Методические указания к лабораторным работам по курсу «Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов» Москва 2007 (стр. 1 из 2)
Министерство
образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Московский государственный институт электроники и математики
(Технический университет)
Кафедра метрология
и сертификации
Исследование струнного
преобразователя линейных размеров
Методические указания к лабораторным работам
по курсу «Теория и расчет измерительных преобразователей
и приборов»
Москва 2007
Составитель ассистент Д. В. Пленкин.
УДК
Исследование струнного преобразователя линейных размеров: Метод. указания к лабораторным работам по курсу «Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов» / Моск. гос. ин-т электроники и математики; Сост.: Д. В. Пленкин. М. 2007. – 13 с.
Табл. 3. Ил. 5. Библиогр.: 3 назв.
Методические указания к лабораторной работе являются составной частью учебно-методической документации по дисциплинам «Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов».
Лабораторная работа выполняется в течение 1-го часа.
Основным содержанием работы является определение метрологических характеристик дифференциального струнного преобразователя в различных режимах работы.
ISBN 978-5-94506-161-3
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является изучение принципа действия струнных преобразователей линейных размеров и обработки результатов измерений.
В процессе выполнения работы студенты определяют метрологические характеристики средства измерения угла наклона на базе струнного преобразователя – статическую характеристику, чувствительность и основную погрешность.
Теоретические сведения
Назначение и принцип действия струнных преобразователей
Струнные преобразователи, изучаемые в данной работе, применяются для относительных измерений линейных размеров в диапазоне до 200 мкм. Основной областью их применения является контроль геометрических параметров изделий в машиностроении.
Принцип действия струнных преобразователей основан на использовании зависимости частоты собственных поперечных колебаний струны от ее продольного натяжения.
Для идеально гибкой струны, жестко закрепленной с обоих концов, эта частота определяется следующим выражением:
, (1)где
– плотность, площадь поперечного сечения и длина струны, 
– механическое напряжение в струне, 
– сила продольного натяжения струны, 
– номер гармоники колебаний (как правило, используется возбуждение колебаний на первой гармонике).При расчете преобразователей повышенной точности или при отношении длины струны к ее толщине, меньшем 300 необходимо учитывать влияние поперечной жесткости струны. В этом случае выражение для определения частоты собственных поперечных колебаний может быть записано следующим образом:
, (2)где
.В приведенных выражениях:
– толщина струны, 
– модуль продольной упругости (модуль Юнга), 
– плотность материала струны, 
– осевой момент инерции поперечного сечения. Произведение 
представляет собой жесткость при изгибе.Для измерения частоты собственных поперечных колебаний струны ее помещают в постоянное магнитное поле (рис. 1). Колебания струны вызывают возникновение в ней ЭДС, при этом частота переменного напряжения на концах струны будет соответствовать частоте ее поперечных колебаний. Для возбуждения и поддержания колебаний в струне используются струнные автогенераторы.
Рис. 1. Натянутая струна в постоянном магнитном поле
Сущность метода заключается в том, что измеряемая физическая величина либо непосредственно, либо через цепь предварительных преобразователей приводит к изменению силы натяжения струны, а, следовательно, к изменению частоты ее поперечных колебаний.
Изменение частоты колебаний струны ведет к изменению частоты электрического сигнала, соответственно входной величиной струнного ИП является продольно действующая сила, вызывающая натяжение струны, а выходной – частота электрического сигнала, проходящего по струне.
Наиболее простым и часто используемым способом измерения частоты собственных поперечных колебаний струны является включение струнного преобразователя в качестве частотозадающего элемента автогенератора (рис. 2).
Рис. 2. Струнный автогенератор
Формирование выходного сигнала автогенератора происходит следующим образом:
1. Колебания струны в поле постоянных магнитов приводят к возникновению ЭДС;
2. Переменное напряжение с диагонали моста подается на электронный усилитель (У);
3. С выхода усилителя через резистор обратной связи (Rос) на вершину моста подается ток подкачки для поддержания колебаний струны;
4. Частотомером (Ч) производится измерение частоты колебаний электрического сигнала на выходе преобразователя.
Таким образом, входным сигналом для струнного преобразователя является продольно действующая сила, растягивающая струну, а выходным – частота колебаний автогенератора.
Основным недостатком описанного выше преобразователя является нелинейность статической характеристики (это следует из выражений (1) и (2)). Для устранения этого недостатка используют дифференциальную схему измерения, т.е. включение двух идентичных струн так, чтобы при изменении измеряемой величины натяжение одной из них усиливалось, а второй – уменьшалось. Добиться этого можно, используя Т-образный рычаг (рис. 3).
Рис. 3. Дифференциальный струнный преобразователь с Т-образным рычагом
Выходной величиной такого преобразователя чаще всего является разность или отношение частот. Это позволяет получить функцию преобразования с относительно большим (по сравнению с однострунным преобразователем) линейным участком.
Конструкция преобразователя УИП-4
Преобразователь УИП-4, исследуемый в данной лабораторной работе, предназначен для замены механических измерительных головок (микрокаторов) в тех случаях, когда необходимо обеспечить автоматическую регистрацию результата измерения.
Основным элементом УИП-4 является унифицированный измерительный преобразователь УИП-3 (рис. 4). Отличительной чертой этого преобразователя является то, что он может применяться для измерения значений широкого спектра физических величин – усилий, давления, температуры, перемещений и ряда других величин (условием является возможность преобразования измеряемой величины в перемещение измерительного наконечника).
Унифицированный струнный преобразователь содержит следующие основные функциональные элементы (рис. 4): две параллельно расположенных струны 2, помещенных в магнитное поле двух одинаковых магнитных систем 1; подвижные концы струн закреплены на подвижном рычаге 3, закрепленном на торсионе 4. Рычаг с измерительным наконечником 5 обеспечивает расширение пределов измерения перемещений в направлении X за счет снижения чувствительности. Размеры торсиона и струн выбирают так, что измерительное усилие, в основном, определяется жесткостью струн.
Рис. 4. Унифицированный струнный преобразователь УИП-3
Как было показано выше, УИП-3 является частью преобразователя УИП-4 (рис. 5). Принцип действия УИП-4 заключается в следующем: перемещение, воспринимаемое измерительным стержнем 1, передается на измерительный наконечник 2 датчика УИП-3, и далее сигнал через систему струн 3, посредством разъема 4, передается в согласующее устройство (СУ).
Рис. 5. УИП-4
Исследуемый преобразователь УИП-4 является дифференциальным. Но работа с ним возможна как в дифференциальном режиме, так и в режиме использования только одной струны из двух. Измеряемыми параметрами, соответственно, могут быть отношение частот, разность частот, частота (при работе с одной струной) и период (также при работе с одной струной).
Метрологические характеристики
Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Метрологической характеристикой называют характеристику одного из свойств средства измерений, влияющую на результат измерений и на его погрешность.
Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действительными метрологическими характеристиками.