книги / Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средства измерения физических величин

Комплекс тахометрических преобразователей с сигнализаторами «турбина» [11] предназначен для дистанционного измерения частоты вра­ щения. Комплекс обеспечивает получение унифицированного выходного сигнала 0 - 5 мА с относительной приведенной погрешностью 0,5 %.

Для бесконтактных измерений частоты вращения в гироскопических приборах и других устройствах, где нельзя нагружать вращающиеся узлы, широко применяется стробоскопический метод. Метод основан на инерци­ онности человеческого зрения, на способности глаза удерживать некоторое время исчезнувшую, ярко освещенную картинку. На вращающемся узле можно нанести риску и освещать ее короткими вспышками света. Если частота вспышек и частота вращения совпадут, объект покажется непод­ вижным. По частоте вспышек судят о частоте вращения. Точность измере­ ния определяется соответствием указателя частоты генератора стробоскопа и его действительной частотой. Стробоскопический метод является субъ­ ективным и может применяться для измерения частоты вращения режуще­ го инструмента и частоты вибраций элементов оборудования.

Библиографический список

1.Тун А.Я. Тахогенераторы для систем управления электропривода­ ми. М.-Л., 1964.

2.Рябыкин С.Л. Средства измерения параметров движения. Киев,

1987.

3.Соломатин В.И. Бесконтактные измерители линейных и угловых скоростей. М., 1974.

4.Утямышев Р.И. Техника измерения скоростей вращения. М.-Л.,

1961.

5.Прутиков В.В., Рыбаков В.С. Реверсивные бесконтактные тахоге­ нераторы постоянного тока. М., 1970.

6.Юферов Ф.М. Электрические микромашины автоматических уст­ ройств. М., 1976.

7.Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических уст­ ройств. Л., 1976.

8.Кривой В.Н. Тахогенераторы постоянного тока с ограниченным углом поворота // Электротехническая промышленность. Электрические машины. М., 1978. Вып. 8.

9.Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. М., 1965.

10.Волков Н.П., Сафронов С.Н. Цифровой измеритель угловой ско­ рости вала // Изм. техника. 1992. № 2.

11.Промышленные приборы и средства автоматизации / Под общ. ред. В.В. Черенкова. Л., 1987.

Окончание табл. 6.1

±3; -1 -+6; -1 -+ 9

Тензометрические датчики линейных ускорений могут применяться для измерения как постоянных, так и переменных ускорений. Разработано несколько вариантов крепления инерционной массы и тензорезисторов.

В простейших конструкциях чувствительный элемент выполнен в виде консольной балки постоянного по длине сечения или равного сопро­ тивления, на которую наклеиваются тензорезисторы. Инерционная масса закрепляется на свободном конце консоли. По такой конструкции выпол­

t

В некоторых конструкциях инерционная масса, закрепленная на пружинах, деформирует чувствительный элемент - упругую деформиро­ ванную пластинку, прикрепленную к корпусу прибора и инерционной мас­ се. На эту пластинку с двух сторон наклеиваются тензорезисторы, которые испытывают напряжение сжатия на одной стороне и растяжения на другой. По такой конструкции выполнены акселерометры типа АП-2 и ВАП-ЗМ.

Для датчиков ускорений применяют металлические и полупроводни­ ковые тензорезисторы. Коэффициент тензочувствительности ST для Кон­

стантиновых резисторов составляет 2,0 ±0,2. Номинальный рабочий ток »30 мА, предел измерения относительных деформаций 0,003, поперечная чувствительность 2 % от продольной. Для высокотемпературных тензорезисторов используют клеи В-58, ВН-15, позволяющие работать при темпе­ ратуре 400 °С, или цементы Б-56, ВН-12 для измерений при t = 800 °С.

Полупроводниковые тензорезисторы позволяют получить при одних и тех же размерах сопротивления от 100 Ом до 50 кОм, а коэффициенты чувствительности - от -100 до 200. К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов следует отнести их малую механическую прочность, высокую чувствительность к воздействию внешних условий и существенный раз­ брос от образца к образцу.

В тензорезистивном измерителе ускорений типа МП-02 для измере­ ния перемещений инерционной массы использованы ненаклеиваемые под­ весные тензорезисторные решетки. Опорные штифты решеток изготовлены из рубина. Инерционная масса закреплена на двух параллельных плоских пружинах; тензорезисторные решетки смонтированы на инерционной мас­ се и корпусе так, что при ускорении сопротивление одной решетки увели­ чивается, а другой - уменьшается.

