31739 Рецензенты кандидат технических наук главный метролог ФНПЦ ФГУП НИИ физических измерений А

Работа добавлена на сайт samzan.net:

(2.1)

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение ВыСШЕГО профессионального образования

Пензенский Государственный Университет

Федеральное государственное унитарное предприятие

Научно-исследовательский институт физических измерений

Е. А. Мокров, Ю. М. Крысин, А. А. Трофимов, А. Л. Шамраков

ДАТЧИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Учебное пособие

ПЕНЗА 2009

УДК 621.317.39

Рецензенты

кандидат технических наук,

главный метролог ФНПЦ ФГУП НИИ физических измерений

А. И. Диянов;

кандидат технических наук,

начальник научно-технического центра испытаний и метрологического

обеспечения ФГУП НИИ электромеханических приборов

Г. А. Солодимова

Датчики механических величин: учебное пособие / Е. А. Мокров,       Ю. М. Крысин, А. А. Трофимов, А. Л. Шамраков. – Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2009. – 153 с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы теории построения датчиков механических величин и даны рекомендации по применению методов и средств измерений в авиационной и космической технике. Основное внимание уделено перспективным методам и средствам совершенствования измерений параметров изделий авиационной и космической техники как в процессе их изготовления, так и в процессе эксплуатации; рассмотрены электромагнитные, пьезоэлектрические, волоконно – оптические и тензорезисторные датчики.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 200106 "Информационно измерительная техника и технологии".

Е. А. Мокров, Ю. М. Крысин, А. А. Трофимов, А. Л. Шамраков., 2009

Информационно-издательский центр ПГУ, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................4

1 Проектирование тензорезисторных датчиков……...............................6

1.1 Понятие о тензоэффекте.......................................................................................7

1.2 Тензочувствительные материалы................................................................9

1.3 Проволочные тензорезисторы...................................................................10

1.4 Фольговые тензорезисторы........................................................................15

1.5 Полупроводниковые тензорезисторы.......................................................19

1.6 Основные метрологические характеристики тензорезисторов..............21

1.7 Измерительные схемы, включения тензорезисторов..............................30

1.8 Тензорезисторные датчики силы...............................................................37

1.9 Тензорезисторные датчики крутящего момента.....................................42

1.10 Тензорезисторные датчики давления.....................................................47

1.11 Оценка погрешностей тензорезисторов.................................................52

1.12 Оценка метрологических характеристик тензорезисторных

датчиков силы....................................................................................................52

2 Электромагнитные датчики....................................................................56

2.1 Методы построения электромагнитных преобразователей.............57

2.2 Электромагнитные преобразователи перемещений..............................66

3. Оптические и волоконно - оптические датчики.................................85

3.1 Основы теории фотоэлектрических и волоконно - оптических

датчиков………...............................................................................................85

3.2 Общие принципы построения и основные типы фотоэлектрических,

оптических и волоконно-оптических преобразователей.............................91

4 Пьезоэлектрические датчики.................................................................104

4.1 Пьезоэлектрический эффект...................................................................105

4.2 Пьезоэлектрические материалы.............................................................110

4.3 Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя.................116

4.4 Измерительная цепь при использовании прямого  пьезоэффекта......120

4.5 Принцип построения и классификация первичных

пьезоэлектрических преобразователей механических величин...............122

4.6 Пьезоэлектрические акселерометры.....................................................125

4.7 Пьезоэлектрические датчики акустического давления.......................129

4.8 Пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений..............135

4.9 Пьезоэлектрические датчики вибрации и удара..................................140

4.10 Построение математической модели

пьезоэлектрического датчика.......................................................................142

Заключение……………………………………….………………………..149

Список использованной литературы......................................................150

Введение

Измерение единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. При этом число подлежащих измерению механических, тепловых или акустических величин, т.е. так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин образует в настоящее время наиболее крупную и разветвленную область измерительной техники.

Датчики механических величин (ДМВ) [11,12,15,28,34] являются важнейшими элементами информационно-измерительных систем, систем контроля, управления и технической диагностики.

Количество неэлектрических величин, которые подвергаются контролю в изделиях ракетно-космической, авиационной и военной техники, необозримо. Для некоторых неэлектрических величин разработаны специальные способы и средства электрических измерений. Однако для подавляющего большинства неэлектрических величин нет специальных электроизмерительных средств. Эти разнородные неэлектрические величины предварительно преобразуются (неэлектрическими средствами) в универсальную неэлектрическую величину - механическое перемещение. Например: температура (какой-либо детали или блока) преобразуется в перемещение с помощью биметаллических пластин; давление (газа или жидкости) преобразуется в перемещение с помощью мембраны; механическое усилие преобразуется в перемещение с помощью пружины и т.д.

Кроме того, механические перемещения важны и сами по себе, ибо несут информацию о взаимном положении отдельных деталей и узлов механизмов и машин. Поэтому в электроизмерительной технике основное внимание уделяют разработке методов и средств преобразования механических перемещений в электрический сигнал [3,14,22,27].

Методы проектирования датчиков механических величин [18,22,29], базирующиеся на представлении прибора в виде ряда измерительных преобразователей, продолжают оставаться прогрессивными, т.к. позволяют применять известные положения теории измерений, автоматического регулирования и управления, упругости и различных разделов физики для построения математических моделей. Наличие достоверной математической модели поведения ДМВ позволяет оценить ожидаемые эксплуатационные характеристики ДМВ при одновременном воздействии комплекса факторов. Особую значимость имеет разработка математических моделей для ДМВ, предназначенных для эксплуатации на изделиях авиационной и космической техники, отличающейся от других видов техники широкой номенклатурой и уровнями влияющих факторов.

Наряду с указанным развитие современной авиационной и космической техники в части увеличения скоростей, дальностей и высоты полетов и связанное с этим усложнение условий эксплуатации приводят к необходимости улучшения технических характеристик, для применяемых на них ДМВ и к совершенствованию методов их проектирования [10].

Целью выпуска настоящего методического пособия является ознакомление студентов с современными методами проектирования, учитывающих необходимость реализации возросших требований к ДМВ и особенности внедрения в них новых технологий.

1 Проектирование тензорезисторных датчиков

Тензометрический метод преобразования нашел наибольшее применение в измерительной технике во всем мире. Научно-технический прогресс в машиностроении и других областях промышленности привел к существенному усложнению задач и условий измерения: рабочие температуры от минус 269 до 10000С; длительные статические, динамические и ударные нагружения; измерение упругопластических деформаций в концентраторах напряжения и др. Развитие динамометров и датчиков силы тензорезисторного типа потребовало создания тензорезисторов и методов их применения, обеспечивающих измерительным устройствам погрешность измерения до сотых долей процента.

При экспериментальных исследованиях [8] напряженного состояния конструкций, а также в качестве преобразователей упругих деформаций в электрический сигнал в различных измерительных устройствах и чувствительных элементах датчиков широко применяются тензорезисторы.

Принцип тензометрирования с помощью тензорезистора состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление. Эффект изменения удельного сопротивления металлического проводника под действием всестороннего сжатия (гидростатического давления) был обнаружен в 1856 г. лордом Кельвином и в 1881 г. русским физиком О.Д. Хвольсоном. Однако пионерами применения этого эффекта для измерения деформаций являются Е.Е. Симмонс (Калифорнийский технологический институт) и Л.С. Руже (Массачусетский технологический институт), которые в 1938 г. изготовили и применили первые образцы приклеиваемого тензорезистора, являющегося прототипом широко распространенных во всем мире тензорезисторов различного назначения. Широкое распространение тензорезисторов объясняется тем, что они малоинерционные, позволяют проводить измерения дистанционно и во многих точках; установка их не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций. Малые размеры и масса тензорезисторов позволяют размещать их в малодоступных местах и устанавливать на детали в период сборки конструкции.

1.1 Понятие о тензоэффекте

В 1856 году английским ученым Томсоном (Кельвином) впервые было замечено, что при деформировании металлов изменяется их электрическое сопротивление. Несколько позже, в 1881 году, русский физик О.Д.Хвольсон установил, что при растяжении или сжатии проволоки меняются не только ее геометрические размеры (длина и площадь поперечного сечения), но и физические свойства (удельное сопротивление). Современная электронная физика объясняет это изменением числа свободных электронов, приходящихся на единицу объема проводника при деформировании последнего.

Изменение удельного сопротивления проводящих материалов под действием растягивающих или сжимающих деформаций назвали тензорезистивным эффектом [33].

Известно, что значение электрического сопротивления проводника определяется из соотношения

, (1.1)

где   R – сопротивление, Ом;

ρ – удельное сопротивление, Ом∙мм 2/м;

l – длина провода, м;

S – площадь поперечного сечения, мм2.

На основании сказанного можно утверждать, что значение сопротивления проводника, есть функция от длины, площади поперечного сечения и удельного сопротивления проводника

R = f (l, S, ρ).

Если принять, что dρ/ρ – относительное изменение удельного сопротивления, dl/l – относительное изменение длины, а dS/S – относительное изменение площади поперечного сечения, то относительное изменение сопротивления R проводника определяется путем дифференцирования уравнения (1.1):

. (1.2)

Относительное удлинение dl/l принято называть относительной деформацией и обозначать буквой ε, т.е. dl / l = ε.

Исследованиями де Фореста [33] было установлено наличие линейной зависимости  между относительной деформацией и относительным изменением удельного сопротивления:

, (1.3)

где   m – коэффициент изменения удельного сопротивления.

Значение относительного изменения площади поперечного сечения при удлинении провода имеет отрицательный знак и для провода с круглым сечением может быть выражена следующей зависимостью:

.

Если учесть, что коэффициент Пуассона выражается как отношение , то

. (1.4)

Учитывая, что dl / l = ε, и подставив (1.3) и (1.4) в уравнение (1.2), получим

.

Введя обозначение  К = 1+2μ+m, получим основное уравнение проволочного тензоэффекта:

,

Или, переходя к конечным величинам,

, (1.5)

где ΔR – абсолютное приращение сопротивления деформированной

проволоки;

R – сопротивление недеформированной проволоки;

K – чувствительность проволоки к деформации, или, иначе,

коэффициент тензочувствительности;

ε – относительная деформация (удлинение) тензочувствительной проволоки.

Коэффициент тензочувствительности высокоомных материалов проволок или фольги лежит в пределах 1,9 – 2,9; платины – 4, полупроводников до 100 и более.

В связи с упорядочением технической терминологии тензометрические датчики сопротивления называют тензорезисторами.

1.2  Тензочувствительные материалы

Чувствительные элементы [13] тензорезисторов изготовляют из проволоки, фольги, поликристаллических пленок или стержней монокристаллов полупроводников.

Независимо от природы материалов, применяющихся при изготовлении чувствительных элементов, в идеале они должны обладать следующими свойствами: высоким удельным электрическим сопротивлением, постоянным коэффициентом тензочувствительности, нулевой температурной чувствительностью в наклеенном состоянии в рабочем диапазоне температур, химической инертностью к материалу связующего, структурной стабильностью и высокой окислостойкостью, технологичностью изготовления.

Свойства ни одного из известных материалов не отвечают в полной мере всем перечисленным выше требованиям, поэтому выбор тензочувствительного материала в значительной степени определяется областью применения и назначением тензорезисторов.

Все тензочувствительные материалы можно разделить на семь основных групп:

1) медно-никелевые сплавы (константан, коппель, эдванс);

2) хромо-никелевые сплавы (нихром, нихром V, хром В, хромникель, сплав СЛМ);

3) хромо-никелевые сплавы с присадками (карма, нихром Н80ХЮД);

4) никель-хроможелезные сплавы (нихром Ι, хром С, цекас, изоэластик, элинвар, хромель);

5) железохромалюминиевые сплавы (железохромалюминиевый сплав №2 НИМО, сплав Х26ЮФ);

6) благородные металлы и их сплавы (платина, платиноиридий, платиноридий);

7) полупроводниковые материалы (кремний).

Свойства тензочувствительных материалов в определенных пределах могут регулироваться для металлических материалов термической обработкой, а для полупроводниковых материалов – введением присадок и изменением ориентации продольной оси чувствительного элемента.

1.3  Проволочные тензорезисторы

Проволочный тензорезистор [21] массового применения представляет собой плоскую петлеобразную проволочную обмотку (решетку), к концам которой припаяны или приварены относительно толстые выводы из медной луженой проволоки или фольги (рисунок 1.1). Проволочная решетка с помощью специального клея закрепляется на изоляторе, выполненном в виде тонкой прямоугольной полоски из бумаги, клеевой или лаковой пленки, служащей для нее основой (подложкой).

Как видно из рисунка 1.1, проволочный тензорезистор состоит из четырех составных частей:

- чувствительного элемента – проволочной решетки;

- выводов;

- основы;

- клеевого слоя.

Материал проволоки, применяемый для изготовления тензочувствительной решетки, должен удовлетворять следующим требованиям:

а) иметь высокое удельное сопротивление, позволяющее изготавливать малобазные тензорезисторы с достаточно большим сопротивлением, ибо от этого зависит величина относительного изменения сопротивления на единицу измеряемого удлинения, а значит, и чувствительность проволочной решетки к деформациям;

Рисунок 1.1 – Конструкция петлевого проволочного тензорезистора:

1 – основа (бумага); 2 – проволочные нити чувствительной решетки;

3 – слой клея; 4 – место пайки или сварки; 5 – выводные проводники;

L – общая длина; H – ширина; h – толщина; l – база.

б) обладать высокой и стабильной чувствительностью к деформации;

в) изменения сопротивления, вызванные деформацией, должны подчиняться линейному закону в достаточно широком диапазоне;

г) быть нечувствительным к влиянию температуры, т.е. температурный коэффициент сопротивления должен быть близким к нулю;

д) термоэдс в зоне крепления выводов с чувствиельной решеткой должна быть как можно меньше, что очень важно при питании тензорезисторов постоянным током;

е) температурные коэффициенты линейного расширения материала проволоки и материала исследуемой детали, на которую наклеивается тензорезистор, должны быть равными или незначительно отличаться, в противном случае изменения температуры будут вызывать кажущуюся деформацию и, следовательно, создавать погрешности при измерениях;

ж) обладать технологичностью;

з) иметь большое значение отношения предела текучести к модулю упругости;

и) сплавы, применяемые для изготовления высокотемпературных тензорезисторов, должны хорошо противостоять окисляющему воздействию внешней среды.

