ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.05.2020
Просмотров: 171
Скачиваний: 3
КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Измерительным преобразователем называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Физическая величина, характеризующая объект измерений (температура, давление и другие), называется измеряемой величиной. Совокупность операций, направленных на установление численного значения физической величины, составляет процесс измерения. Если при измерении используются электронные средства обработки сигнала, необходимо сначала преобразовать измеряемый параметр в эквивалентную электрическую величину, причем как можно точнее. Это значит, что полученная электрическая величина должна содержать всю информацию об измеряемом параметре.
Датчик это устройство, которое, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины, выдает эквивалентный сигнал, обычно электрической природы (заряд, ток, напряжение или импеданс).
Измерительные преобразователи характеризуются чувствительностью, динамическим диапазоном, пределом и погрешностями преобразований
Под чувствительностью преобразователя понимают отношение изменения сигнала на выходе к вызывающему его изменению измеряемой величены. Различают абсолютную и относительную чувствительность:
Абсолютная чувствительность.
;
Относительная чувствительность.
;
где L изменение сигнала на выходе;
Х измеряемая величина;
Х изменение измеряемой величины.
Предел преобразования наибольшее значение входной величины, которое воспринимается измерительными преобразователями без искажений и повреждений.
Динамический диапазон измерений характеризуется наибольшим и наименьшим значениями входных величин, измерения которых производятся без искажений.
Под погрешностью измерений в общем случае понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
Измерительные преобразователи определяются также динамическими характеристиками, которые описывают их поведение при быстрых изменениях измеряемых величин.
К динамическим характеристикам, в частности, относят амплитудно-частотные и фазовые характеристики. Частотная характеристика определяет зависимость чувствительности измерителей преобразования от частоты изменения входного сигнала, а фазовая характеристика зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной измеряемых величин от частоты синусоидального изменения входной измеряемой величины.
При измерении параметров вибрации используют два принципа измерения. Кинематический принцип заключается в том, что измеряют координаты точек исследуемого объекта относительно выбранной неподвижной системы координат, например неподвижных элементов измерительного прибора или неподвижных объектов вне прибора.
Приборы, действие которых основано на кинематическом принципе измерения, называют приборами измерения параметров вибрации относительно неподвижных координат.
Динамический принцип заключается в том, что параметры исследуемого вибрационного процесса измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, сочленяемого с вибрирующим объектом через упругий подвес.
Измерительные преобразователи инерционного действия, реализующие динамический принцип измерения, являются измерителями абсолютных значений параметров вибрации исследуемых объектов. Абсолютные измерения вибраций обеспечиваются за счет использования инерционной массы, вывешенной на упругом подвесе, который при достаточно высоких частотах вибрации сохраняет инерционный элемент практически в состоянии покоя.
По принципу работы измерительные преобразователи абсолютной вибрации разделяют на генераторные и параметрические. Измерительные преобразователи абсолютной вибрации являются контактными измерителями (смотри рисунок ).
Генераторные измерительные преобразователи осуществляют прямое преобразование механической энергии в электрический сигнал. К ним относят измерительные преобразователи, действие которых основано на эффекте Холла, пьезоэлектрические, индукционные и другие.
Параметрические измерительные преобразователи представляют собой устройства, в которых под действием измеряемых входных механических величин изменяются электрические параметры схем: сопротивление, емкость, частота и так далее.
Особенностью параметрических измерителей, является наличие внешних источников питания и демодуляторов, фиксирующих изменение электрических параметров. К параметрическим измерительным преобразователям относят: резистивные, реостатные, тензорезисторные, емкостные, индуктивные, трансформаторные, магнитоупругие, вихре токовые, вибрационно-частотные, электронно-механические и другие.
Из всего многообразия существующих измерителей преобразования наибольшее распространение получили преобразователи различных конструкций и принципа действия. Это пьезоэлектрические, тензорезистивные, индукционные, электромагнитные (индуктивные), емкостные и струнные.
Каждый из перечисленных измерительных преобразователей имеет свою область рационального применения.