Датчики МП-02 выпускают двух типов: для измерения ускорения до ±8 g в частотном диапазоне до 10 Гц и ускорения до ±15 g в частотном

диапазоне до 20 Гц. Сопротивление подвесных тензорезисторов 200 или 400 Ом. Датчик размешен в герметизированном корпусе, заполненном поликсилоксановой жидкостью.

Вэлектромагнитных (индуктивных, дифференциальных индуктив­ ных и дифференциальных трансформаторных) датчиках линейных ускоре­ ний инерционная масса - якорь - закреплена на пружинах и перемещается под действием ускорения относительно сердечника, на котором размещены одна или несколько обмоток. Обмотки индуктивных датчиков включаются

всхему моста переменного тока, частота питания 2 - 5 кГц.

Вприборе ЭА-12 применен дифференциальный датчик со следую­ щими техническими характеристиками:

Для измерения ускорения отдельных узлов металлорежущих станков разработан дифференциальный трансформаторный датчик линейных уско­

Простейшие емкостные датчики также применяются для измерения параметров вибрации, у них мал линейный участок характеристики при изменении зазора между обкладками. Дифференциальные емкостные дат­ чики имеют значительный линейный участок, и на их базе строятся емко­ стные датчики линейных ускорений.

В работе [9] описан емкостный дифференциальный датчик постоян­ ных ускорений уравновешивающего преобразования. Датчик содержит инерционную массу, к которой прикреплена средняя пластинка дифферен­ циального емкостного датчика. Емкости С\ и Сг дифференциального дат­

чика включены в схему моста переменного тока. При отсутствии ускорения Ci = С-2 = Со и мост уравновешен. При наличии ускорения инерционная масса смещается, изменяются емкости Ci и Сг, причем если С\ = Со + АС, то Сг = СоАС. Мост переменного тока выходит из состояния равновесия;

на выходе его появляется напряжение определенной фазы, которое усили­ вается и через фазочувствительный выпрямитель подается в электромаг­ нитный механизм обратной связи. Электромагнитный механизм создает усилие, действующее на инерционную массу (противодействующее пере­ мещению инерционной массы при наличии ускорения). По току механизма обратной связи можно определить ускорение

JBW = та,

где J - ток фазочувствительного выпрямителя;

В- индукция постоянного магнита механизма обратной связи;

т- масса чувствительного элемента;

W- число витков катушки электромагнитного механизма.

Полярность тока определяет направление ускорения.

Частотные датчики линейных ускорений. Наиболее распространен­ ными типами частотных ИП являются струнные вибрационно-частотные датчики. Для увеличения линейного участка характеристики датчики де­ лают двухструнными. Обе струны крепятся к корпусу и инерционной мас­ се. При наличии ускорения натяжение одной струны увеличивается, а дру­ гой уменьшается. Собственная частота струны определяется как

где п - номер гармоники (обычно равный единице);

£- длина струны;

а- механическое напряжение в струне;

р- плотность материала струны.

У двухструнного преобразователя линейных ускорений частоты f\ и fi при наличии ускорения подаются на смеситель, где выделяется разность частот, пропорциональная ускорению а.

Струнные ИП имеют недостаток, сравнительно малую временную стабильность. Это объясняется тем, что натянутая струна испытывает ме­ ханические напряжения, достигающие 20 -100 кГс/см2, что вызывает ре­ лаксацию напряжений в ней, а также приводит к выползанию ее из зажи­ мов.

Библиографический список

1.Агейкин Д.И., Костина Е.И., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. М., 1965.

2.Адюковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения. Л.,

1966.

3.Волосов С.С., Пядь Е.И. Приборы для автоматического контроля в машиностроении. М., 1970.

4.Ефтихеев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров

В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М., 1990.

5.Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. М., 1976.

6.Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических ве­

личин. М , 1970.

7.Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Спра­ вочник: В 2 кн. / Под ред. В.В. Клюева. М , 1978. Кн. 1.

8.Проектирование датчиков для измерения механических величин.

/Под ред. Е.П. Осадчего.М., 1979.

9.Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л.,

1987.

10. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П.В. Новицкого.Л., 1975.

Преобразователи характеризуются коэффициентом преобразования, диапазоном измеряемых перемещений, скоростей, ускорений, частот, тем­ пературным диапазоном, погрешностями измерения и т.д.

По принципу действия преобразователи разделяют на генераторные

и параметрические. К генераторным относятся преобразователи пьезоэлек­ трические, индукционные и на эффекте Холла.

