибровкой.

Снижение чувствительности при этом сост.авит е = 0,5/4 = 12,5%.

Компенсационное сопротивление нуля. Для стабилизации нулевого уровня датчика могут быть использованы различные меры в зависимости от типа и конструкции датчика.

Однако очень эффективным является компенсация нуля путем введения компенсационного сопротивления в одно из плеч моста.

Величину выходного сигнала моста можно определить, как было показано ранее, по формуле

где и -- напряжение питания моста; k - коэффициент симметрии моста; г, - суммарное относительное изменение сопротивлений плеч моста.

При изменении температуры изменяется сопротивление всех плеч моста. Однако суммарное изменение сопротивления всех плеч можно заменить эквивалентным изменением сопротивления одного плеча. Следовательно, можно записать:

fx.x = t/-(8,3, (3.49)

где - эквивалентное относительное изменение сопротивле- ния одного плеча измерительной схемы. В результате изменения температуры произойдет изменение всех сопротивлений плеч моста и эквивалентное относительное изменение сопротивления одного плеча моста

где А/ - эквивалентное изменение сопротивления одного плеча моста; Агр - изменение компенсационного сопротивления; г - сопротивление одного плеча моста; Гр - компенсационное сопротивление.

Выразив Аг и А/р как функции температуры и приравняв (3.50) нулю, найдем

Atr + йр Atr = О,

где г - температурный коэффициент сопротивления моста; ар - температурный коэффициент компенсационного сопротивления.

Отсюда искомое компенсационное сопротивление

гр = -(а,/ар)л (3.51)

Выражение (3.51) показывает, что для правильной компенсации необходимо выбирать компенсационное сопротивление, у которого температурный коэффициент сопротивления имеет противоположный знак по сравнению с температурным коэффициентом Сопротивления моста. Но поскольку в мостовой схеме и схеме делителя напряжения близлежащие плечи противоположно влияют на выходной сигнал (если увеличение сопротивления в одном плече ведет к увеличению выходного сигнала, то увеличение сопротивления в соседнем плече ведет к уменьшению выходного сигнала), то для компенсации может быть использовано сопротивление с температурным коэффициентом любого знака. В этом случае включение его производится либо в одно плечо, либо в другое, соседнее, в зависимости от знака изменения выходного сигнала.

Следует подчеркнуть, что температурный коэффициент сопро-; тивления моста характеризует изменение сопротивлений от тем- пературы всех плеч измерительной схемы, и поэтому существует I 3* 67

различие между ним и температурным коэффициентом сопротивления плеча моста.

Для того чтобы определить температурный коэффициент сопротивления моста, необходимо измерить величины выходного сигнала с датчика при двух температурах: и t, и вычислить температурный коэффициент сопротивления по формуле

--Ukit~Q- ( -2)

В случае, если измерительная цепь работает с калибровкой, то следует вычислить по формуле

где Гк/ и rrti - величины калибровочных сопротивлений, соответствующих выходным сигналам при температурах 4 и соответственно; Erto rti - величины выходного сигнала в относительных единицах сопротивления при температурах и соответственно; г - сопротивление плеча моста к которому подключается калибровочное сопротивление; г„ - сопротивление между вершинами моста и точками подключения калибровочного сопротивления.

Часто при введении поправок на температурный уход нуля датчиков в качестве характеристики чувствительности нуля к температуре применяют понятие приведенного температурного коэффициента нуля датчика (температурной погрешности нуля датчика). В этом случае необходимую величину компенсационного сопротивления необходимо определять по выражению

К/-8Н0М -Ко Хрбном 13

где tto - приведенный температурный коэффициент нуля датчика (температурная погрешность нуля датчика); 8 о„ - номинальный выходной сигнал в относительных единицах сопротивления.

Так, включение медного компенсационного сопротивления величиной 0,5 Ом в плечо моста с сопротивлением 700 Ом снижает температурную погрешность нуля, равную 0,5% на 10° С при номинальном выходном сигнале 6-10 относительных единиц (температурный коэффициент мостовой схемы равен 3-10% на 10° С), практически до нуля.