Так, пьезоэлектрические измерительные преобразователи наиболее целесообразно использовать при наличии в динамическом процессе широкого спектра частот (до нескольких десятков тысяч герц) и больших значений ускорений.
Тензорезистивными, индуктивными, вибрационно-частотными и емкостными измерителями преобразования целесообразно одновременно измерять переменную и постоянную составляющие динамического процесса.
Наиболее полно требованиям измерений вибраций и удара машин и механизмов удовлетворяют пьезоэлектрические и тензорезистивные вибропреобразователи. Тензорезистивные вибропреобразователи имеют небольшие размеры чувствительного элемента и инерционной массы. Их собственные частоты находятся в пределах 10... 180 кГц, и поэтому они могут применяться для измерений больших уровней ударных и вибрационных ускорений (до 106 м/с2) в диапазоне частот от 0 до 50... 60 кГц. В то же время используемые в них в качестве чувствительных элементов полупроводниковые тензорезисторы обеспечивают высокую чувствительность вибропреобразователей при их низком выходном сопротивлении, что очень важно в случаях воздействия различных электрических помех и наводок. Поскольку их рабочий частотный диапазон начинается от нуля, то они успешно могут использоваться для измерений параметров вибраций и удара в области инфранизких частот. В рабочем диапазоне частот тензорезистивные вибропреобразователи практически не вносят фазовых искажений измеряемых процессов, что чрезвычайно важно при измерениях амплитудных значений ударных ускорений и определении взаимных спектральных и корреляционных характеристик вибрационных ускорений. К недостаткам тензорезистивных вибропреобразователей следует отнести их малую чувствительность в области высоких частот, требуются четырех проводная соединительная линия и источник питания чувствительных элементов.
Наиболее широко применяют для измерений вибрационных процессов пьезоэлектрические вибропреобразователи, которые по своим техническим и метрологическим характеристикам превосходят все другие типы вибропреобразователей. Основными преимуществами таких преобразователей являются: достаточно высокая чувствительность, широкий частотный и динамический диапазоны измерений, высокая термостойкость, большая вибрационная и ударная прочность, простота конструкции, малая чувствительность к магнитным полям, относительно небольшие размеры и масса, возможность создания высокотемпературных преобразователей. Главный недостаток пьезоэлектрических вибропреобразователей — их высокое выходное сопротивление, из-за которого предъявляются повышенные требования к помехоустойчивости и изоляционным характеристикам соединительного кабеля и входных цепей усилительно-преобразующей аппаратуры. Попадание влаги или масла в вибропреобразователь, соединительный кабель или разъем может привести к потере чувствительности и дополнительной неравномерности амплитудно-частотной характеристики в области низких частот. Особенно сильно это сказывается при использовании в качестве вторичного устройства усилителя напряжения с высоким входным сопротивлением.
Большое распространение имеют также индукционные вибродатчики, в которых массой является постоянный магнит, совершающий вынужденные колебания относительно соленоида, посаженного в корпус и неподвижно скреплённого с точкой измерения. Таким образом, в соленоиде наводится электродвижущая сила, пропорциональная относительной скорости движения магнита и соленоида.
Рассматриваемые измерители преобразования являются контактными, их закрепляют на исследуемом объекте и кабелем соединяют с контрольно-измерительной аппаратурой. При исследовании крупногабаритных объектов и узлов такое выполнение является оправданным и обеспечивает достаточно высокую точность измерений. Однако в ряде случаев при испытании малогабаритных изделий (радиодетали и другие) применение контактных измерителей преобразования не представляется возможным.
Размеры (масса) измерителей преобразования часто превышают размеры элементов исследуемых объектов.
В ряде случаев при установке измерителей преобразования на объекте нарушается истинный режим испытаний, а при наличии соединительного кабеля искажается полезный сигнал.
Также недостатком контактного метода измерения вибраций с помощью выносного датчика является невозможность контроля амплитуды непосредственно в ходе процесса обработки, а также зависимость показаний прибора от усилия нагружения щупа датчика.