Из всего многообразия существующих измерительных преобразова­ телей (ИП) вибрации наибольшее распространение получили пьезоэлек­ трические, индукционные, вихретоковые, трансформаторные, емкостные и тензорезистивные. Преимущества бесконтактных ИП вибрации заключа­ ются в возможности проведения измерений с повышенной точностью в труднодоступных местах в условиях высоких температур и агрессивных сред. В бесконтактных ИП вибрации используются электромагнитные и магнитные методы, а также оптические, радиоволновые, акустические и радиационные методы.

В общем комплексе существующих датчиков наиболее полно требо­ ваниям практики удовлетворяют вибродатчики с пьезоэлектрическими ИП. На сегодня они почти полностью вытеснили все остальные.

7.1. Пьезоэлектрические преобразователи

Для измерения динамических процессов наиболее широко применя­ ются пьезоэлектрические ИП, в которых в качестве чувствительного эле­ мента используются монокристаллические или поликристаллические ма­ териалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Область приме­ нения пьезоэлектрических ИП непрерывно расширяется. Раньше их при­ меняли для измерений только на высоких частотах. Сейчас они начали ус­ пешно использоваться на частотах от единиц и десятых долей герца.

Успехи в электронике (разработка полевых транзисторов, модульных элементов) привели к созданию ИП, совмещенных в одном корпусе с со­ гласующим усилителем - пьезотронов. Для них не требуются дефицитные специальные антивибрационные кабели, они позволяют устанавливать ИП на любом расстоянии от виброизмерительной аппаратуры (в пределах не­ скольких сот метров). Однако динамический диапазон и температура огра­ ничены возможностями деталей согласующего усилителя.

Используя усилители заряда, можно устранить влияние длины со­ единительного кабеля на коэффициент преобразования. Американская фирма «Эндевко» создала высокотемпературные пьезоэлектрические ИП, способные работать до 760 °С.

Действие пьезоэлектрических ИП основано на использовании пря­ мого пьезоэффекга, т.е. свойства пьезоэлектриков генерировать заряд под действием приложенной к ним механической силы. Деформация пьезоэле-

мента и возникающий при этом электрический заряд пропорциональны ус­

корению:

q = d-F=dm-a,

где q - заряд на гранях пьезоэлемента;

d - чувствительность к единице силы (пьезомодуль); т - масса инерционного элемента ИП; а - ускорение объекта.

Основные преимущества пьезоэлектрических ИП: широкий диапазон рабочих частот, большая вибрационная и ударная прочность, простота конструкции, малая чувствительность к магнитным полям, возможность создания высокотемпературных преобразователей и преобразователей с малыми размерами и массой.

Основные недостатки пьезоэлектрических ИП - наличие большого выходного сопротивления, зависимость выходного напряжения от длины кабеля (при работе с усилителем напряжения) и невозможность измерения постоянной составляющей динамического процесса.

Основными техническими характеристиками пьезоэлектрических ИП являются: коэффициент преобразования, мВ-с2/м; резонансная частота закрепленного преобразователя, кГц; относительный коэффициент попе­ речного преобразования, %; емкость, пФ; диапазон рабочих температур, °С; акустическая чувствительность, м/с2; чувствительность к деформации, м/с2; чувствительность к переменному магнитному полю, м/с2; размеры, масса и тип крепления на объекте.

Существующие ИП можно классифицировать по следующим при­ знакам:

-по виду деформации пьезоэлемента (работающие на сжатие-растя­ жение, сдвиг, изгиб);

-по способу закрепления пьезоэлемента (клееные, с предваритель­ ным поджатием, клеено-поджатые);

-по способу закрепления на объекте (прижимные, клеено-прижим­ ные и приклеиваемые).

Для решения различных задач проектируются и серийно выпускают­ ся необходимые типы вибродатчиков, приведенные в табл. 7.1.

Технические характеристики отечественных пьезоэлектрических ИП, широко описанных в технической литературе, приведены в табл. 7.2. В этой таблице характеристики обобщены на всю серию указанного типа (например, ИС-70,ИС-234, ИС-312, ИС-360, ..., ИС-579).

Для нужд ракетно-космической техники разработаны и серийно вы­ пускаются пьезоэлектрические датчики типа АНС и АВС, а также вынос­ ные согласующие устройства, выполняющие функции преобразователя импеданса и фильтра нижних частот. Технические характеристики этих