Глава 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОГО СИГНАЛА

4.1. ВИДЫ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ

И ОБЛАСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

При анализе функции преобразования измеряемого параметра была отмечена некоторая общность видов измерительных преобразователей.

Так, если измерительную цепь можно назвать типичным преобразователем электрического сигнала, входящего во все датчики, то типичным. преобразователем механического сигнала является упругий элемент, который входит практически во все датчики силы, давления и ускорения. Входной величиной упругого элемента является сила (момент) или давление, а выходной - перемещение (линейное или угловое) или деформация, выраженная в относительных или абсолютных единицах, причем под перемещением в этом случае следует понимать прогибы характерных точек упругого элемента в направлении, задаваемом- направлением действия нагрузки. Обычно это направление, совпадающее с направлением действия силы, либо перпендикулярное ему. Под деформацией понимается перемещение точек, лежащих на поверхности упругого элемента. Поэтому упругие элементы как преобразователи механического сигнала целесообразно разделять на преобразователи сила-деформация и сила-перемещение (преобразователи силы), давление-деформация и давление-перемещение (преобразователи давления), момент-угол и т. д. Такое деление упругих элементов целесообразно еще и потому, что вход- выход определяет чувствительность преобразователя, его конструктивное оформление, а также метод предыдущего и последующего преобразования. Так, например, если выходной величиной упругого элемента является деформация, то это предполагает, как правило, использование различного рода тензорезисторных преобразователей; если перемещение, то.- индуктивных, емкостных или реостатных преобразователей.

К преобразователям силы, например, относятся упругие элементы в виде сплошных и полых стержней (рис. 4.1, а, б), колец постоянного и переменного сечения (рис. 4.1, в, г), балок равного сечения и равного сопротивления (рис. 4.1, д, ё), специальных стержневых упругих элементов (рис. 4.1, ж, з). К преобразователям давления относятся трубки Бурдона, мембранные коробки.

777777?

Рис. 4.1. Виды упругих элементов-преобразователей

	Р

Рис. 4.2. Виды упругих элементов-преобразователей дав-

. . У 777777,

Рис. 4.3. Упругие элементы, преобра-эующие силу и давление

мембраны с несимметричным центром, колпачки, полусферы, комбинированные упругие элементы (рис. 4.2). Для таких упругих элементов как плоские и гофрированные мембраны, сильфоны и другие (рис. 4.3), входной величиной может быть как сила, так и давление.

Из упругих элементов, входной величиной которых является сила, наибольшее распространение получили стержни II]. Достоинство стержневых упругих элементов заключается в простоте изготовления. Для таких элементов достаточно легко достигаются высокие классы точности выполнения геометрических размеров, чистоты обработки поверхностей. Кроме того, стержневой упругий элемент наиболее подходит для построения датчиков на высокие пределы измерения при ограниченной массе и габаритных размерах.

Одним из недостатков такого упругого элемента является малая величина перемещения, поэтому их применяют только в тензорезисторных датчиках, где величина возникающей деформации оказывается вполне приемлемой. Однако и в этом случае стержень не идеален, так как деформации растяжения и сжатия в нем имеют разные величины, что ограничивает его применение. Кроме того, в таком элементе невозможно выполнить одинаковые условия для установки преобразователей неэлектрической величины в электрическую (тензорезисторов), воспринимающих деформации разного знака (из-за разной кривизны поверхности).

Другой существенный недостаток стержневых упругих элементов - ограниченность чувствительности. Для увеличения чувстви' тельности стержень выполняют полым, в виде цилиндра. Это, кроме увеличения чувствительности, позволяет увеличивать площадь под установку тензорезисторов и дает возможность уменьшить габаритные размеры и массу датчика. Но уменьшение толщины стенки и диаметра цилиндра ограничено практическими возможностями его изготовления. Кроме того, жесткость такого тонкостенного цилиндра делается соизмеримой с жесткостью наклеиваемого тензорезистора, которая образуется за счет клеевого слоя, изоляционной прокладки и является величиной нестабильной. Поэтому такие упругие элементы применяют в датчиках с пределами измерений более 500 Н.

