Стробоскопический метод измерения скорости

На рис. 3.47. приведена структура стробоскопического метода.

Р ис. 3.47. Структура стробоскопического метода

Стробоскопический метод сличения двух периодических процессов основан на свойстве глаз удерживать некоторое время зрительное впечатление предмета, уже скрывшегося из поля зрения (зрительное последствие). Поэтому при освещении вращающегося объекта прерывистым светом изображение объекта кажется неподвижным. На вращающий объект измерения наносится элемент асимметрии – метка, которая при достижении скорости вращения объекта выше 500 об/мин. становится невидимой наблюдателю. Если объект, вращающийся с частотой f, освещать кратковременными световыми импульсами частотой равной частоте вращения объекта, тогда за один период частоты вспышек частота вращения объекта равна единице. В этот момент объект и нанесенная на нем метка кажутся неподвижными наблюдателю. Кажущая остановка называется «первой единичной стробоскопической остановкой». Единичная стробоскопическая остановка наблюдается и тогда, когда частота вращения вала больше, чем частота вспышек в K раз. Если частота вращения вала в два раза больше частоты вспышек, то возникает «вторичная единичная стробоскопическая остановка метки» и т.д. При частоте вспышек в два раза больше частоты вращения объекта за один оборот объекта на него попадает две вспышки света и наблюдатель увидит две неподвижные диаметрально расположенные метки. При частоте вспышек в три раза больше частоты вращения объекта наблюдатель увидит три симметрично расположенные неподвижные метки и т.д. Если частота генератора немного отличается от частоты вращения, то метка будет плавно перемещаться по направления либо против направления вращения объекта. Измерение скорости вращения объекта надо начинать с больших значениях частоты генератора и плавно снижая ее добиться «первой стробоскопической остановкой метки». Значение частоты вращения объекта снимается с индикатора частоты генератора.

Точность измерения стробоскопическим методом определяется стабильностью работы генератора (0,01%). Стробоскопический метод является образцовым для проверки вышеописанного частотного оборудования, а также для измерения частоты вращения режущего инструмента и частоты вибраций элементов оборудования.

Измерение постоянных ускорений

Устройства, служащие для измерения ускорения подвижных объектов, называются акселерометрами. Линейное ускорение обычно преобразуется в силу инерции:

F_и = m·a,

где m – инерционная масса.

Инерционная масса подвешивается на пружину (пружины) и при ускорении деформирует ее. Сила упругости пружины

F_пр = c·Δδ,

где c – жесткость пружины, Δδ – сжатие (деформация) пружины.

Если измеряемое ускорение постоянно, а движение равноускоренное или равнозамедленное, то после некоторого переходного процесса инерционная масса, деформировав пружину, примет положение, соответствующее измеряемому ускорению. При этом

F_и = F_пр, c·Δδ = ma, Δδ=

Для преобразования перемещения Δδ в электрический сигнал в акселерометрах используются резистивные, тензометрические, электромагнитные, емкостные, струнные и другие преобразователи. Минимальный диапазон Δδ составляет 0,1÷ 10 мм, диапазон собственных частот не превышает 100 Гц.

Н а рис. 3.48 показана конструкция резистивного датчика линейных ускорений.

Рис. 3.48. Резистивный датчик линейных ускорений

В резистивном датчике линейных ускорений инерционная масса 3, смещаясь на величину Δδ, через систему рычагов перемещает щетку реостатного датчика 5, закрепленного в корпусе 1. Масса подвешена на пружине 4. Для демпфирования колебаний применяется устройство 2. При наличии равноускоренного движения в направлении Х, масса m под действием силы инерции смещается вниз относительно корпуса, перемещая щетку. Серийно выпускаются акселерометры с реостатными датчиками типа ЭА-8, ЭА-18А, ЭА-19, ЭА-20. Основная погрешность составляет ± (1 ÷ 2)%.

Тензометрический датчик линейных ускорений, приведенный на рис. 3.49, 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 и равного сопротивления, на которую наклеиваются тензорезисторы 2. Инерционная масса m закрепляется на свободном конце консоли.

Р ис. 3.49. Тензометрический датчик линейных ускорений

При равноускоренном движении корпуса 3, масса m под действием силы инерции будет смещаться относительно корпуса, деформируя балку. В более сложных конструкциях тензометрических акселерометров чувствительный элемент выполнен в виде двух консольных балок, на которые крепится инерционная масса. Для датчиков ускорений применяют металлические тензодатчики. Коэффициент тензочувствительности S_m для константановых резисторов: 2±0,2. Номинальный рабочий ток ≈ 30 мА.

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 воздействиям внешней среды и существенный разброс характеристик.

В электромагнитных (индуктивных, дифференциальных индуктивных и дифференциальных трансформаторных) датчиках линейных ускорений инерционная масса – якорь – закреплена на пружинах и перемещается под действием ускорения относительно сердечника, на котором размещены одна или несколько обмоток.

Для измерения линейных ускорений находят применение дифференциальные емкостные преобразователи, где линейный участок значительно больше. На рис. 3.50 приведена схема компенсационного датчика линейных ускорений с электромагнитным уравновешиванием. Инерционная масса 1 может перемещаться на опорах, к ней прикреплена катушка обратной связи 2. К инерционной массе крепится средняя пластина дифференциального емкостного датчика. При отсутствии ускорения С_{1 =} С₂ мост, образованный катушками L₁ и L₂ и этими емкостями, уравновешен ΔU = 0.

Р ис. 3.50. Cхема компенсационного датчика линейных ускорений с электромагнитным уравновешиванием

При наличии ускорения a (указано стрелкой) инерционная масса сместится влево, емкость дифференциального конденсатора С₁ увеличится, а С₂ уменьшится. Мост выйдет из равновесия, напряжение дебаланса моста ΔU поступает на вход усилитель УС и выпрямляется с учетом сдвига фаз между опорным напряжение и напряжением с выхода усилителя. Выпрямленное напряжение с выхода фазочувствительного выпрямителя через резистор R₀ подается на катушку 2 обратной связи. Средний ток I_1, протекая по катушке 2, создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита 3, противодействует смещению массы и уменьшает ее смещение. Сила инерции F_и уравновешивается электромагнитной силой

F_э = I₁W,

где I₁ – ток, протекающий по катушке, W – число витков катушки.

При равенстве сил

ma = I₁W,

или

I₁ = m/W·a.

Ток I₁, пропорциональный ускорению, протекает по резистору R₀, формируя выходное напряжение:

.

Полярность тока определяет направление ускорения, а, следовательно, и полярность выходного напряжения U_x.

Д ля измерения линейных ускорений могут применяться струнные вибрационно-частотные датчики. Для увеличения линейного участка датчики делают двухструнными, который приведен на рис. 3.51. В корпусе 1 располагается инерционная масса m, к которой крепятся струны 2, 3, другие концы которых прикрепляются к корпусу.

Рис. 3.51. Двухструнный датчик

Струны предварительно натянуты и собственные частоты колебаний их одинаковы. При наличии ускорения a инерционная масса смещается в противоположную сторону, натяжение струны 3 увеличивается, а струны 2 уменьшается, следовательно, изменяются их частоты колебаний: f₂ = f₀ – Δf; f₃ = f₀ + Δf. Для выделения разности частот их необходимо подать на смеситель. Разность частот пропорциональна ускорению a. Недостатком струнных датчиков линейных ускорений является их временная нестабильность – натянутая струна испытывает механические напряжения, что вызывает релаксацию напряжения в ней, а также приводит к выползанию ее из зажимов. Генераторы возбуждения струн на рис. 3.51 не указаны.