Среди материалов и их сплавов, применяемых в технике, нет ни одного, который мог бы полностью соответствовать предъявляемым требованиям. Наиболее подходящими материалами для изготовления тензочувствительной проволоки признаны медно-никелевые сплавы (константан, эдванс), нихромы и никель-хроможелезные сплавы (элинвар).

Отечественные проволочные тензорезисторы [9] массового применения изготавливаются из мягкого отожженного константана марки НММЦ 58,5-1,5 ГОСТ 492-52. Основными его недостатками являются низкий коэффициент тензочувствительности (около 2,1) и большая термоэдс в паре с медью (порядка 47 мкВ/0С). Правда, последний недостаток сказывается только при питании тензомоста постоянным током при наличии разности температур между выводами.

Для улучшения ряда важных характеристик тензочувствительной решетки (расширение диапазона измеряемых деформаций, получение необходимого температурного коэффициента сопротивления и увеличение чувствительности к деформации) константановую проволоку подвергают отжигу в вакууме при температуре 450 – 800 0С.

Константановые тензорезисторы могут применяться при температурах до 200 0С. Для работы в условиях высоких температур (до 900 0С) проволочные решетки изготавливаются из нихрома, железохромоникилеевых или других сплавов.

Чтобы деформации проволочной решетки в точности, без внесения искажений, повторяли деформации поверхности детали, на которую наклеен тензорезистор, проволока должна быть очень тонкой. Слой эластичного клея, которым проволочная решетка крепится к основе, способен деформировать проволоку только при том условии, что сила сцепления клея с проволокой значительно превосходит те усилия, которые необходимы для продольного растяжения или сжатия проволоки, т.е. при достаточно большом отношении поверхности клея к площади сечения проволоки . Самым выгодным считается диаметр проволоки d равный 0,02 – 0,025 мм, когда указанное отношение составляет 160 – 200. Обычно применяют проволоку диаметром 0,02 – 0,05 мм. При такой толщине проволоки деформации, приводящие к разрушению (растрескиванию) клеевого слоя, намного превосходят обычно измеряемые деформации, и тензорезистор работает нормально даже при деформациях, превышающих предел текучести металлов.

Чувствительность проволочной решетки практически одинакова как при растяжении, так и при сжатии. Объясняется это тем, что тонкие проволочные нити по всей своей длине находятся в прочном слое клея и при действии сжимающей деформации они не могут изгибаться, так как вместе с клеевой пленкой и деталью составляют единое целое.

Выводы должны обладать достаточной механической прочностью, хорошо контактировать с концами проволочной решетки и быть удобными для подключения к ним проводов измерительной схемы. Для выводов обычно применяют медный луженый провод или фольгу. Выводы приваривают или припаивают к концам решетки.

В местах сочленения очень тонкого провода решетки с относительно толстым выводом возникают значительные механические напряжения, поэтому в этих местах, особенно при измерении динамических деформаций, может происходить нарушение электрического контакта.

Основа (подложка) проволочного тензорезистора удерживает на себе тензочувствительную решетку и электрически изолирует ее от материала испытуемой детали, передает её деформацию к решетке. Основа тензорезистора должна быть эластичной, механически прочной, хорошо приклеиваться к различным материалам, обладать хорошей влагостойкостью и высокими изолирующими качествами, не изменять своих свойств в заданном интервале температур.

При работе в условиях нормальной влажности и температуры до 70–90 0С удовлетворительными качествами обладает тонкая (толщиной не более 0,05 мм) бумага. В отечественных тензорезисторах используют чертежную прозрачную бумагу, чертежный пергамин, папиросную бумагу.

В тензорезисторах, предназначенных для использования при повышенных температурах (до 250 0С), в качестве основы применяют специальную жаростойкую бумагу (с добавлением асбестовых волокон) или папиросную бумагу, пропитанную термостойким клеем, кварцевую «вуаль».

Более высокими качествами обладают тензорезисторы на пленочной основе. Для изготовления пленочной основы используются полимеризующиеся клеи и лаки (например, клеи БФ-2 и ВС-10Т, электроизоляционный лак ВЛ-4, ВЛ-6 или ВЛ-931, полиимид и т.д.).

Высокотемпературные тензорезисторы [7], предназначенные для использования при температурах 400 – 800 0С, изготавливают в виде проволочной решетки, закрепленной с помощью специального жаропрочного цемента на фольге из нержавеющей стали (такие тензорезисторы устанавливаются при помощи точечной сварки) или вовсе не имеющей основы.

Для удобства транспортировки, крепления и хранения тензорезисторы снабжены временной основой в виде липкой ленты, которая при наклейке тензорезистора на испытуемую деталь удаляется.

Проволочные тензорезисторы классифицируют главным образом по двум признакам:

а) по температурному диапазону работоспособности;

б) по типу применяемой основы.

По первому признаку тензорезисторы делят на три группы:

1) тензорезисторы массового применения, рассчитанные на температуры ниже 100 0С (обычно до 50 -70 0С);

2) тензорезисторы для повышенных температур с верхним пределом 200 – 300 0С;

3) высокотемпературные тензорезисторы, используемые при температурах выше 400 0С.

По второму признаку тензорезисторы делят тоже на три группы:

1) тензорезисторы  на  бумажной основе;

2) тензорезисторы на пленочной основе;

3) тензорезисторы на металлической основе.

1.4  Фольговые тензорезисторы

Наличие поперечной чувствительности, малая величина допустимого тока, ограничивающая чувствительность измерительной схемы, трудности, связанные с изготовлением тензочувствительных решеток сложной конфигурации, и ряд других недостатков проволочных тензорезисторов послужили причиной создания так называемых фольговых тензорезисторов.

У фольгового тензорезистора чувствительная решетка [9] изготовлена из очень тонкой (толщиной 2 – 10 мкм) тензорезистивной фольги. Технология изготовления таких тензорезисторов заключается в том, что на одну сторону фольги наносят слой светочувствительной эмульсии, на котором затем контактным методом печатают изображение решетки, предварительно заснятой на негативе с рисунка больших размеров. Изображение решетки проявляют, обрабатывают в дубящем растворе для придания ему стойкости к травильной кислоте.

После этого на обратную сторону фольги наносят тонкий слой электроизоляционного лака с последующей полимеризацией его при повышенной температуре. Подготовленную таким образом фольгу погружают в травильную кислоту, с помощью которой часть металла, не покрытая кислотоупорной защитой, удаляется. Это позволяет, с одной стороны, сравнительно простыми средствами создавать тензорезисторы с любой конфигурацией чувствительной решетки, а с другой – применяя типографские методы, автоматизировать процесс их производства. Данная технология называется фотолитографией. Причем технология может меняется в зависимости от применяемого материала подложки, способа нанесения его на фольгу и т.д.

Рассмотрим основные преимущества фольговых тензорезисторов.

1. Прямоугольная форма сечения нитей чувствительной решетки при малой толщине позволяет:

а) увеличить площадь сцепления с поверхностью исследуемой детали, что делает более прочным соединение тензорезистора с деталью, улучшает передачу деформации к чувствительной решетке, повышает стабильность и надежность производимых измерений;

б) улучшить теплоотдачу, что позволяет, с одной стороны, несколько расширить диапазон рабочих температур, а с другой – значительно увеличить ток, питающий мостовую схему ток и тем самым повысить ее чувствительность (последнее обстоятельство позволяет в ряде случаев производить измерения без применения усилителя);

в) применять в качестве основы не бумагу, а тонкий слой лака с хорошими механическими, диэлектрическими и адгезионными свойствами, что позволяет улучшить восприимчивость деформации от детали и обеспечить более надежную электроизоляцию тензорезистора от массы детали. Тонкая решетка на основе эластичного лака позволяет получать тензорезисторы достаточно гибкими и наклеивать их на детали с самой различной конфигурацией.

2. Наличие широких перемычек, соединяющих прямолинейные элементы решетки, делает тензорезисторы практически нечувствительными к поперечным деформациям. Благодаря этому фольговые тензорезисторы с различной базой имеют одинаковую чувствительность.

3. Применение фотолитографии позволяет получать тензорезисторы различных габаритных размеров и конфигурации. Зарубежные фирмы, например НВМ, VISAY выпускают около 500 типов тензорезистров.

На рисунке 1.2 показаны конструкции решеток фольговых тензорезисторов.

Конструкции фольговых тензорезисторов условно можно разделить на четыре основные типа:

- прямоугольные;

- розеточные;

- мембранные;

- специальные, приведенные на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Конструкции решеток фольговых тензорезисторов

Кроме этого, каждый тип имеет несколько разновидностей (подтипов). Форма их чувствительных решеток и расположение выводов соответствуют форме упругого элемента, на который наклеиваются эти тензорезисторы, и характеру поля деформации, которую надлежит измерить.

В зависимости от числа чувствительных решеток, размещенных на одной основе, фольговые тензорезисторы делятся на одноэлементные и многоэлементные. Многоэлементные тензорезисторы могут иметь две, три или четыре решетки.

Тензорезисторы прямоугольного типа применяются для измерения деформации в любом заданном направлении при одноосном напряженном состоянии детали или чувствительных элементов датчиков и являются самыми распространенными в практике тензометрирования, так как они позволяют измерять деформации любого вида.

Все разновидности прямоугольных тензорезисторов являются одноэлементными и отличаются друг от друга только расположением нитей и выводов. Это создает определенные удобства при парной комбинации тензорезисторов, включаемых в смежные плечи мостовой схемы. Так, например, подтип А чаще всего используется в паре с подтипом Д, а подтип Б – с подтипом В.

Розеточными называются тензорезисторы, состоящие из двух, трех или четырех решеток, расположенных на одной основе под определенным углом друг к другу. Они применяются для определения величины и направления главных деформаций при плосконапряженном состоянии испытуемой детали.

Если направления главных деформаций заранее известны, то применяются двухэлементные розетки А и Б. Тензорезисторы подтипа Б предназначены для измерения крутящего момента.

Розетки В и Д используются в тех случаях, когда направления главных деформаций приблизительно известны. При неизвестном направлении главных деформаций пользуются розетками Г.

С помощью мембранных тензорезисторов измеряют деформации радиального и тангенциального направлений, возникающие при изгибе круглых пластинок (мембраны, диафрагмы, диски и т.п.). В датчиках давления наиболее часто применяются одноэлементные тензорезисторы А и Б используемые для раздельного измерения радиального или тангенциального напряжений, а двухэлементные В и четырехэлементные Г – для комплексных измерений обоих видов напряжения.

Максимальные тангенциальные напряжения сосредоточены в центре мембраны, а максимальные радиальные напряжения – по периметру защемления, поэтому у двух- и четырехэлементных тензорезисторов нити элементов, имеющих форму спирали, расположены в центре мембраны, а нити элементов с радиальной ориентацией – по краю.

Решетки двухэлементных тензорезисторов соединяются между собой последовательно и образуют схему полного тензомоста. Для получения возможности контроля за величиной сопротивления отдельных элементов узел соединения одной пары смежных плеч разорван, и от него идут два вывода, а всего тензорезистор имеет не 4, а 5 выводов.

1.5 Полупроводниковые тензорезисторы

В 1954 году опытами Смита, а позднее и опытами других исследователей было установлено, что полупроводниковые материалы [21], в частности германий (Ge), кремний (Si), антимонид индия (InSb), фосфид индия (InP), арсенид галлия (GaAs), антимонид галлия (GaSb) и другие, характеризуются необычайно большим тензорезистивным эффектом, наиболее ярко выраженным при действии механических напряжений в направлении одной из главных осей кристалла. Это послужило поводом для разработки целой серии полупроводниковых тензорезисторов, которые с конца 50-х годов стали широко применяться в приборах, предназначенных для преобразования различных неэлектрических величин в электрические.

Из всех исследованных до сих пор полупроводниковых материалов  наиболее пригодными для изготовления тензорезисторов признаны германий и кремний. Опытами было установлено, что тензоэффект в полупроводниках зависит от кристаллографических направлений и типа проводимости. Знак тензоэффекта зависит от типа проводимости: у n-полупроводников он отрицательный, у p-полупроводников – положительный.

Подобно металлическим тензорезисторам чувствительность полупроводниковых тензорезисторов определяется выражением

. (1.6)

В отличие от металлических тензорезисторов, чувствительность которых определяется главным образом зависимостью геометрических размеров проволоки или фольги от деформации, в полупроводниковых тензорезисторах главная роль принадлежит удельному сопротивлению, величина которого может изменяться в очень широком диапазоне (до 50%). Поэтому чувствительность полупроводникового тензорезистора практически является функцией m, т.е. SП.Т.≈ m.

Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов в сильной степени зависит от кристаллографического направления, количества и вида примесей, температуры и деформации. Поэтому SП.Т. нельзя считать постоянной величиной. Это следует учитывать при использовании полупроводниковых тензорезисторов.

Кратко охарактеризуем основные особенности и достоинства полупроводниковых тензорезисторов.

1. С помощью различных технологических приемов и методов можно изменять как механические, так и электрические характеристики полупроводниковых тензорезисторов в широком диапазоне.

Так, например, при одних и тех же размерах сопротивление тензорезистора зависит от концентрации примесей в кристалле и может изменяться от нескольких Ом до нескольких МОм. От вида и количества примесей зависят значение и знак тензочувствительности, а также температурный коэффициент сопротивления. При наличии тензорезисторов с тензочувствительностью противоположных знаков возможно все тензорезисторы, входящие в схему измерительного моста, располагать на одной стороне детали и в одном направлении (параллельно друг другу).

Путем определенной ориентации кристаллографических осей тензорезисторам можно придавать свойства повышенной чувствительности к определенному виду деформации (продольному растяжению – сжатию, поперечным напряжениям, напряжениям сдвига и т.д.)

2. Максимально допустимая деформация кремниевых тензорезисторов зависит от значения поперечного сечения тензоэлемента и меняется от 2000 мкм/м (0,2 %) для сечения 4·10-2 мм2 до 10000 мкм/м (1%) для сечения 3·10-3 мм2 и меньше. С уменьшением поперечного сечения увеличивается также гибкость тензорезистора. Предел деформации при сжатии на 10 – 20 % превышает предел деформации при растяжении.

3. Поперечная тензочувствительность кремниевых тензорезистров не превышает 1% от продольной чувствительности.

4. Срок службы кремниевых тензорезисторов отечественного производства составляет 104÷105 циклов при деформации до 0,1 % в течение 8 лет. Как показывают опыты, тензорезисторы более прочны на сжатие, чем на растяжение.