В датчиках широко применяют кольцевые упругие элементы. Такие элементы по сравнению со стержневыми имеют ряд преимуществ.

Во-первых, перемещение подвижной части упругого элемента существенно больше, чем у стержня. Поэтому такие элементы применяют в cMKoefHbix, индуктивных и других датчиках, где тре-. буется значительное перемещение упругого элемента.

Во-вторых, кольцевые упругие элементы имеют более высокую чувствительность и поэтому их применяют для преобразования силы до 10 Н. Выполнение кольцевых элементов на высокие пределы измерения нецелесообразно, так как приводит к неоправдан-

ному увеличению размеров и массы датчика. Практически верхним пределом измерения силы кольцевых упругих элементов следует считать 5000 Н.

Шире возможности у кольцевого элемента н в части использования выходной величины. У кольца четыре зоны деформаций, в каждой из которых имеются одинаковые условия для установки тензорезисторов: деформации сжатия и растяжения, кривизна поверхностей для установки тензорезисторов примерно одинаковы.

Недостатком кольцевого элемента является то, что распределение напряжений в зонах деформаций неравномерное. Стремление получить более равномерное распределение напряжений привело к разработке кольца переменного сечения. Кроме того, кольцевые упругие элементы менее технологичны, чем стержневые. При их изготовлении труднее обеспечивать высокие классы точности и чистоты обработки. Размеры и масса датчиков с кольцевыми элементами больше, чем со стержневыми. Однако в тех случаях, когда стержневой элемент не обеспечивает требуемой чувствительности или необходимо использовать в качестве выходной величины значительное перемещение, применение кольцевых упругих элементов оказывается весьма эффективным.

Более чувствительны к силе балочные упругие элементы. По технологичности изготовления они не уступают стержневым, позволяют получить большие перемещения, а деформации сжатия и растяжения у них строго одинаковы. Однако широкое использование их ограничено двумя причинами: во-первых, большими трудностями при фиксации точки и направления приложения силы; при действии силы конец балки (см. рис. 4.1, д) перемещается по дуге окружности и точка приложения силы изменяет свои координаты, что вызывает дополнительные погрешности; во-вторых, трудностями жесткой заделки второго конца балки, преодоление которых приводит к существенному удорожанию датчика, увеличению массы и размеров. Распределение напряжений в балке постоянного сечения неравномерное. Для получения равномерного распределения напряжений применяют балку равного сопротивления. Однако при этом следует учитывать, что собственная частота балки сильно зависит от массы присоединенных к ней элементов. Поэтому балочные упругие элементы применяют в тех случаях, когда кольцевые элементы не обеспечивают заданной чувствительности, например в датчиках силы с пределами измерения меньше 50 Н. Балочным упругим элементам отдается предпочтение также в тех случаях, когда требование одинаковых условий работы преобразователей неэлектрической величины в электрическую является определяющим. Для преобразования усилий больших 500 Н, целесообразно применять конструкцию специального стержневого упругого элемента (см. рис. 4.1, ж). Он представляет собой полый стержень, жестко заделанный по торцам и имеющий жесткую перемычку внутри, посередине стержня. Сила прикладывается к перемычке и поэтому деформации верхней и 72

нижней частей упругого элемента при их одинаковых размерах равны, т. е. обеспечиваются одинаковые условия для установки работы преобразователей деформации в электрическую величину.

Упругие элементы, входной величиной которых является давление, применяют преимущественно для датчиков давления.

Наибольшей чувствительностью к измеряелюму параметру обладает мембранная коробка (см. рис. 4.2, б). В зависимости от геометрических размеров, формы и материала мембранной коробки может быть перекрыт широкий диапазон измеряемых давлений - от 1000 до 500 ООО Па. Значительное перемещение стенок мембранной коробки позволяет использовать ее в сочетании с по-тенциометрическим измерительным преобразователем, который преобразует это перемещение в изменение сопротивления потенциометра.

Трубка Бурдона (см. рис. 4.2, а), как упругий элемент, по своему назначению аналогична мембранной коробке, но ее применяют для высоких давлений (от 1 до 60 МПа).

