«Электрорадиоизмерения» (стр. 3 из 6)

Вся конструкция помещена в корпус, жестко скрепленный с объектом измерения. При колебании корпус с катушкой перемещается относительно неподвижного в пространстве магнита, при этом витки катушки пересекают магнитные силовые линии, и в катушке наводится электродвижущая сила e_k, пропорциональная скорости колебания объекта измерения.

Приборы, с помощью которых измеряется скорость колебаний, называются волосиметрами.

Чтобы с помощью индукционного преобразователя измерить амплитуду колебаний, необходимо от скорости колебаний перейти к амплитуде перемещения путем интегрирования выражения для e_k. Физическое интегрирование e_k осуществляется с помощью специальной интегрирующей электрической цепи, составленной из емкости и сопротивления (рис. 5).

Для этой схемы уравнение мгновенных значений ЭДС будет иметь вид:

2.3. Емкостные преобразователи

Емкостным преобразователем является плоский или цилиндрический конденсатор, емкость которого изменяется с изменением измеряемой неэлектрической величины.

Как известно, емкость плоского конденсатора выражается формулой:

где ε — диэлектрическая проницаемость; s — площадь обкладки; δ — расстояние между обкладками.

Измеряемая неэлектрическая величина может быть функционально связана либо с диэлектриком, либо с площадью, либо с расстоянием между обкладками.

На рис. 8, а иллюстрируется принцип действия емкостного преобразователя прибора для измерения уровня жидкости. Он представляет собой коаксиальный конденсатор.

Для каждого значения уровня емкость преобразователя может быть определена как емкость двух параллельно соединенных конденсаторов. Один конденсатор образован частью электродов и диэлектриком — жидкостью, уровень которой измеряется, а второй образован остальной частью электродов и диэлектриком Я воздухом.

Если трубка преобразователя была бы заполнена воздухом, то емкость конденсатора можно было бы выразить с достаточной точностью следующей формулой:

где а — конструктивный параметр преобразователя, зависящий от поверхности внутреннего стержня, внутренней поверхности трубки и расстояния между электродами; l₀ - полная длина преобразователя (трубки); е₀ - диэлектрическая проницаемость воздуха.

Если часть трубки длиной l заполнена жидкостью с диэлектрической проницаемостью ε то емкость этой части преобразователя составит:

С₁= alε а полная емкость преобразователя:

С= alε+ a(l₀ - l)ε₀

Таким образом, С = f(l).

На рис. 8, б демонстрируется принцип использования емкостного преобразователя для измерения малых перемещений Х или других механических величин (силы, давления и др.), вызывающих перемещение подвижной обкладки 1 относительно неподвижной обкладки 2.

При использовании емкостных преобразователей необходимо обратить особое внимание на влияние паразитных емкостей, главным образом емкости соединительных проводов (линии) относительно земли. Во многих случаях паразитные емкости сравнимы с емкостью преобразователя. Поэтому вопросом экранирования соединительных проводов и правильного выбора точки заземления измерительной цепи следует уделять большое внимание.

Экранирование самого преобразователя от влияния электрических полей также весьма важно, обычно экраном служит металлический корпус преобразователя.

Рис. 8 Принципиальные схемы емкостных преобразователей:

а — для измерения уровня жидкости; б - для измерения малых перемещений; 1 - подвижная обкладка конденсатора; 2 - неподвижная обкладка конденсатора

2.4. Тензорезисторы

Тензорезисторы предназначены для измерения деформаций и механических напряжений, обусловленных этими деформациями. Они представляют собой тонкую (диаметром 0,02...0,04 мм) зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги 1 проволоку А (рис. 9, а), изготовленную из материала высокого удельного сопротивления. Бумага с проволокой прочно приклеивается к поверхности испытуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с длинной стороной петель проволоки. Для приклейки тензорезисторов к исследуемым деталям применяют специальные клеи. Разработаны клеи для работы в нормальных условиях (БФ-2; БФ-4, ацетоноцеллулоидные), в условиях повышенных и высоких температур—до 600-700° С (Б-56, ВН-15), а также при работе во влажной среде или в воде. Тогда при деформациях детали, например при ее растяжении или сжатии, проволока будет воспринимать эти деформации, вследствие этого ее длина l и диаметр будут изменяться. Кроме того, как показывает опыт, при этом может измениться и ее удельное сопротивление. В результате произойдет изменение сопротивления R проволоки, являющееся функцией деформации детали и, следовательно, функцией механических напряжений в ней.