5. Отсутствие гистерезиса и незначительная величина «ползучести» обеспечивают хорошую воспроизводимость результатов измерения.

6. Высокий коэффициент тензочувствительности, доходящий до 200 и более, позволяет получать на выходе мостовой схемы сигнал порядка нескольких вольт мощностью в сотни милливатт. Это обстоятельство избавляет от необходимости применять сложные и громоздкие усилители и дает возможность измерять микродеформации.

7. Миниатюрность в сочетании с возможностью придавать тензочувствительным элементам любую форму и помещать на одной основе целый тензомост, обладающий очень высокой чувствительностью, позволяет решать ряд сложных задач, для выполнения которых проволочные и фольговые тензорезисторы не подходят.

8. К недостаткам полупроводниковых тензорезисторов мжно отнести высокую чувствительность к изменению температуры.

1.6 Основные метрологические характеристики тензорезисторов

Государственный стандарт (ГОСТ 21616-91) классифицирует и устанавливает ряд метрологических характеристик тензорезисторов и формы их представления или обозначения. Для конкретных типов тензорезисторов комплекс нормируемых характеристик должен составляться из этого ряда в зависимости от назначения тензорезисторов. Основные метрологические характеристики тензорезисторов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные метрологические характеристики тензорезисторов

Метрологические характеристики	Нормируемые параметры
Наименование метрологической характеристики	Наименование нормируемой метрологической характеристики, обозначение или форма представления	Наименование	Обозначение
1. Сопротивление тензорезистора	1.1. Сопротивление тензорезистора при нормальных условиях (R)	Предельное относительное отклонение сопротивления в партии от номинального, %
		Отношение разности предельных значений сопротивлений в группе к номинальному сопротивлению, %
2. Функция преобразования	2.1. Чувствительность при нормальных условиях (К)	Среднее значение
		Среднее квадратическое отклонение (СКО)

Продолжение таблицы 1.1

Метрологические характеристики	Нормируемые параметры
Наименование метрологической характеристики	Наименование нормируемой метрологической характеристики, обозначение или форма представления	Наименование	Обозначение
	2.2. Нелинейность функции преобразования при нормальных условиях ()	Нелинейность функции преобразования, %
3. Поперечная чувствительность	3.1. Относительная поперечная чувствительность при нормальных условиях ()	Среднее значение, %
		СКО, %
4. Функция влияния температуры на чувствительность	4.1. Температурный коэффициент чувствительности ()	Среднее значение, %, оС-1
		СКО, %, оС-1
	4.2. Функция влияния температуры на чувствительность (), выражаемая формулой , где В – коэффициент, t – температура, оС, tф – температура, выше (ниже) которой следует учитывать функцию влияния, оС.	СКО погрешности аппроксимации
		Среднее значение функции влияния при максимальной (минимальной) температуре
		СКО значения функции влияния при максимальной (минимальной) температуре
5. Температурная характеристика	5.1. Температурная характеристика сопротивления (ТХС) .	СКО погрешности аппроксимации, мкОм/Ом
		СКО значения ТХС при максимальной (минимальной) температуре, мкОм/Ом
		Максимальный температурный коэффициент сопротивления в рабочей области значений температуры, мкОм/Ом
		Максимальное значение ТХС в рабочей области значений температуры, мкОм/Ом
	5.2. Максимальное значение ТХС в рабочей области значений температуры	Среднее значение, мкОм/Ом
		СКО, мкОм/Ом

Продолжение таблицы 1.1

Метрологические характеристики	Нормируемые параметры
Наименование метрологической характеристики	Наименование нормируемой метрологической характеристики, обозначение или форма представления	Наименование	Обозначение
	5.3. Индивидуальная ТХС  рассчитывается по формуле где - индивидуальная ТХС тензорезистора в свободном состоянии;  - разностная ТХС; - коэффициенты	СКО погрешности аппроксимации индивидуальной ТХС в свободном состоянии, мкОм/Ом
		Максимальное значение индивидуальной ТХС в свободном состоянии в рабочей области значений температуры, мкОм/Ом
		СКО погрешности аппроксимации разностной характеристики, мкОм/Ом
		СКО значения разностной характеристики при максимальной (минимальной температуре), мкОм/Ом
	5.4. Воспроизводимость ТХС	Среднее значение, мкОм/Ом
		СКО, мкОм/Ом
6. Ползучесть	6.1. Ползучесть при нормальных условиях (П)	Среднее значение за промежуток времени 1 ч (и другие промежутки времени , заданные в ТУ), %
		СКО за промежуток времени 1 ч (и другие промежутки времени , заданные в ТУ), %
			()
	6.2. Ползучесть при максимальной температуре (Пt)	Среднее значение за промежуток времени 1 ч (и другие промежутки времени , заданные в ТУ), %
		СКО за промежуток времени 1 ч (и другие промежутки времени , заданные в ТУ), %
			()
7. Воспроизводимость начального сопротивления	7.1. Воспроизводимость начального сопротивления после изотермической выдержки при максимальной температуре ()	Среднее значение после выдержки продолжительностью 1 ч, мкОм/Ом
		СКО после выдержки продолжительностью 1 ч, мкОм/Ом
8. Дрейф выходного сигнала	8.1 Дрейф выходного сигнала при максимальной температуре (Д)	Среднее значение за промежуток времени 1 ч (и другие промежутки времени , заданные в ТУ), мкОм/Ом

Продолжение таблицы 1.1

Метрологические характеристики	Нормируемые параметры
Наименование метрологической характеристики	Наименование нормируемой метрологической характеристики, обозначение или форма представления	Наименование	Обозначение
		СКО за промежуток времени 1 ч (и другие промежутки времени , заданные в ТУ), мкОм/Ом
			()
9. Сопротивление изоляции	9.1. Сопротивление изоляции в рабочей области значений температуры (Rиз)	Минимальное значение сопротивления изоляции в рабочей области значений температуры, МОм	Rиз min
10. Время реакции	10.1. Время реакции на ступенчатый входной сигнал деформации ()	Среднее значение, мкс
		СКО, мкс

Рассмотрим важнейшие характеристики из этого ряда.

1. Определение температурного коэффициента чувствительности

Температурный коэффициент чувствительности следует определять по поверочной установке с балкой, на поверхности которой создается деформация .

Неравномерность поля деформации рабочей балки не должна выходить за пределы . Погрешность задания среднего значения деформации не должна превышать , а погрешность определения выходных сигналов тензорезисторов .

Балку с тензорезисторами нагревают (охлаждают) до максимальной (минимальной) температуры tм и проводят рабочий цикл нагружения до деформации .

Для каждого тензорезистора температурный коэффициент чувствительности рассчитывают по формуле

,

где  - чувствительность при максимальной температуре;

- чувствительность при температуре t0.

2. Функция преобразования устанавливает зависимость информативной составляющей выходного сигнала тензорезистора от информативной составляющей входного сигнала (деформации). Выходной сигнал тензорезистора представляет собой отношение приращения сопротивления тензорезистора к его начальному значению:

ξ = ΔR / Rн . (1.7)

Как относительная величина, выходной сигнал является безразмерным. Для единообразия в документации его следует выражать в миллионных долях (млн -1).

В качестве единицы деформации - миллионной доли допускается применять микрометр на метр (мкм/м).

Функция преобразования выражается полиномом

ξ (ε) = А1ε + А2ε2+…+Аrεr , (1.8)

где А1…Аr – коэффициенты полинома;

ε – деформация (млн -1).

Для функции преобразования и всех других характеристик, которые представляют собой аналитические зависимости, получаемые путем аппроксимации экспериментальных данных, предусматривается оценка средней квадратической погрешности аппроксимации:

, (1.9)

где Xj – значения деформации, температуры, задаваемые при градуировке.

 m – число ступеней деформации или температуры;

l – число коэффициентов полинома;

– расчетные значения аппроксимирующей функции;

– среднее выборочное значение выходного сигнала;

j – номер ступени, j = 1, 2, …, m.

3. В диапазоне упругих деформаций функция преобразования для всех типов тензорезисторов практически линейна. Поэтому она может быть заменена одним числом – чувствительностью К, которая определяется при нормальной температуре и деформации ε = 1000 млн -1.

Чувствительность, как и ряд других характеристик, может быть определена только по выборке тензорезисторов, установленных на градуировочном приспособлении, поэтому испытанные тензорезисторы не могут быть использованы вторично. Чувствительность нормируется средним значением для партии и допустимым значением среднего квадратического отклонения (СКО) чувствительности Sk.

4. В рабочем диапазоне температур чувствительность тензорезисторов может изменяться. Это изменение характеризуется функцией влияния температуры на чувствительность

, (1.10)

где  – чувствительность при температуре tj;

j – номер ступени температуры, j=1,2,…,m;

m – число ступеней.

Для известных типов тензорезисторов – это монотонная функция температуры

= B0 + B1t + B2t2 + … +Brt r , (1.11)

где B0 …Br – коэффициенты.

Функция влияния температуры на чувствительность может также нормироваться значением при максимальной (минимальной) температуре и ее средней квадратической погрешностью SаФ .

5. Несовершенство связующего приводит к изменению во времени деформации, передаваемой от детали к чувствительному элементу, и соответствующему изменению выходного сигнала тензорезистора. Это явление, именуемое ползучестью тензорезистора, может характеризоваться часовой ползучестью, численно определяющейся как уменьшение выходного сигнала тензорезистора при фиксированной измеряемой деформации. Ползучесть принято определять при деформации ε = 1000 млн -1. Различают ползучесть при нормальной П и максимальной Пt температурах. Ползучесть нормируется средними значениями и , а также соответствующими средними квадратическими отклонениями (СКО) – SП и SПt .

Процесс ползучести может протекать с различной скоростью и стремиться к различным пределам. Одно и то же значение часовой ползучести может реализоваться при процессах ползучести, протекающих с разными скоростями. Поэтому для сопоставления качества тензорезисторов принято приближенное описание ползучести экспоненциальной функцией

, (1.12)

где АП – условное предельное значение ползучести, %;

τ – время;

αП – постоянная времени ползучести.

6. Температурная характеристика сопротивления тензорезистора - зависимость выходного сигнала тензорезистора, установленного на свободно расширяющуюся деталь, от температуры:

, (1.13)

где С0 … Сr – коэффициенты.

Для приклеиваемых тензорезисторов коэффициенты С0 … Сr определяют по результатам испытания выборки. В некоторых случаях бывает достаточным нормировать максимальное значение температурной характеристики сопротивления в рабочем диапазоне температур . Одновременно с нормированием значения должно нормироваться допустимое значение СКО St. Возможно и нормирование не среднего значения , а его максимального значения.

Например, для константановых самотермокомпенсированных тензорезисторов в зависимости от чувствительности партии значение не должно превышать 200 – 220 млн -1.

Индивидуальные температурные характеристики привариваемых тензорезисторов, выполненных на подложке из металлической фольги, определяют при выпуске тензорезисторов или при входном контроле. Индивидуальные температурные характеристики сопротивления тензорезисторов могут быть удовлетворительно аппроксимированы полиномом средней характеристики с индивидуальной поправкой только для коэффициента полинома при температуре в первой степени:

, (1.14)

где  - индивидуальная температурная характеристика

сопротивления i-го тензорезистора;

С0 … Сr  - коэффициенты полинома для партии;

bi – индивидуальная поправка i-го тензорезистора.

Такое преобразование возможно для тензорезисторов с небольшим разбросом температурных характеристик. Оно имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что при обработке результатов тензометрирования в память ЭВМ необходимо ввести только коэффициенты полинома средней температурной характеристики и только по одной поправке bi  для каждого тензорезистора.

При рассмотрении характеристик партии тензорезисторов случайной величиной является поправка bi. В этом случае для рассеяния может быть определена зависимость СКО температурных характеристик сопротивления от температуры:

St = Sbt , (1.15)

где Sb – СКО индивидуальных поправок bi .

7. Длительное воздействие температуры приводит к дрейфу выходного сигнала, т.е. изменению его во времени. Получение значения дрейфа, как характеристики тензорезистора, должно осуществляться при фиксированном значении других влияющих величин и отсутствии деформации.

Аналогично другой временной характеристике – ползучести – в паспортных данных на тензорезисторы обычно приводится среднее значение часового дрейфа при максимальной температуреи его среднее квадратическое отклонение SД t . Ориентировочное представление дрейфа как функции возможно с помощью экспоненциальной зависимости

, (1.16)

где АД – условное предельное значение дрейфа;

τ – время;

 αД – постоянная времени дрейфа.

Следует иметь в виду, что это соотношение справедливо только при постоянной температуре и не может быть в таком виде применено при оценке дрейфа в натурном эксперименте при изменяющейся во времени температуре. Длительное воздействие температуры приводит не только к изменению удельного сопротивления материала чувствительного элемента (основная составляющая дрейфа), но и вызывает изменение температурной характеристики сопротивления. Качество тензорезисторов оценивают по величине – средней разности значений температурной характеристики при максимальной температуре до и после изотермической выдержки в течение часа и СКО этой разности . Однако на практике измерения могут проводиться весьма длительное время при изменяющихся температурах, вызывающих значительный дрейф. В этом случае необходим контрольный эксперимент в лабораторных условиях. Должен быть воспроизведен весь температурный режим натурных испытаний и получены оценки фактических изменений температурных характеристик Δξ , t (τ) и Д (τ), а также соответствующие СКО.

8. В некоторых случаях используют еще одну характеристику тензорезисторов, которую в большинстве случаев не учитывают при оценке погрешности измерений, – поперечную чувствительность, т.е. способность тензорезисторов воспринимать деформацию, направленную перпендикулярно к его главной оси. Значением выходного сигнала, обусловленного поперечной чувствительностью, в большинстве случаев пренебрегают, так как поперечная чувствительность современных фольговых тензорезисторов весьма мала.

9. Сопротивление изоляции тензорезисторов в большинстве случаев должно быть достаточно велико. Оно зависит не только от температуры, но и от вида напряжения питания схемы с тензорезисторами. На рисунке 1.3 показана зависимость сопротивления изоляции для тензорезисторов с органосиликатным связующим от частоты напряжения питания и температуры тензорезистора.