Мембрана с несимметричным центром (см. рис. 4.2, е) нашла -преимущественное применение в виброчастотных (струнных) дат-гчиках давления с пределами измерения от 5 до 60 МПа. )1>¥пругие элементы в виде колпачков и полусфер (см. рис. 4.2, % д) применяют в датчиках давления в тех случаях, когда необ- Тсодимо получить равномерные напряжения в области установки измерительных преобразователей (например, тензорезисторов). TtpoMC того, они обладают малой тепловой инерцией. Недостатком [ИХ является отсутствие зон деформаций с разными знаками.

Стремление получить зоны деформаций с разными знаками при сохранении малой инерционности к изменению температуры измеряемой среды привело к созданию комбинированного упругого элемента (см. рис. 4.2, е), представляющего собой цилиндрический стержень с перемычкой внутри, один конец которого заглушён, а второй конец выполнен заодно с жестко защемленной диафрагмой. Центр упругого элемента неподвижен, а измеряемое давление воздействует на наружную поверхность цилиндрического упругого элемента и диафрагму. Силы давления на заглушённый торец сжимают верхнюю часть упругого элемента, а силы давления на диафрагму растягивают нижнюю часть его. В таком упругом элементе существуют одинаковые условия для установки преобразователей неэлектрической величины в электрическую.

Из упругих элементов, входной величиной которых может быть как сила, так и давление, наибольшее распространение получили гофрированные мембраны (рис. 4.3, б). Их применяют в основном для датчиков давления, имеющих малые пределы измерения. Благодаря значительным перемещениям центра гофрированные мембраны применяют чаще всего в потенциометрических датчиках. . Для преобразования силы в перемещение их используют в тех слу--чаях, когда должна быть обеспечена высокая степень герметизации измерительной цепи при малых измеряемых силах. При зна-

чительных нагрузках на такую мембрану резко растут ее размеры и масса, поэтому для больших сил (давлений) применяют плоскую мембрану в виде тонкой круглой пластинки (рис. 4.3, а). Перемещение пластинки используется в качестве выходной величины в индуктивных и емкостных датчиках. Применение мембраны, преобразующей силу в деформацию, резко сокращает размеры датчика в направлении действия силы, и в тех случаях, когда по условиям эксплуатации накладывается такое ограничение, мембранные датчики силы имеют преимущество перед датчиками с упругими элементами других типов.

Сильфонные упругие элементы (рис. 4.3, в) по сравнению с мембранными имеют большую чувствительность, поэтому их применяют в высокочувствительных датчиках для измерения сил и давлений.

Для построения датчиков механических параметров могут быть использованы и другие упругие элементы, отличающиеся от рассмотренных. Однако их применение обусловлено либо спецификой требований, предъявляемых к конкретному датчику, либо спецификой конструктивного решения.

В последующих параграфах приведены расчетные соотношения для наиболее распространенных упругих элементов.

4.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИЛЫ

В большую группу можно выделить упругие элементы, преобразующие силу в деформацию. Они являются составной частью большинства датчиков силы, давлений, ускорений и других неэлектрических величин.

Найдем функции преобразования (функциональную зависимость деформации упругого элемента от усилия) наиболее распространенных конструкций упругих элементов (рис. 4.4, а-д):

полого или сплошного стержня постоянного сечения;

кругового кольца постоянного сечения;

мембраны постоянной толщины;

балки равного прямоугольного сечения; балки равного сопротивления изгибу.

Для удобства в функции преобразования этих элементов выходную величину (деформацию) будем выражать в относительных единицах, что целесообразно по несколькими причинам. Во-первых, при неравномерном распределении деформаций по длине упругого элемента выражение их в относительных единицах дает наиболее простое выражение функции преобразования. Во-вторых, логика построения последующей измерительной цепи соответствует измерению относительных, а не абсолютных деформаций.

Стержень постоянного сечения. Связь между силой и продольной деформацией в таком упругом элементе

1 ... 4 5 6 7 8 9 10 ... 48