Относительное изменение сопротивления может быть выражено следующим образом:

где ∆l/l - относительная деформация; σ — напряжение в детали.

Опыт показывает, что функция /(5) при небольших деформациях является линейной:

Для изготовления тензорезисторов целесообразнее использовать такую проволоку, которая обладала бы возможно большей чувствительностью, т. е. возможно большим значением коэффициента К. Чаще всего для ее изготовления используется проволока из константана, для которого К = 1,9...2,1.

Так как относительные деформации ∆l/l, например, стальных деталей в пределах упругих деформаций не превосходят 2,5 • 10^-3, то ∆R/R = К∆l/l не превосходят 5 • 10^-3, т.е. 0,5 %. При столь малых рабочих изменениях сопротивления преобразователя весьма важно, чтобы изменение его сопротивления из-за возможных колебаний температуры испытуемой детали, к которой он приклеен, не вызывало изменения показаний прибора. Поэтому проволока должна обладать возможно меньшим температурным коэффициентом сопротивления. Константановая проволока имеет достаточно малый температурный коэффициент сопротивления от 0,02 до 0,05 % на 10 °С. Однако при изменении температуры, например на 20 °С, относительное изменение сопротивления такой проволоки может достигать 0,1 %, что соизмеримо с рабочим изменением сопротивления, обусловленным измеряемой деформацией.

С точки зрения малого температурного коэффициента лучше всего использовать манганин, однако относительная чувствительность коэффициента манганиновой проволоки в три-четыре раза меньше, чем чувствительность проволоки, изготовленной из константана.

При использовании тензорезистора необходимо принимать меры для компенсации температурной погрешности.

Длина петли преобразователя l называется базой преобразователя. Размеры тензорезисторов колеблются от 2,5 до 150 мм по длине и от 3 до 60 мм по ширине. Сопротивление преобразователя чаще всего составляет 100...200 Ом. К концам проволоки, уложенной зигзагообразно на бумагу, привариваются или припаиваются выводы 3 (см. рис. 9, а). Увеличение числа витков тензометра будет повышать его чувствительность.

В настоящее время тензорезисторы также изготовляются из тонкой фольги. Для этого на ленте из фольги путем травления выбирается часть металла таким образом, что оставшаяся часть материала образует форму тензорезистора.

Проволочные преобразователи применяются непосредственно для измерения деформаций. Однако они также используются и для измерения других механических величин, которые могут быть преобразованы в деформацию вспомогательной детали (называемой обычно упругим элементом), воспринимающей измеряемую механическую величину. Например, балку с наклеенными тензорезисторами R₁ и R₂ (рис. 9, б) можно использовать для измерения силы F или перемещений, если объект измерения при своем перемещении будет воздействовать на свободный конец балки, т.е. вызывать ее прогиб. Тогда деформация балки будет функционально связана с измеряемой величиной.

Рис. 9 Тензорезистор (проволочный преобразователь):

а — схема тензометра; б — схема расположения тензометра для измерения силы и деформации; А — проволока; 1 — бумага; 2 — сварка или силы и деформации; 3 — выводы

Рис. 10 Фольговые преобразователи:

а – для измерений линейных деформаций; б – наклеиваемый на мембрану для измерения давления: 1 – подгонные петли; 2 – витки, чувствительные к усилиям, растягивающим мембрану; 3 – витки, чувствительные к сжимающим усилиям; в – наклеиваемый на мембрану для измерения крутящих моментов.