Рисунок 1.3 – Зависимость сопротивления изоляции тензорезистора от частоты напряжения питания и температуры

1.7  Измерительные схемы, включения тензорезисторов

Как известно [33], тензорезистор воспринимает измеряемые деформации и преобразует их в соответствующие изменения своего электрического сопротивления. Однако, для того чтобы эти изменения сопротивления стали воспринимаемыми измерительными устройствами, их нужно преобразовать в пропорциональные изменения силы тока или напряжения. С этой целью тензорезистор включают в электрическую измерительную схему.

В электротензометрии используются два вида измерительных схем: потенциометрическая и мостовая. Каждая из этих схем выдает электрические сигналы, пропорциональные сопротивлению тензорезистора, изменяющемуся под воздействием измеряемой деформации. Эти сигналы зачастую бывают настолько слабы, что не могут быть измерены применяемыми приборами. В таких случаях приходится прибегать к помощи специальных усилительных устройств, которые повышают уровень электрических сигналов до нужного значения.

1.7.1  Потенциометрическая схема

Самой простой измерительной схемой [23] является потенциометрическая схема. Она представляет собой двухплечий делитель напряжения, состоящий из тензорезистора RT и балластного сопротивления Rб , соединенных между собой последовательно (рисунок 1.4). Цепь подключена к источнику постоянного тока с напряжением UП.

При изменении сопротивления тензорезистора в цепи делителя изменяется ток. Поэтому между крайними точками а и б активного плеча делителя кроме постоянного напряжения UТ = IRT  будет существовать еще и изменение напряжения ΔUТ , соответствующее изменениям сопротивления тензорезистора.

Если учесть, что при измерении деформации изменения сопротивления тензорезистора составляют обычно десятые доли процента от его номинального сопротивления RT , то станет ясно, что ΔUТ <<UТ . Поэтому, если к концам тензорезистора подключить вольтметр с предельным напряжением равным UТ , то он практически не будет реагировать на столь незначительные изменения напряжения. Для осуществления надежного отсчета измеряемой величины ΔUТ применяют чувствительный вольтметр, рассчитанный на напряжение, немногим большее ΔUТ, причем подключают его к тензорезистору не непосредственно, а через конденсатор С. Это позволяет оградить измеритель от постоянной составляющей напряжения и подать к нему только переменную составляющую, подлежащую измерению.

Рисунок 1.4 – Потенциометрическая схема для измерения динамических деформаций

Таким образом, наличие в схеме конденсатора, который свободно пропускает высокочастотные колебания тока и полностью задерживает постоянную составляющую, делает потенциометрическую схему пригодной для измерения только быстропротекающих динамических деформаций.

Значение напряжения ΔUТ  на выходе делителя зависит от напряжения источника питания схемы UП, значение изменения сопротивления тензорезистора ΔR, соотношения сопротивлений плеч делителя и может быть определена по формуле

. (1.17)

Если вместо UП подставить его значение  I(Rб+RT), то получим

. (1.18)

Разделив числитель и знаменатель правой части выражения на Rб , найдем

. (1.19)

Учитывая, что ΔR = STεRT , получим

 . (1.20)

Из полученных выражений видно, что наибольшая чувствительность потенциометрической схемы достигается при  максимально допустимом для применяемого тензорезистора токе I и .

В практике тензометрии принято применять равноплечую потенциометрическую схему, состоящую из двух одинаковых тензорезисторов, один из которых выполняет роль активного плеча, а другой – вспомогательного балластного плеча. В этом случае выражение (1.20) упрощается и принимает вид

. (1.21)

1.7.2  Мостовая схема

Из всех методов измерения сопротивлений наиболее точным является мостовой метод. Существует несколько видов мостовых схем. Наиболее распространенной является схема, основанная на использовании четырехплечего измерительного моста, называемого иначе мостом Уитстона (Витстона). Он представляет собой сочетание замкнутого контура, составленного из четырех последовательно соединенных элементов, обладающих электрическим сопротивлением, источника питания и измерителя.

Измерительный мост принято изображать в виде ромба (рисунок 1.5), стороны которого называют плечами, а точки соединения плеч – вершинами или узлами моста. В одну из диагоналей моста, например, между вершинами А и Б включают источник постоянного или переменного тока и называют ее диагональю питания или входом моста; в другую диагональ (между вершинами В и Г) включают измеритель и называют ее измерительной диагональю или выходом моста.

Рисунок 1.5 – Направление токов в цепях мостовой схемы

В зависимости от тока, которым питается мост, различают мосты постоянного и переменного тока.

Каждое плечо моста может состоять из одного или нескольких сопротивлений, соединенных между собой последовательно, параллельно или смешанно.

Для измерения электрических сопротивлений используют очень важное свойство моста: при определенном соотношении сопротивлений плеч (когда R1R3=R2R4) напряжение на его выходе становится равным нулю, несмотря на наличие напряжения на входе. Состояние электрического равновесия очень легко нарушается при самом незначительном изменении указанного соотношения. Таким образом, электроизмерительный мост может находиться в одном из двух состояний: равновесном или неравновесном.

Если разность потенциалов на выходе моста равна нулю (ток в измерительной диагонали отсутствует), то такой мост называют уравновешенным или сбалансированным.

В том случае, когда разность потенциалов на выходе моста не равна нулю и через измерительную цепь проходит ток, мост называют неуравновешенным или несбалансированным.

Рассматривая схему измерительного моста (рисунок 1.5), на которой показаны направления токов в плечах, нетрудно разобраться, что разность потенциалов между точками В и Г получается равной нулю при условии, что напряжения в каждой паре смежных плеч, симметричных относительно измерительной диагонали (т.е R1, R4 и R2, R3), равны между собой по значению и противоположны по направлению, т.е. когда

U1 = U4 = I1R1 = I2R4 ;

U2 = U3 = I1R2 = I2R3 . (1.22)

Разделив первое равенство на второе и произведя сокращения, получим

,  (1.23)

откуда

, (1.24)

или

.   (1.25)

Таким образом, получены три выражения, каждое из которых определяет условия равновесия мостовой схемы. Выражение (1.24) можно сформулировать: если произведения сопротивлений противоположных плеч равны между собой, то мост сбалансирован.

1.7.3  Тензомост и его особенности

Если рабочие плечи моста составлены из тензорезисторов, наклеенных на поверхности деформируемой детали, то такой мост называют тензометрическим. Простейший тензомост [6] имеет одно рабочее плечо, состоящее из одного тензорезистора. Наиболее сложным является полный тензомост, у которого все четыре плеча состоят из тензорезисторов, причем каждое плечо может представлять собой цепь из нескольких тензорезисторов, соединенных между собой последовательно, параллельно или смешанно.

Чтобы иметь представление о значениях токов и напряжений, которые можно получить на выходе тензомоста, обратимся к конкретным примерам. Относительные деформации, измеряемые с помощью тензорезисторов, лежат обычно в диапазоне 10 – 10 000 мкм/м (10-5 – 10-2 относительных единиц или 0,001 – 1 %). Если для измерения таких деформаций применить равноплечий мост с оптимальными параметрами, используя для него тензорезисторы различных типов, то, сравнивая самый неблагоприятный случай с наиболее благоприятным, получим следующие результаты.

При одном активном плече из тензорезистора с номинальным сопротивлением 200 Ом и допустимым рабочим током 4 мА при относительной деформации 10 мкм/м ток на выходе тензомоста составит примерно 0,4 мкА. На высокоомную нагрузку (например, усилитель) этот тензомост выдаст напряжение 0,07 мВ.

В случае полного моста, составленного из мощных фольговых тензорезисторов с допустимым током 1000 мА, при относительной деформации 5000 мкм/м выходной ток составит 10 мА.

При больших деформациях применение достаточно мощных тензорезисторов (например, фольговых или специальных проволочных) позволяет использовать надежные безусилительные схемы измерения и резко упрощает процесс измерений. Измерение же очень малых деформаций связано со значительными техническими трудностями, которые заключаются, во-первых, в необходимости использования усилительных устройств с очень большим коэффициентом усиления и, во-вторых, в применении средств для предотвращения влияния на измерительную схему различных факторов, служащих причиной помех, уровень которых в ряде случаев может во много раз превышать уровень полезных сигналов. К таким помехам относятся прежде всего паразитные токи и напряжения, проникающие в измерительную схему за счет различного рода паразитных связей, а также кажущиеся деформации, возникающие в результате изменения температуры окружающей среды.

Однако в настоящее время уровень развития электроники позволяет практически полностью отказаться от применения тензорезисторов с большими допустимыми токами. В современных измерительных системах ток, протекающий через тензорезистор, не превышает 30 мА, что позволяет значительно уменьшить габариты и снизить погрешность от саморазогрева.

Наиболее опасными являются паразитные связи элементов мостовой схемы с электроэнергетическими установками и силовыми линиями переменного тока за счет активных и реактивных (главным образом емкостных) проводимостей, обусловленных недостаточным сопротивлением изоляции наклеенных тензорезисторов или их соединительных проводов, а также наличием паразитных емкостей между отдельными элементами схемы и окружающими предметами. Ослабление паразитных связей достигается путем строгого соблюдения технологии наклейки тензорезисторов, обеспечивающей высокую степень их изоляции от массы исследуемой детали, рациональным экранированием соединительных линий и заземлением экранирующих оболочек и металлических деталей.

Поскольку тензорезисторы обладают не только тензочувствительностью, но и термочувствительностью, то при изменении температуры в месте расположения активного тензорезистора выдаваемый им электрический сигнал будет являться функцией трех переменных величин:

1) деформации, вызванной механическими напряжениями в испытуемой детали от действия внешних (измеряемых) нагрузок;

2) деформации, вызванной температурными напряжениями в материале испытуемой детали и материале чувствительного элемента тензорезистора;

3) температурных изменений электрических характеристик наклеенного тензорезистора.

Сигнал, вызванный влиянием температуры на сопротивление тензорезистора, эквивалентен некоторому значению деформации, называемой кажущейся (фиктивной) деформацией εф. Таким образом, измеренная деформация будет представлять собой арифметическую сумму действительной εд и кажущейся εф деформаций:

,  (1.26)

где - относительное изменение сопротивления тензорезистора, вызванное деформацией от действия внешних сил;

- температурное относительное изменение сопротивления наклеенного тензорезистора, вызванное одновременным действием температурных напряжений в материалах детали и тензочувствительного элемента и температурными изменениями электрических характеристик тензорезистора.

Чтобы исключить влияние кажущейся деформации, применяют различные методы компенсации температурных погрешностей. Например применение термокомпенсированных тензорезисторов, схемной термокомпенсации, программными методами и т.д.

1.8  Тензорезисторные датчики силы

Диапазон измерения тензорезистивных датчиков силы необычайно широк – имеются датчики на номинальные силы от 5 Н до более чем 10 МН. Решающим фактором, однако, является обеспечиваемая ими высокая точность измерения. В зависимости от затрат, уровня техники и производственных возможностей погрешность может быть снижена до 0,01 %.

В простейшем виде упругий чувствительный элемент датчика силы представляет собой стержень прямоугольного или круглого сечения, нагруженный вдоль оси (рисунок 1.6). Чувствительные элементы этого типа применяют для измерений в диапазоне от 10 кН до 5 МН.

Рисунок 1.6 – Стержневой чувствительный элемент

R1, R3 – тензорезисторы в направлении действия силы;

R2, R4 – тензорезисторы в направлении, перпендикулярном

действию силы.

Рисунок 1.7 – Трубчатый чувствительный элемент, снабженный

                            тензорезисторами на внутренней и наружной

                                               поверхностях

При нагружении стержень сжимается, причем в соответствии с коэффициентом Пуассона одновременно увеличивается его периметр. Тензорезисторы, наклеенные на стержень в области однородного силового поля, включают в схему моста Уитстона так, что в двух противоположных его плечах оказались тензорезисторы, решетки которых направлены вдоль оси стержня или перпендикулярно ей.

Кроме тензорезисторов, в схему моста Уитстона входят дополнительные схемные элементы, служащие для компенсации различных зависящих от температуры эффектов, таких как нестабильность нуля, изменение модуля упругости и теплового расширения материала чувствительного элемента, изменения чувствительности тензорезистора, а также для линеаризации характеристики динамометра.

Выходное напряжение пропорционально относительной деформации, а последняя в соответствии с законом Гука пропорциональна нагрузке стержня.

Для расширения пределов измерений силы до 1 – 20 МН упругий элемент выполняют в виде полого стержня (рисунок 1.7) и тензорезисторы наклеивают на его внутреннюю и наружную поверхности.

Для измерения сил в меньшем диапазоне (примерно до 5 Н) применяют чувствительные элементы, в которых используют не продольные деформации, а деформации изгиба (рисунок 1.8 и 1.9).

Еще одной возможностью измерения сил является использование деформаций, обусловленных напряжениями сдвига. В этом случае применяют консольные торсионные чувствительные элементы в виде плоского стержня с острыми ребрами, в которых при помощи тензорезисторов измеряют деформации, возникающие под углами ±450 к плоскости сдвига под действием измеряемой силы, вызывающей закручивание стержня (рисунок 1.10). Такой метод измерения требует использовать очень тонкие чувствительные элементы.

Рисунок 1.8 – Чувствительный элемент в виде радиально нагруженного кольца, снабженного тензорезисторами, находящимися в местах максимальной деформации изгиба

Рисунок 1.9– Чувствительный элемент в виде сдвоенной

балки с тензорезисторами  R1 – R4

Рисунок 1.10 – Консольный торсионный чувствительный

элемент с тензорезисторами R1 – R4

Хорошие  результаты дают также многостержневые чувствительные элементы, работающие на срез. Радиальное расположение стержней позволяет создать маленькие розеточного типа динамометры для измерения нескольких сил в общей точке. Располагая их вдоль противоположных граней платформы, можно измерять распределение сил, действующих на плоскость.

Все описанные чувствительные элементы при соответствующей их установке могут быть нагружены в направлении растяжения и сжатия.

Предел погрешности тензорезисторных датчиков силы составляет от 0,03 до 2%. Деформация в тензорезисторных датчиках силы от 0,1 до 0,3 мм. Если для применения такая деформация слишком велика, используют датчик с более высоким пределом измерения, однако уменьшается соответственно его чувствительность. В этом случае можно использовать полупроводниковые тензорезисторы имеющие чувствительность в 50…100 раз превосходящую чувствительность тензорезисторов из металла. Тензорезисторные датчики силы пригодны как для статических, так и для динамических измерений.

Типичным свойством всех материалов, используемых для изготовления чувствительного элемента, является их ползучесть при нагрузке и при изменении нагрузки. В тензорезисторных датчиках силы имеется возможность соответствующей конфигурацией тензорезисторов компенсировать ползучесть и таким образом получить стабильные характеристики.