Преимущества бесконтактных измерителей вибрации заключаются в возможности проведения измерений с повышенной точностью в трудно доступных местах в условиях высоких температур и агрессивных сред при наличии различных внешних полей.
В бесконтактных измерителях реализуется кинематический принцип измерения параметров относительных вибраций и используются оптические, радиоволновые, акустические, радиационные, электромагнитные и магнитные методы (смотри рисунок ).
Оптические методы измерения параметров вибрации по способу выделения информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные.К амплитудным методам измерений относят фотоэлектронные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока.
Измерение параметров вибрации, основанное на изменении частоты излучения оптического генератора, отраженного от объекта, производя измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.
Метод измерения выбирают с учетом конкретной задачи, а также с учетом возможности обеспечения необходимой погрешности измерения, чувствительности метода, диапазона измеряемых параметров и так далее.
.1 Некоторые физические явления, реализуемые в датчиках.
Датчик, реализующий термоэлектрический эффект термопара, содержит два проводника с различной химической природы. Их спаи, находящиеся при температурах Т1 и Т2, являются местом возникновения температурной Э.Д.С. Температурная Э.Д.С. пропорциональна измеряемой температуре Т1, когда температура Т2 известна (соответствующий нерабочий спай термопары помещен в среду с постоянной температурой, равной, например, 0°С).
В датчике с пироэлектрическим эффектом определенные кристаллы, называемые пироэлектриками (например, триглицин-сульфата), испытывают спонтанную электрическую поляризацию, зависящую от их температуры, и на двух противолежащих поверхностях появляются электрические заряды противоположных знаков, пропорциональные этой поляризации. Поглощенный кристаллом поток излучения приводит к росту его температуры и к соответствующему изменению поляризации, которое измеряется по изменению напряжения на зажимах конденсатора.
В датчике с пьезоэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле пьезоэлектрика, например кварца, приводит к деформации, вызывающей появление на противолежащих поверхностях кристалла одинаковых по величине электрических зарядов противоположного знака. Таким образом, измерение силы или приводимых к ней величин (давление, ускорение) осуществляется измерением напряжения между зажимами пьезоэлектрика.
В датчике, использующем явление электромагнитной индукции, при перемещении проводника в постоянном электромагнитном поле возникает Э.Д.С., пропорциональная магнитному потоку и, следовательно, скорости его перемещения. Аналогичным образом, когда замкнутый контур подвергается воздействию переменного магнитного потока при перемещении в поле самого контура или источника поля (например магнита), индуцированная в контуре Э.Д.С. равна по величине (и противоположна по знаку) скорости изменения магнитного потока. Таким образом, измерение Э.Д.С. электромагнитной индукции позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом подобного датчика.
В датчиках используются и фотоэлектрические эффекты, различные по своим проявлениям, но объединенные общей причиной их возникновения—освобождением электрических зарядов в веществе под действием светового или, в более общем смысле, электромагнитного излучения, длина волны которого меньше некоторого порогового значения, являющегося характеристикой чувствительного материала.
Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Освобожденные в нем фотоэлектроны покидают освещенный фотокатод и образуют пропорциональный освещенности ток, текущий к аноду под действием приложенного электрического поля.
Полупроводниковый фотодиод с внутренним фотоэффектом. Электроны и дырки, освобожденные в окрестностях освещенного рn перехода в полупроводнике, перемещаясь под действием электрического поля, вызывают изменение напряжения на границах полупроводника.
Датчик на основе фотоэлектромагнитного эффекта. Приложение магнитного поля, перпендикулярного падающему излучению, вызывает в освещенном полупроводнике появление электрического напряжения в направлении по нормали к полю и падающему излучению.
Датчик на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пластину) полупроводника, находящийся в однородном магнитном поле, в направлении, перпендикулярном полю, возникает Э.Д.С. Датчик Холла используют для измерения перемещений объектов, а также величин, преобразуемых в перемещения, например давления. Постоянный магнит датчика механически связывают с объектом, и при смещении магнита пропорционально изменяется выходное напряжение датчика (ток при этом постоянен).