Тензорезисторные датчики силы строят на базе моста Уитстона с использованием не менее четырех активных тензорезисторов. Сопротивление резисторов моста составляет от 120 до 600 Ом, в исключительных случаях до 4000 Ом. Оптимальным сопротивлением резисторов моста считается 350 Ом, потому что при этом возможна разработка датчиков наименьших габаритных размеров с высокими метрологическими характеристиками.

1.9 Тензорезисторные датчики крутящего момента

Тензорезисторные датчики широко применяются для определения крутящего момента [6]. Их обычно используют в тех случаях, когда невозможно встроить преобразователь (датчик) крутящего момента в разрыв испытуемой силовой цепи, например, при исследованиях действующих установок, на валках судовых винтов или на деталях машин, которые не допускают каких-либо изменений. При помощи тензорезисторов могут быть оценены все динамические и статические  процессы без воздействия на объект измерения. Применение тензорезисторов ограничивается только общими для тензорезисторов граничными условиями (например, температурой) и размерами объекта измерения, на котором должно быть достаточно места для размещения тензорезисторов. При измерениях на вращающихся деталях должна быть возможность снятия измерительного сигнала, например при помощи надвинутых или прифланцованных контактных колец, телеметрических устройств или (в отдельных случаях) наматываемых и сматываемых кабелей.

Конструктивно тензорезистивные датчики крутящего момента выполняются в виде цилиндрического чувствительного элемента, который под действием приложенного к нему момента, закручивается. Возникающие при этом деформации служат мерой крутящего момента. Данные деформации воспринимаются тензорезисторами, которые приклеивают к чувствительному элементу под углом 45о к его продольной оси и включают в схему моста Уитстона.

Для передачи питающего напряжения применяют контактные кольца или передачу сигналов без использования контактных колец.

Измерения на вращающихся объектах имеют целый ряд специфических особенностей и связанных с ними трудностей. Контактный съем информации затруднен, а в некоторых случаях и невозможен ввиду больших скоростей вращения, износа контактных колец. Вследствие этого при измерении получаются большие значения погрешности.

Существенно повысить точность измерения и упростить техническое решение задачи возможно при использовании бесконтактного устройства измерения крутящего момента.

Бесконтактный съем информации в датчиках крутящего момента выполнен по типу вращающихся трансформаторов (см. раздел 2). Вращающиеся трансформаторы отличаются от обычных трансформаторов только тем, что вращается или первичная обмотка, или вторичная. Один трансформатор используется для передачи напряжения возбуждения переменного тока мостовому тензодатчику, а второй трансформатор служит для передачи выходного сигнала неподвижному элементу датчика. Таким образом, два трансформатора заменяют четыре контактных кольца, и не требуется непосредственного контакта между вращающимися и неподвижными элементами датчика. Сами трансформаторы представляют собой пару катушек с концентрическими обмотками, где одна катушка вращается внутри или вне неподвижной катушки. Линии (вектора) магнитной индукции образуются путем приложения переменного по времени напряжения к одной из этих катушек. Подсоединение сердечника с высокой магнитной проницаемостью способствует концентрации потока в линии магнитной индукции и улучшению связи для прохода несущего элемента катушки внутреннего вращения.

Передача энергии посредством любого трансформатора требует, чтобы ток был переменным, для чего используется генератор, обеспечивающий сигнал частотой порядка 3 к Гц.

Главным при расчете упругих элементов является обеспечение их максимальной чувствительности. Однако препятствием к этому является возникновение в опасных точках конструкции недопустимо больших напряжений. Поэтому исходным для расчета упругих элементов является описание их с помощью уравнений, которые связывают значения сил, механических деформаций и возникающих напряжений.

Формулы для расчета упругого элемента датчика крутящего момента приведены ниже, где используются следующие обозначения: М – крутящий момент; G – модуль сдвига материала упругого элемента;  – относительный сдвиг.

Напряжения, возникающие в упругом элементе от воздействия приложенного крутящего момента, определяется из выражения:

. (1.27)

Учитывая, что , а относительное удлинение упругого элемента определяется из формулы

(1.28)

где R – относительное удлинение сопротивления, выбранное из условия получения необходимой чувствительности;

К – коэффициент тензочувствительности тензорезистора;

m – коэффициент, учитывающий работу тензорезисторов,

то напряжение в рабочей части упругого элемента имеет вид:

. (1.29)

Полярный момент сопротивления равен:

. (1.30)

Угол закручивания чувствительного элемента равен:

, (1.31)

где  - полярный момент инерции поперечного сечения упругого элемента.

Передача деформации в тензорезисторе характеризуется функцией 4(x), под которой понимается функция распределения деформации 4 в чувствительном элементе по его длине в направлении главной оси тензорезистора при заданной деформации  образца, на который установлен тензорезистор. Так как выходной сигнал при деформации тензорезистора пропорционален средней деформации по его базе, определяемой как:

, (1.32)

где l – длина базы тензорезистора,

то целесообразно пользоваться коэффициентом передачи, определенным как отношение деформации к заданной измеряемой деформации образца, т.е.

. (1.33)

Известно, что обычно тензорезисторы устанавливают так, чтобы их оси чувствительности совпадали с направлениями главных деформаций, которые совпадают с направлениями главных нормальных напряжений.

Одновременно, при измерении деформации кручения необходимо учитывать, что тензорезисторы регистрируют только деформации растяжения и сжатия. В цилиндре, к которому приложен крутящий момент, в направлениях, параллельных и перпендикулярных оси цилиндра, будет происходить деформация сдвига, а под углом 450 к оси – главные деформации (растяжения и сжатия).

Следовательно, для измерения деформации при кручении необходимо монтировать тензорезисторы вдоль линий, составляющих с осью цилиндра угол 450. Установлено, что лучшие результаты получатся при использовании двух тензорезисторов: одного в плоскости растяжения, другого – в плоскости сжатия, как показано на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 – Расположение тензодатчиков на цилиндрическом

теле для измерения деформации кручения

В датчиках крутящего момента почти всегда предусматривается мостовая схема включения (см. рисунок 1.12), представляющая комбинацию двух делителей напряжения (R1R4; R2R3), питаемых от источников постоянного и переменного тока.

Свойства мостовой схемы позволяют решить две важные проблемы: обеспечить температурную компенсацию и снизить чувствительность датчиков крутящего момента к неизмеряемым компонентам крутящего момента.

    Rt1    Rt1

    R2     R3

          Выход

        R1           R4

    Rб    Rб

         Rt2       Rt2

Рисунок 1.12 - Мостовая схема включения в датчиках крутящего момента

Поскольку характеристики тензорезисторов неизбежно имеют некоторый разброс, в схему моста вводят регулировочные сопротивления. Для выравнивания сопротивлений компенсационных тензорезисторов в плечи моста последовательно с тензорезисторами включаются дополнительные сопротивления Rt1. Сопротивления рабочих тензорезисторов выравниваются одновременно с балансировкой моста сопротивлениями Rб. Таким путем можно исключить влияние температурного изменения сопротивления тензорезисторов, а также температурных деформаций упругого элемента. Оба влияния приводят к температурному уходу нуля датчика.

Для компенсации температурного изменения тензочувствительности тензорезисторов, приводящего к изменению чувствительности датчика, в цепь диагонали питания моста последовательно включаются термочувствительные сопротивления Rt2, которые так регулируют напряжение питания моста, чтобы скомпенсировать изменение его чувствительности с изменением температуры. Эти меры позволяют снизить температурные погрешности нуля и чувствительности.

Некоторые характерные особенности тензорезисторных датчиков крутящего момента:

- в зависимости от типа максимальная рабочая частота вращения составляет 0 – 30000 об/мин;

- пригодность как для статических, так и для динамических измерений;

- угол закручивания лежит в пределах 0,2 - 10;

- предел погрешности 0,03 – 0,5 %.

1.10  Тензорезисторные датчики давления

Специфика проектирования датчиков давления состоит в том, что к ним  предъявляют более жесткие требования по массе и габаритным размерам, чем для датчиков силы. Для более полного удовлетворения этих требований упругие элементы выполняют минимально возможного объема, с практически полным использованием поверхности под установку тензорезисторов. Другим специфичным моментом, который необходимо учитывать при проектировании датчиков давления, является то, что на датчик воздействует температура измеряемой среды, и диапазоны изменения ее могут быть значительно шире, чем диапазоны изменения окружающей среды. Поэтому в датчиках давления, несмотря на ограничение по размерам в качестве измерительной цепи применяют мостовую цепь, обладающую более широкими возможностями введения температурной компенсации, чем делитель напряжения. Уменьшения же габаритных размеров (массы) достигают, выбирая малогабаритные тензорезисторы топология которых разработана с учетом напряжений возникающих на поверхности мембраны (рисунок 1.13).

На круглых плоских мембранах при помощи обычных тензорезисторов, имеющих прямолинейную решетку, не удается получить максимально возможную чувствительность. Величина выходного сигнала (при прочих равных условиях) будет зависеть от соотношения между диаметром мембраны и базой тензорезисторов, входящих в измерительный мост, места их наклейки, а также от ориентации решеток тензорезисторов относительно направления главных напряжений на поверхности мембраны.

Рисунок 1.13 – Мембранный фольговый тензорезистор

При определении напряжений, возникающих на поверхности плоской круглой мембраны с жестко заделанными краями, подвергаемой равномерной сплошной нагрузке, петли решетки тензорезисторов, установленных в центральной части мембраны, наиболее рационально располагать по дугам концентрических окружностей, а для тензорезисторов, расположенных вблизи заделки краев мембраны, - по направлению радиусов.

При такой схеме тензорезисторы размещаются в зонах максимальных значений тангенциальных и радиальных напряжений, а их петли ориентируются по направлению главных напряжений на поверхности мембраны.

Механические напряжения в произвольной точке, расположенной на поверхности мембраны на расстоянии  r от ее центра, определяются по формулам (1.34) и (1.35):

- в радиальном направлении

, (1.34)

- в тангенциальном направлении

, (1.35)

где  P - разность давлений, воспринимаемых мембраной, P = 10 кг/см2;

F - площадь мембраны;

h - толщина мембраны,  h = 0,02 см;

a - радиус мембраны,  а = 0,5 см;

( - коэффициент Пуассона,   = 0,33 ).

Перейдя от механических напряжений к деформациям и к относительному изменению сопротивления тензорезисторов, зная их тензочувствительность и напряжение питания моста, можно определить величину сигнала разбаланса, обусловленного приложенным давлением.

Чувствительность датчика давления К, которая представляет собой отношение приращения напряжения разбаланса измерительного моста к изменению давления Р, вызвавшему это приращение определяется по формуле (1.36):

    (1.36)

где  U - напряжение питания моста, U = 6 В;

r  - радиус тензорезисторов, расположенных в центральной части мембраны, r = 0,15 см;

rR - средний радиус окружности, на котором размещены  периферийные тензорезисторы, rR = 0,42 см.

1.11  Оценка погрешностей тензорезисторов

При анализе погрешностей [13] приклеиваемых тензорезисторов принято считать, что измеряемая величина (деформация) воздействует на тензодатчик непосредственно. Параметры тензодатчиков определяются для части партии тензодатчиков и распространяются на всю партию.

Точность результатов измерения деформации зависит от того, с какими погрешностями определены измерительные характеристики тензорезисторов и как вводятся поправки.

Относительное суммарное изменение сопротивления εR тензорезистора под влиянием окружающей среды можно записать в виде

εR = F (ε1, Ai, Bi), (1.37)

где   ε1 – измеряемая деформация

Ai – взаимозаменяемые факторы;

Bi – факторы, степень влияния которых на изменение сопротивления тензодатчиков зависит от наличия или отсутствия других факторов.

Изменение сопротивления тензорезистора фиксируется измерительным прибором, следовательно, для получения искомого результата измерения ε1 необходимо исключить влияние неисследуемых факторов Ai и Bi .

Прежде всего, необходимо найти зависимость изменения сопротивления от деформации (градуировки тензорезистора)

(εR)1 = f (ε1). (1.38)

Далее следует найти зависимости сопротивления от каждого из факторов типа Ai

 (εR)Ai  = φi (Ai), (1.39)

а затем от каждого из факторов типа Bi

(εR)Вi  = ψi (Вi). (1.40)

Получая поочередно зависимости (1.39) и (1.40), нужно выбирать такую последовательность, чтобы каждый раз добавлялось не более одного необследованного ранее фактора.

На основании соотношений (1.41), (1.42) и (1.43) можно записать

F (ε1, Ai, Bi) = f (ε1) + φi (Ai) + ψi (Вi), (1.41)

или

εR = (εR)1 +(εR)Ai + (εR)Вi . (1.42)

Зависимости (1.38), (1.39) и (1.40) являются характеристиками тензорезисторов, каждая из которых получается экспериментально, как средняя для n тензорезисторов. Тогда на основании уравнения (1.42) можно получить

, (1.43)

если полагать, что характеристики определены без систематических погрешностей.

В свою очередь,

, (1.44)

где ξR  – случайная погрешность измерения изменения сопротивления тензодатчика;

ξAi и ξBi – случайные погрешности, определяемые разбросом характеристик отдельных тензодатчиков относительно средней.

Для стандартных тензорезисторов общего назначения важнейшими характеристиками являются чувствительность, температурное изменение сопротивления, ползучесть и сопротивление изоляции. Очевидно, что все измерения, выполняемые при определении этих характеристик, должны осуществляться с помощью метрологических средств, подвергающихся поверке.

Возникают затруднения с назначением допустимых погрешностей измерений, выполняемых в процессе градуировки.

При градуировке тензорезисторов необходимо, чтобы тензорезисторы были правильно и надежно наклеены, заранее знать допустимую погрешность тарировочного устройства и измерительного прибора.

При правильной наклейке тензорезистора оси его решетки совпадают с заданным направлением измеряемой деформации; эта величина, как правило, не контролируется. Если для каждого тензорезистора погрешность измерения деформации вследствие его неправильной установки является постоянной систематической ошибкой случайного происхождения, то для совокупности тензорезисторов неправильность приклейки проявляется в случайной погрешности.

1.12 Оценка метрологических характеристик тензорезисторных датчиков силы

Метрологические характеристики тензорезисторных датчиков проверяют при нагружении датчиков на образцовых силоизмерительных машинах, установках непосредственного нагружения или мерами силы соответствующего разряда. При этом абсолютное значение предела допускаемой погрешности средства нагружения и вторичной аппаратуры должно быть не менее чем в два раза меньше категории точности испытуемого датчика.

Допускается поверка испытуемого датчика при помощи образцового датчика или группы датчиков по методике, утвержденной в установленном порядке. К метрологическим характеристикам датчика относятся:

- систематическая составляющая погрешности;

- нелинейность;

- погрешность от гистерезиса;

- среднее квадратическое отклонение случайной составляющей;

- изменение начального коэффициента передачи (НКП) при изменении температуры на 10 0С;

- изменение рабочего коэффициента передачи (РКП) при изменении температуры на 10 0С.

Перечисленные метрологические характеристики тензорезисторных датчиков проверяются измерением коэффициентов передачи при не менее чем трехкратном нагружении в прямой и обратной последовательности по ступеням, число и значения которых регламентируются в стандартах и технических условиях на датчики конкретных типов. При нахождении значений метрологических характеристик значения РКП определяются как разность измеренного сигнала и нулевого сигнала для первого нагружения, отнесенная к напряжению питания.

Систематическая составляющая погрешности (γci) на i-й ступени нагружения в процентах от номинального значения РКП определяется по формуле

 , (1.45)

где  – среднее значение РКП на i-й ступени нагружениясоответственно в прямой и обратной последовательности нагружения;

– расчетное значение РКП на i-й ступени нагружения, определяемое как:

, (1.46)

где i – порядковый номер ступени нагружения (i= 1; 2; …; n);

n – число ступеней нагружения;

kном – номинальное значение РКП при номинальной нагрузке.

Нелинейность (γнел i) на i-й ступени нагружения в процентах от номинального значения РКП определяется по формуле

, (1.47)

где - среднее значение РКП при номинальной нагрузке.

Погрешность от гистерезиса (γn i) на i-й ступени нагружения в процентах от номинального значения РКП определяется по формуле

(1.48)

Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности (γσ i) на i-й ступени нагружения в процентах от номинального значения РКП определяется по формуле

, (1.49)

где ,  – значение РКП в прямой и обратной последовательности соответственно на i-й ступени нагружения;

l – порядковый номер цикла нагружения;

m – количество циклов нагружения.

Изменение НКП и РКП датчика при воздействии температуры окружающей среды определяют следующим образом.

Датчик помещают в климатическую камеру с точностью поддержания температуры не менее ±30С и измеряют значение температуры в камере.

Измеряют НКП, нагружают номинальной нагрузкой и измеряют РКП. Измерение НКП и РКП проводят по трем нагружениям. Затем температуру в камере с ненагруженным датчиком изменяют до верхнего (нижнего) рабочего значения, регламентированного для датчика конкретного типа и выдерживают в течение времени, установленного для данного датчика, но не менее 2 часов.

Измеряют НКП и РКП при трехкратном нагружении номинальной нагрузкой. Изменение НКП датчика (γk0t) при изменении температуры окружающей среды на 10 0С в процентах от номинального значения РКП определяют по формуле

, (1.50)

где – среднее значение НКП при максимальной (минимальной) рабочей температуре;

Δt – разность максимальной  и нормальной температур в камере;

– среднее значение НКП при нормальной температуре.

Изменение РКП датчика (γkt) при изменении температуры окружающей среды на 10 0С в процентах от номинального значения РКП определяется по формуле

, (1.51)

где – среднее значение НКП при номинальной нагрузке и максимальной  (минимальной) температуре.

Значение НКП датчика (γk0) в процентах от номинального значения РКП определяют по формуле

. (1.52)

2 Электромагнитные датчики

В данной главе рассмотрим электромагнитные преобразователи перемещений в электрический сигнал.

Для современных систем контроля и управления требуется измерять перемещения (угловые и линейные) с погрешностью 0,05-0,1 %. Достаточно высокую точность необходимо сочетать с малыми габаритами, массой и высокой надежностью. Уменьшение габаритов электромагнитных преобразователей имеет ограничение. Во-первых, количество доменов в магнитопроводе пропорционально его объему, а количество доменов должно быть в несколько десятков раз больше числа различимых градаций (оценивается точностью). Во-вторых, в преобразователе должны быть выполнены пазы, зубцы, уложены обмотки - все это с определенной точностью. В-третьих, преобразователь должен иметь такие толщины стенок, чтобы обеспечить требуемую механическую прочность. Все это не позволяет выполнять габариты преобразователей меньше некоторого предела.

Для повышения точности преобразователя необходимо увеличивать число различимых градаций (приращений) измеряемого перемещения. Это требует повышения чувствительности. Совмещение высокой чувствительности с широким диапазоном изменения измеряемой величины, т.е. получение большего числа различимых градаций, возможно лишь в преобразователях с периодической структурой магнитной (или оптической) цепи измерительной модуляции несущего сигнала. В электромагнитных преобразователях периодическую структуру магнитной цепи создают с помощью зубцовых поверхностей подвижной и неподвижной частей. Такие преобразователи различаются типом сопряжения зубцовых поверхностей. Существует несколько типов сопряжения. Наибольший интерес представляют нониусные и растровые сопряжения. Рассмотрим электромагнитные преобразователи с такими сопряжениями.

2.1 Методы построения электромагнитных преобразователей

2.1.1 Построение аналоговых электромагнитных преобразователей перемещений

Электромагнитные преобразователи перемещений широко применяются в различных отраслях техники, в том числе и в изделиях авиационной и космической техники. Они обладают высокой чувствительностью и точностью, имеют достаточно высокую выходную мощность, простую конструкцию, обеспечивающую высокую надежность, малые габариты и вес. В электромагнитных преобразователях механическое перемещение преобразуется в изменение электродвижущей силы (ЭДС) или индуктивного сопротивления в обмотках преобразователя.

В настоящее время известны и применяются электромагнитные преобразователи трех типов [4]:

- индуктивные (перемещение преобразуется в изменение индуктивности);

- взаимоиндуктивные или трансформаторные (перемещение преобразуется в изменение коэффициента трансформации);

- индукционные (скорость перемещения преобразуется в ЭДС).

Для пояснения принципа действия этих преобразователей на            рисунке 2.1. схематично изображены упрощенные варианты их конструкции.

Принцип действия индуктивного преобразователя иллюстрируется на рисунке 2.1а. При перемещении подвижной части магнитопровода (относительно П-образного магнитопровода с обмоткой) изменяется ширина воздушного зазора между подвижной и неподвижной частями магнитопровода. В результате изменяется магнитное сопротивление магнитной цепи и индуктивность обмотки, т.е. индуктивное сопротивление обмотки зависит от перемещения подвижной части. Сопротивление магнитной цепи изменяется и при повороте подвижной части относительно оси (см. рисунок 2.1а).

Рисунок 2.1 – Принцип действия индуктивного преобразователя

У трансформаторного преобразователя, принцип действия которого поясняет рисунок 2.1б, в воздушном зазоре С-образного магнитопровода перемещается подвижная обмотка. По мере введения подвижной обмотки в зазор эта обмотка взаимодействует с все большей частью переменного магнитного потока, создаваемого обмоткой на С-образном магнитопроводе). В результате этого ЭДС, создаваемая в подвижной обмотке, зависит от положения подвижной обмотки.

Индукционный преобразователь (рисунок 2.1в) отличается от трансформаторного тем, что магнитный поток в магнитопроводе индукционного преобразователя является постоянным. Поэтому ЭДС в подвижной обмотке появляется лишь при ее перемещении.

Реальные преобразователи перемещений обычно выполняется в дифференциальном варианте. При этом уменьшается погрешность преобразования перемещения в электрическую величину и увеличивается линейный участок функции преобразования. Некоторые конструкции дифференциальных индуктивных преобразователей перемещений схематично показаны на рисунке 2.2. На рисунке 2.2а изображен дифференциальный вариант преобразователя, одноконтурный вариант которого показан на рисунке 2.1а. При перемещении подвижной части магнитопровода один из зазоров уменьшается, а другой на столько же увеличивается. Это приводит к увеличению индуктивного сопротивления в одной из обмоток и уменьшению в другой. Обмотки включены в мостовую цепь, выходное напряжение которой пропорционально механическому перемещению подвижной части.

В конструкции, показанной на рисунке 2.2б, подвижный магнитопровод перемещается между двумя обмотками и влияет на их индуктивные сопротивления. В остальном он действует так же, как и предыдущий.

В конструкции, показанной на рисунке 2.2в, действуют два встречных магнитных потока Ф1, и Ф2. Они проходят через подвижную часть магнитопровода. При перемещении подвижной части длина пути, по которому проходит поток Ф1, увеличивается, а длина пути потока Ф2 - уменьшается. Тогда изменяются магнитные сопротивления обмоток, и выходное напряжение мостовой цепи будет пропорционально перемещению подвижной части. Аналогично строятся и дифференциальные трансформаторные преобразователи перемещений.

Рисунок 2.2 – Конструкции дифференциальных индуктивных

преобразователей перемещений

Функцию преобразования дифференциального преобразователя можно получить из функции одиночного преобразователя (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Функция преобразования дифференциального преобразователя

При начальном положении подвижной части магнитопровода (X =0) мостовая цепь находится в равновесии (z1 = z2 и z3 = z4 ), тогда при перемещении подвижной части выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений обмоток:.

Из рисунка 2.3 видно, что график зависимости от  более прямолинейный, чем график зависимости  или . Кроме того, если величины  и  имеют одинаковые погрешности  (они одинаковы в силу идентичности обмоток и магнитных цепей), то у разности  погрешность компенсируется: .

Этот эффект соответствует метрологическим возможностям параллельного соединения преобразователей, ибо дифференциальное соединение двух преобразователей является частным случаем параллельного соединения.

2.1.2. Преобразование перемещения в цифровой код.

Преобразование аналогового выходного сигнала преобразователя перемещений в цифровой код позволяет, во-первых, повысить помехозащищенность передачи сигналов (особенно по радиоканалу в системах телеметрии, что особенно важно для летательных аппаратов) и, во-вторых, обеспечить совмещение с цифровым вычислительными устройствами, производящими обработку результатов измерений и управление летательными аппаратами. Наиболее просто преобразование аналогового сигнала в цифровой код осуществляется с помощью электронных преобразователей "напряжение – код" (ПНК).

Рассмотрим принцип действия одного из вариантов ПНК. Он основан на широтно-импульсном преобразовании входного сигнала в последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна преобразуемому напряжению. Принцип широтно-импульсного преобразования основан на формировании фронтов импульсов в моменты равенства преобразуемого напряжения  и пилообразного напряжения . Диаграммы напряжений, поясняющие формирование импульсов, показаны на рисунке 2.4. Пилообразное напряжение описывается формулой

при

Рисунок 2.4 – Диаграммы формирования напряжений в ПНК

Длительность сформированных импульсов определим из равенства  и :

.

Отсюда получаем формулу длительности импульсов

,

которая показывает, что длительность импульсов прямо-пропорциональна преобразуемому напряжению.

Функциональная схема ПНК приведена на рисунке 2.5, а на рисунке 2.6 показаны диаграммы напряжений, поясняющие работу ПНК. Преобразуемое напряжение  и пилообразное напряжение  поступают на входы компаратора. Компаратор - это устройство сравнения напряжений на основе дифференциального усилителя с бесконечным коэффициентом усиления. В нём происходит формирование импульсов, фронты которых формируются в моменты равенства двух входных напряжений. Выходные импульсы компаратора управляют работой ключа (открывают и закрывают его). Во время действия сформированного импульса на вход счетчика импульсов проходят импульсы с частотой , которые вызывают изменение выходного цифрового кода счетчика. За время  в счетчике накапливается код, соответствующий числу

.

Рисунок 2.5- Функциональная схема ПНК

Рисунок 2.6 – Диаграммы напряжений ПНК

Количество импульсов, подсчитанных счетчиком, может быть только целым. Несоответствие между непрерывным, аналоговым, характером изменения преобразуемого напряжения  и дискретным характером цифрового кода учитывается в последней формуле с помощью коэффициента  kн = (0  1), принимающего произвольные значения внутри интервала 0...1. Этот коэффициент отражает наличие погрешности дискретизации, присущей всем цифровым приборам, которая может быть равной единице младшего разряда выходного кода. В течение паузы между импульсами на выходе компаратора ключ закрыт, и цифровой код на выходе счетчика не меняется. С началом следующего импульса на выходе компаратора счетчик устанавливается вначале в исходное положение (нулевое значение выходного хода), а затем весь процесс начинается вновь. При подключении входа ПНК через фильтр низкой частоты к выходу мостовой цепи, содержащей преобразователь перемещения, на выходе счетчика ПНК формируется цифровой код, пропорциональный измеряемому перемещению.

2.1.3 Построение аналого-цифровых преобразователей перемещений.

В последнее время появились дифференциальные преобразователи перемещений, непосредственно входящие в состав ПНК. Конструкция такого преобразователя схематично показана на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Конструкция дифференциального преобразователя

перемещений входящего в состав ПНК

Электромагнитный трансформаторный чувствительный элемент выполнен в виде двух изолированных цилиндрических магнитопроводов 1 и 2, на которых расположены обмотки 5 и 6. Внутри измерительных обмоток коаксиально расположен подвижный немагнитный шток 7, на котором находятся два трубчатых подвижных магнитопровода 8 и 9 . При перемещении штока происходит изменение коэффициента трансформации (взаимной индуктивности) между обмотками возбуждения и измерения. Питание обмоток возбуждения осуществляется напряжениями треугольной формы U1 и U2 (рисунок 2.8), сдвинутыми между собой по времени на четверть периода.

Эти напряжения формируются генератором треугольных напряжений (ГТН). Питающие напряжения U1 и U2 имеют одинаковую амплитуду. Напряжения на измерительных обмотках и  имеют ту же форму, что и питающие напряжения, но их значение зависит от значений коэффициентов трансформаций, т.е. от положения подвижного штока. В среднем положении штока  имеют одинаковые амплитуды, а при смещении штока относительно среднего положения одно из напряжений  увеличится, а другое - уменьшится. Эти напряжения показаны пунктиром на рисунке 2.8а.

Рисунок 2.8 – Диаграммы напряжений формируемые ГТН

Напряжения  поступают на два входа компаратора 1, который формирует импульсы U3 (рисунок 2.8б). Напряжения  поступают на два входа компаратора 2, который формирует импульсы U4, (рисунок 2.8в). Импульсные напряжения U3 и U4 сдвинуты друг относительно друга во времени на величину , пропорциональную перемещению штока относительно среднего положения. Напряжения U3 и U4 поступают на входы дискриминатора импульсов (ДИ), который формирует импульсы с длительностью  (рисунок 2.8г). Импульсы с длительностью  преобразуются в цифровой код аналогично тому, как это было описано в 2.1.2. Сформированный цифровой код записывается в регистр памяти, откуда он поступает в другие устройства.

Существенным преимуществом описанного преобразователя перед рассмотренными ранее является независимость выходного кода от изменения амплитуды напряжений питания и температуры чувствительного элемента. Это обусловлено тем, что пропорциональное изменение напряжений , а также   не приведет к смещению фронтов импульсов напряжений U3 и U4 и изменению .

2.2 Электромагнитные преобразователи перемещений

Электромагнитные преобразователи перемещений и информационные электрические микромашины нашли широкое применение во многих отраслях техники из-за высоких точностных, надежностных и габаритно-весовых показателей. Они предназначены для выполнения функций первичных преобразователей, передачи информации, вычислительных операций в схемах автоматики, телемеханики и вычислительной техники. В качестве первичных преобразователей они служат для преобразования различных механических величин (угла поворота, частоты вращения, скорости, перемещения, ускорения, момента и т.п.) в электрические величины или обратного преобразования; в вычислительной технике они выполняют решение тригонометрических задач, преобразование координат, дифференцирование, интегрирование, в телемеханических системах обеспечивают работу систем синхронной связи.

В настоящее время разработано и создано большое количество различных типов специальных информационных микромашин, предназначенных для выполнения указанных функций. Рассмотрим некоторые из них.

2.2.1. Сельсины.

Сельсином называют информационный микромашинный преобразователь, предназначенный для использования в самосинхронизирующихся синхронных дистанционных передачах, т.е. таких, в которых каждому угловому положению вала датчика соответствует вполне определенное угловое положение вала приемника. Сельсины позволяют получать на выходных обмотках систему напряжений, амплитуда и фаза которых определяются угловым положением ротора (сельсины-датчики СД), или же наоборот, такую систему напряжений преобразовывать в соответствующее ей угловое положение ротора (сельсины-приемники СП индикаторные) или в напряжение, фаза и амплитуда которого является функцией системы входных напряжений и угла поворота ротора (сельсины-приемники трансформаторные). Сельсины применяются в качестве измерителей рассогласования следящих систем, датчиков и приемников трансформаторных и индикаторных систем дистанционных передач.

На рисунке 2.9 приведена простейшая схема конструкции сельсина.

Рисунок 2.9 – Конструктивная схема сельсина

Статор 1 имеет три полюсных выступа, на которых размещены выходные обмотки, расположенные под углом 120°. На двухполюсном роторе 2 сельсина размещена обмотка возбуждения, на которую через контактные кольца (на рисунке не показаны) подается напряжение возбуждения Uв. Если питать однофазный ротор сельсина переменным током, то в каждой из обмоток статора сельсина будет наводиться ЭДС той же частоты. Амплитуда этой ЭДС зависит от углового положения ротора по отношению к обмотке статора. Представим эти ЭДС в следующем виде:

,

,

,

где   - круговая частота питающего напряжения.

С помощью сельсинов могут быть построены два типа синхронных передач - индикаторная и измерительная или трансформаторная. В индикаторной синхронной передаче (рисунок 2.10) обмотки возбуждения однотипных датчика и приемника подключают к одной сети переменного тока. В согласованном положении, когда обмотки возбуждения датчика и приемника занимают одинаковое положение по отношению к соответствующим трехфазным обмоткам, токи в цепи синхронизации отсутствуют, так как ЭДС на обмотках датчика и приемника одинаковы. При рассогласовании датчика и приемника на некоторый угол  в цепи синхронизации появляются уравнительные токи. В результате взаимодействия уравнительных токов с магнитными потоками приемника возникает синхронизирующий момент, под воздействием которого приемник переходит в согласованное положение с датчиком. Поскольку синхронизирующий момент появляется за счет электромагнитных процессов в системе синхронной передачи, то индикаторную синхронную передачу называют системой с внутренней синхронизацией.

Рисунок 2.10 – Схема индикаторной синхронной передачи

Рисунок 2.11 – Схема трансформаторной синхронной передачи

В трансформаторной синхронной передаче (рисунок 2.11) обмотка возбуждения сельсина-датчика подключена к сети переменного тока. Вторичные ЭДС представляют собой электрические сигналы, которые передаются по цепи синхронизации от датчика к приемнику. В приемнике трехфазная обмотка создает магнитный поток, ось которого занимает по отношению к трехфазной обмотке такое же положение, как и у датчика. При повороте ротора датчика на такой же угол поворачивается магнитный поток приемника; этот угол поворота можно зафиксировать по значению ЭДС управляющей обмотки приемника Еу. За согласованное положение датчика и приемника принимают такое положение, когда ЭДС управляющей обмотки равна нулю. ЭДС управляющей обмотки используют после усиления усилителем У для управления реверсивным электродвигателем D, приводящим сельсин-приемник в согласованное положение через редуктор Р (рисунок 2.12). Иногда такого рода систему синхронной передачи называют системой с внешней синхронизацией.

Рисунок 2.12 – Система с внешней синхронизацией

2.2.2 Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ).

В последние годы сельсины вытесняются новыми индукционными элементами. Для дистанционной передачи угловых положений главным образом применяются синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, являющиеся функциональными преобразователями аналоговых вычислительных устройств.

Вращающимся (поворотным) трансформатором (ВТ) называется индукционная электрическая машина переменного тока, коэффициенты взаимодействия между обмотками которой изменяются по определенному закону от угла поворота ротора. ВТ широко применяются в электромеханических счетно-решающих устройствах в качестве преобразователей угла поворота в переменное напряжение, величина которого изменяется по заданному закону от угла поворота вала, в синхронных передачах грубого и точного отсчета как измерители угла рассогласования между двумя осями, в преобразователях "вал-цифра", в программных механизмах и т.п.

Двухполюсные СКВТ (рисунок 2.13) выполняются как неявнополюсные электрические машины, имеющие равномерно распределенные пазы на статоре и роторе. Пакеты статора 1 и ротора 2 набираются из листовой электротехнической стали или пермаллоя. Для получения однородных магнитных свойств применяется веерная сборка листов и скос паза ротора на одно зубцовое деление. В пазы статора и ротора укладываются по две взаимно перпендикулярные обмотки; витки распределяются по пазам таким образом, чтобы коэффициент взаимоиндукции между обмотками статора и ротора изменялся по синусоидальному (косинусоидальному) закону от угла поворота ротора. Напряжение к обмоткам ротора подводится (снимается) с помощью контактных колец 3 и щеток или с помощью контактных пружин; во втором случае угол поворота ротора ограничен.

Рисунок 2.13 - Конструктивная схема двухполюсного СКВТ

В последние годы получили распространение преобразователи, в которых статор и ротор аналогичны статору и ротору в контактном СКВТ, а питание к обмотке ротора подается с помощью кольцевого трансформатора 3 (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Конструктивная схема двухполюсного СКВТ с кольцевым трансформатором

Электрическая схема СКВТ приведена на рисунок 2.15а. При подаче на обмотку возбуждения В1-В2 переменного напряжения  в воздушном зазоре возникает пульсирующий магнитный поток  Фв, который, пронизывая вторичные обмотки, наводит в них ЭДС, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота ротора :

,

,

где к - коэффициент трансформации.

а)  б)

Рисунок 2.15 – Электрическая схема СКВТ

Уравнения справедливы для режима холостого хода. При конечном сопротивлении нагрузки одной из вторичных обмоток  (например, синусной) появится ток IС и, следовательно, соответствующая намагничивающая сила, направленная вдоль оси этой обмотки. Намагничивающая сила создает магнитный поток реакции синусной обмотки Фс. Если ось синусной обмотки повернута относительно оси обмотки возбуждения на угол , то поток Фс можно разложить на продольную (относительно оси обмотки возбуждения) и поперечную составляющие (рисунок 2.15б):

,

.

Результирующий магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет взаимодействия потоков обмотки возбуждения и синусной обмотки. Продольная составляющая потока, направленная встречно потоку возбуждения, стремится размагнитить СКВТ. Однако размагничивания практически не происходит за счет уменьшения ЭДС в обмотке возбуждения и возрастания силы тока возбуждения. Поперечная составляющая потока не компенсируется потоком возбуждения. Наличие этой составляющей потока приводит к искажению синусоидальной формы зависимости модулирующей ЭДС от угла поворота ротора. При этом степень искажения определяется соотношением сопротивлений намагничивания и нагрузки.

Основное требование, предъявляемое к СКВТ, состоит в том, чтобы амплитуда выходного напряжения Uc  обмотки CI-C2 (или Uк обмотки KI-K2) как можно точнее изменялась по синусоидальному закону. Для выполнения этого требования необходимо устранить влияние поперечной составляющей магнитного потока. Условием симметрирования является равенство сопротивления Zкв квадратурной обмотки ВЗ-В4 внешнему сопротивлению цепи обмотки возбуждения (т.е.   должно быть равно внутреннему сопротивлению источника питания). Если ВТ питается от мощного источника, сопротивлением которого можно пренебречь, то условие симметрирования выполняется при замыкании квадратурной обмотки накоротко.

2.2.3. Редуктосины.

Вращающийся трансформатор, на роторе которого отсутствуют обмотки, называется редуктосином. Для определения пространственного положения механизмов и элементов систем управления используются измерительные устройства со шкалами. Шкала представляет собой совокупность отметок и других символов соответствующих ряду последовательных значений величины, распределенных по определенному закону, например, миллиметровая шкала на линейке, на которой нанесены деления с шагом  , который называется ценой  деления шкалы. Дискретность отсчета в этом случае равна цене деления шкалы d=a. Система зубцов СКВТ также является шкалой. Чтобы повысить точность измерения, т.е. уменьшить дискретность отсчета шкалы, следует, уменьшать шаг делений. Более совершенны нониусные шкалы, которые широко используются в технике, например, в штангенциркуле. Они позволяют повысить точность измерения, не уменьшая цены деления шкалы. Нониус состоит из 2-х шкал: опорной с ценой деления ао и нониусной с ценой деления ан. Для реализации нониусного сопряжения шкал требуется соблюдение следующих условий:

,

где m и n - целые числа;

N  - несократимая дробь.

Дискретность нониусной шкалы называется разрешающей способностью нониуса. Она выражается через геометрические размеры шкал следующим образом:.

Таким образом, в нониусной шкале точность зависит не от абсолютного значения ширины деления шкалы, а от их разности, следовательно, для повышения точности следует не стремиться, как в предыдущем случае, делать более частые деления, а уменьшать разницу в шагах опорной и нониусной шкал. Эта особенность нониусных шкал широко используется в электромагнитных преобразователях, например, редуктосинах. Редуктосин представляет собой информационную микромашину, предназначенную для преобразования угла поворота вала в электрический сигнал. На рисунке 2.16 показана простейшая схема конструкции редуктосина.

Рисунок 2.16 – Конструктивная схема редуктосина

Он состоит из ферромагнитного ротора с тремя зубцами (zр = 3) а, b и c и ферромагнитного статора с четырьмя зубцами (zс = 4) d,e,f,g. Угловая цена деления опорной шкалы , а нониусной . На зубцах статора размещены секции обмотки считывания, которые соединены последовательно-встречно. При подключении обмотки возбуждения к источнику переменного напряжения эти секции создают магнитные потоки противоположного направления. На каждом из зубцов статора размещены секции считывающих обмоток. Они соединены встречно-попарно через полюс. Магнитный поток пронизывает секции считывающих обмоток и наводит в них ЭДС. Величина этого потока зависит от магнитного сопротивления на его пути. К примеру, для показанного положения ротора магнитный поток максимален в секции, охватывающей зубец , так как магнитное сопротивление в зазоре между зубцами  и  минимально, следовательно, ЭДС  Е1  этой секции максимальна, а ЭДС  Е3  секции, охватывающей зубец , при этом минимальна, так как принизывающий ее поток мал из-за большого магнитного сопротивления между зубьями ,  и , c , т.е. Е1 и Е3 модулируются при вращении ротора в противофазе. При повороте ротора на зубцовый роторный шаг ситуация повторяется, т.е. ЭДС Е1 и Е3 имеют период , а количество периодов равно числу зубцов ротора. Это можно представить следующим образом:

,  (2.1)

. (2.2)

За счет встречного включения обмоток производится вычитание напряжения (2.1) из (2.2):

. (2.3)

При повороте ротора против часовой стрелки на величину С = 30°, соответствующую четверти периода, наибольшее перекрытие будет у зубцов  и , а, следовательно, Е2 отстает от Е1 на 1/4 периода, тогда

.  (2.4)

ЭДС Е4 отстает на половину периода Т/2 от Е2 аналогично тому, как  Е3 отстает по фазе от Е1:

.  (2.5)

Вычитая Е4 из Е2 и преобразуя выражение, получаем

.  (2.6)

Таким образом, выходные сигналы редуктосина пропорциональны синусу и косинусу угла вращения вала с частотой в zр большей, следовательно, сигналы эти многопериодны за один оборот вала (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 -  Вид выходных сигналов с редуктосина

2.2.4 Растровые трансформаторные датчики перемещения.

Появившиеся в последнее время трансформаторные датчики с комбинационным [14]сопряжением растров находят все более широкое применение. Для пояснения принципа работы растровых преобразователей на рисунке 2.18 показана конструкция датчика линейных перемещений. Он состоит из корпуса 1, с укрепленным в нём ферромагнитным зубчатым статором 2, на котором расположены секции обмоток возбуждения 3 и считывания 4. Подвижная рейка 5 может перемещаться внутри направляющих 6. На внутренней поверхности рейки укреплен зубчатый магнитопровод 7. Рейка с небольшим зазором ( = 50 мкм) перемещается относительно статора, при этом зубцы рейки расположены под углом  к зубцам статора. На рисунке 2.19 показано взаимное расположение зубцов и обмоток.

Рисунок 2.18 – Конструкция растрового датчика линейных перемещений

Рисунок 2.19 – Взаимное расположение зубцов и обмоток растрового датчика

Обмотка возбуждения 3 состоит из четырех секций, которые соединены последовательно и встречно, образуя систему из двух пар полюсов. Считывающие обмотки 4, расположенные в тех же пазах, создают полнофазную систему из четырех выходных сигналов, которые подвергаются последующей обработке. Заштрихованы те зоны, в которых зубец рейки находится напротив зубца основания, т.е. зоны, где магнитная проводимость наибольшая. Совокупность этих зон образует комбинационную полосу повышенной проводимости шириной Q. Смещение рейки на шаг зубца g приводит к перемещению этой полосы под прямым углом к направлению измеряемого перемещения на величину Q, что вызывает модуляцию магнитного потока и, следовательно, выходной ЭДС. Форма кривой ЭДС зависит от геометрических параметров зубцовых поверхностей, а также размеров и формы считывающих обмоток. Соответствующим выбором этих параметров можно добиться синусоидального характера выходных сигналов, что важно при использовании существующих методов информационной обработки выходных сигналов.

Идея комбинационного растрового сопряжения реализована также в датчике угловых перемещений (рисунок 2.20).

В основу конструкции датчика положено комбинационное сопряжение двух цилиндрических растров [2,14,31], образованных статором и ротором, причем в отличие от ранее разработанной конструкции [30] статор расположен внутри ротора. На рисунках 3 и 4 показана конструкция малогабаритного датчика угловых перемещений и его фотография.

Датчик состоит из корпуса 1, внутри которого размещены узел статора 2 и узел ротора 5. В кольцевых проточках расположены обмотки возбуждения и считывания 3 и 4, при этом четыре секции обмоток возбуждения и считывания соединены последовательно-встречно. Выводы обмоток припаяны к штырям контактной колодки 6. Статор закреплен в отверстии корпуса, ротор установлен на подшипниках 7.

Магнитный поток, развиваемый секциями обмоток возбуждения, замыкается между статором и ротором через зубцовый зазор, пересекает обмотки считывания и наводит в них ЭДС, значение которой пропорциональна магнитной проводимости участков магнитной цепи, образованной статором, ротором и воздушным зазором между их зубцами. Магнитная проводимость зависит от площади взаимного перекрытия зубцов статора и ротора (заштрихованные участки на рисунке 2.19).

Рисунок 2.20 - Конструктивная схема датчика угловых перемещений

Рисунок 2.21 – Основные элементы датчика угловых перемещений

При повороте выходного вала датчика на определенный угол происходит вращение ротора. При вращении ротора его зубья перемещаются относительно зубьев статора, образуя комбинационное растровое сопряжение, что приводит к появлению модуляции выходного сигнала на обмотках считывания, за счет наклона зубьев статора на угол φ выходные сигналы сдвинуты между собой на ¼ периода. Тангенс угла определяется из соотношения

, (2.7)

где q - шаг зубцового сопряжения;

Q - длина сопрягаемой поверхности.

Изменяя такие параметры, как шаг зубцового сопряжения, угол наклона зубцов статора, расстояние между обмотками, можно изменять разрешающую способность датчика.

Отличительными особенностями растровых преобразователей являются простота конструктивного исполнения, высокая метрологическая надежность при удовлетворительной для многих практических применений точности преобразования входной величины.

2.2.5 Обработка сигналов первичных преобразователей и формирование выходной информации.

Для успешного функционирования современных систем управления часто требуется представление измерительной информации с первичных преобразователей в дискретной и цифровой форме.

В качестве примера формирования дискретных сигналов с датчика приведена функциональная схема (рисунок 2.22) и рассмотрена работа сигнализатора угла атаки, входящего в комплект приборного оборудования практически всех самолетов.

Рисунок 2.22 – Функциональная схема сигнализатора угла атаки

Сигнализатор угла атаки предназначен для выдачи летчику дискретного предупреждающего сигнала о выходе самолета на критические углы атаки по сигналу  с датчика угла атаки (ДУА). Этот сигнал поступает на дифференцирующее устройство ДУ, которое формирует сигнал упреждения  в зависимости от скорости изменения угла атаки. Этот сигнал суммируется с сигналом  в сумматоре С, сумма подается на компаратор К, на другой вход которого подается опорный сигнал от задатчика критических углов ЗКУ. Сигнал с ЗКУ з и величина К (упреждение) регулируются в зависимости от аэродинамических свойств типа самолета. По достижении уровня  компаратор формирует сигнал на включение управляемого (от сигнала ДУА) модулятора УМ. Частота выходного предупреждающего сигнала с УМ пропорционально связана с глубиной захода в опасную зону критических углов. Нагрузкой модулятора являются световой СС и тактильный ТС сигнализаторы, первый из которых установлен в поле зрения летчика, а второй связан с органами управления самолета и обеспечивает их вибрацию.

Более высокую информационную способность приходится обеспечивать при обработке непрерывных сигналов с растровых датчиков угловых перемещений, сельсинов и СКВТ. Их используют не только для передачи в аналоговой форме информации об угловых перемещениях (УП), но и для ее кодирования, что позволяет организовать связь с ЦВМ без изменения структуры существующей системы и режима работы в ней датчиков. Широкое внедрение в практику цифровой вычислительной техники определяет актуальность и стимулирует развитие исследований, связанных с разработкой аналого-цифровых преобразователей угловых перемещений  для систем управления ракетно-космической техники.

Сигналы с растрового датчика угловых перемещений показаны на рисунке 2.23. Здесь Us = U Sin , Uc = UCos .

Рисунок 2.23 – Вид выходных сигналов с растрового датчика перемещений

Разомкнутая схема амплитудного аналого-цифрового датчика угловых перемещений приведена на рисунке 2.24. Она состоит из двух инверторов И1 и И2, селектора октантов (СО), коммутатора (К), линеаризующей схемы (ЛС) и преобразователя "напряжение-код (ПНК)".

Рисунок 2.24 - Разомкнутая схема амплитудного аналого-цифрового датчика угловых перемещений

С помощью инверторов И1 и И2 формируются напряжения –U Sin  и       –U Cos .

Для уменьшения методической погрешности преобразования, вызванной линейной аппроксимацией тригонометрической зависимости выходного напряжения датчика от угла поворота, путем анализа амплитудных соотношений между выходными напряжениями датчика выделяют и преобразуют в код то из них, зависимость которого от УП описывается более линейным участком синусоиды. В СКВТ, например, для этого формируют признак октанта УП, в соответствии с которым подключают к ПНК синусную (в I, П, V или VШ октантах) или косинусную (в остальных октантах) его обмотки. К примеру, наличие амплитудного соотношения > > > соответствует октанту IV, и для обработки используется сигнал Us как наиболее линейный на этом участке. Коммутатор К подает этот сигнал на линеаризующую схему ЛС с обратной по отношению к датчику характеристикой преобразования - арксинусной. В этом случае зависимость выходного напряжения с ЛС U0 от угла поворота  выразится следующим образом: U0 = U arc Sin (Sin ) ≡ . Затем это напряжение подается на линейный преобразователь "напряжение-код" (ПНК), который и формирует выходной кодовый сигнал, пропорциональный значению углового положения вала датчика. Существуют и замкнутые схемы обработки сигналов с датчиков. Их основной недостаток в том, что для их работы в цепи обратной связи требуется установить прецизионный нелинейный цифроаналоговый преобразователь "код-напряжение". Это сильно усложняет и делает дороже блок обработки, поэтому предпочтительнее использовать разомкнутые схемы обработки.

Существуют методы и схемы формирования выходных сигналов и при многопериодном выходном сигнале, к примеру, у редуктосинов, многополюсных СКВТ и растровых датчиков. Многопериодность вносит неоднозначность отсчета по всему диапазону. Для описанного выше редуктосина один и тот же сигнал может быть, например, при 15°, 135° и 255°, и определить, какой же из выходных углов истинный по выходному сигналу, невозможно.

На практике разработаны два конструктивных варианта датчиков перемещений. В первом случае устанавливают на валу дополнительный однопериодный датчик грубого отсчета, в другом - считают количество периодов преобразования, формируя таким образом счетный канал грубого отсчета [1]. Однако последний метод обладает существенным недостатком - он не восстанавливает информацию об угловом положении при сбоях, ошибках, выключениях электропитания. В качестве примера такого преобразователя ниже описан электронный блок растрового датчика.

Преобразователь (рисунок 2.25) состоит из следующих элементов [14]:

четырех выравнивателей напряжения ВН;

четырех сравнивающих устройств СУ;

четырех запоминающих устройств ЗУ;

дешифратора позиционного кода ДПК;

формирователя счетных импульсов ФСИ;

реверсивного счетчика PC;

генератора тока Г;

формирователя импульсов опроса ФИО.

Ток с генератора Г поступает на обмотки возбуждения датчика. Сигналы с четырех вторичных обмоток выравниваются по максимальному значению выравнивателями напряжения ВН, затем сравниваются между собой сравнивающими устройствами СУ1...СУ4.

Рисунок 2.25 – Функциональная схема растрового

датчика угловых перемещений

Запоминающие устройства опрашивают сравнивающие устройства в момент прихода переднего фронта импульса с формирователя импульса опроса (ФИО). Передний фронт импульса опроса формируется после окончания переходного процесса в датчике. Значение состояния СУ в момент опроса хранится в ЗУ до прихода следующего импульса опроса. Дешифратор позиционного кода ДПК преобразует код с ЗУ в параллельный двоичный код. Формирователь счетных импульсов управляет подачей сигналов на реверсивный счетчик PС в зависимости от направления вращения.

Существует большое количество методов и схем аналого-цифровой обработки периодической системы сигналов с растровых датчиков. Наиболее перспективно для решения этих задач использовать микропроцессоры [20], так как в их памяти можно поместить корректирующие поправки для каждого из типов датчиков, а также применять программируемые логические интегральные схемы, которые позволят значительно снизить габаритно-массовые и энергетические показатели промежуточного преобразователя.

3. Оптические и волоконно - оптические датчики

3.1. Основы теории фотоэлектрических и волоконно - оптических датчиков.

Основу теории фотоэлектрических и оптоволоконных датчиков составляют следующие вопросы:

- специфика передачи измерительной информации световыми потоками;

- структура оптического канала передачи измерительной информации и свойства светопроводов;

- источники и приемники светового потока;

- измерительные модуляторы светового потока;

- зависимость выходного электрического сигнала фотоприемников от перемещения.

Специфика передачи измерительной информации световыми потоками обусловлена свойствами светового потока как носителя информации. Оптическое излучение представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 0,003 до 300 мкм, что соответствует частотам от 1012 до 1017 Гц. Оптический диапазон подразделяют на инфракрасную область (>0,8 мкм), способную давать тепловое ощущение, видимую область (0,40,8 мкм), способную давать зрительное, цветовое ощущение, и невидимую ультрафиолетовую область (<0,4 мкм). Оптическое излучение легко ориентируется - можно формировать узкие лучи с малым углом расхождения. Прохождение оптического излучения через вещество характеризуется поглощением и рассеиванием. Например, в воздухе интенсивность светового потока убывает примерно на    0,1 % на каждом метре пути, в стекле - на 70 % на каждом метре. При прохождении оптического излучения через мутное вещество (туман, дым и т.д.) часть света рассеивается в стороны, поэтому в мутном веществе ослабление светового потока сильнее. На границе раздела двух прозрачных сред, имеющих разные коэффициенты преломления, световое излучение претерпевает преломление и отражение. Коэффициент преломления прозрачной среды убывает с ростом длины волны. Это свойство используется в спектральных приборах для разложения и анализа сложного света. Коэффициент отражения непрозрачных тел сильно зависит от рода материала и состояния поверхности.

Электромагнитные волны, в том числе и световые, являются поперечными, и важными характеристиками оптического излучения являются плоскость поляризации, т.е. плоскость, в которой лежит вектор напряженности электрического поля, и направление распространения электромагнитной волны. Для многих веществ показатель преломления и скорость распространения волны имеют различные значения в зависимости от ориентации плоскости поляризации. Оптически активные вещества способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света прямо пропорционально концентрации и толщине слоя.

Типовая структура оптического канала передачи измерительной информации показана на рисунке 3.1. [24]

Рисунок 3.1 - Типовая структура оптического канала передачи

измерительной информации

От источника света световой поток передают по световоду к модулятору светового потока, где световой поток становится носителем измерительной информации. Далее световой поток передается по световоду к фотоприемнику, в котором световой поток преобразуется в электрический сигнал. Дальнейшие преобразования информации происходят в электрической форме.

Для построения малогабаритных фотоэлектрических преобразователей вместо линзово-призменных светопередающих трактов удобнее использовать гибкие стеклянные световоды. Жгут световодов представляет собой пучок волоконных световодов. Для улучшения гибкости жгута склеиваются лишь концы волокон, остальная часть волокон остается свободной. Плоскость торца, перпендикулярная к осям отдельных волокон, полируется. Снаружи волокна защищены общей полимерной оболочкой.

Освещая источником облучения входной торец жгута, можно направить излучение в нужное место. Если относительное расположение волокон на обоих торцах жгута одинаково, то такой жгут называют когерентным (или с регулярной укладкой). Внутри самого жгута волокна могут располагаться произвольным образом. Такие жгуты применяют для передачи изображений. Диаметр волокон жгута обычно не превышает 50-70 мкм. Разрешающая способность современных образцов волоконных гибких жгутов составляет 30-40 линий на мм.

Отдельное волокно состоит из жилы (стержня), выполненной из оптического стекла с показателем преломления n1, и оболочки из стекла с показателем преломления n2 (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Конструктивная схема отдельного волокна

Работа световода основана на полном внутреннем отражении света в световоде, что возможно при n1> n2. Кроме того, оболочка защищает жилу от возможных повреждений и загрязнения, что обеспечивает малые потери света при отражениях. Теоретические положения волоконной оптики основаны на двух предпосылках:

- свет передается по отдельному волокну вследствие полного внутреннего отражения от его стенок;

- собранные в жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.

Основным элементом оптических измерительных преобразователей перемещений является измерительный растр. Растр представляет собой совокупность подобных друг другу элементов, образующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой энергии как единое целое. В зависимости от характера воздействия на световой поток различают растры пропускающие и отражающие. Наибольшее распространение получили пропускающие растры, которые представляют собой систему прозрачных и непрозрачных элементов. Растры, изменяющие амплитуду падающей волны излучения, называются амплитудными растровыми решетками. Растры, действие которых сводится к изменению фазовых соотношений, называются фазовыми растровыми решетками. Виды растров могут быть различными (рисунок 3.3). Общей для всех типов растров является цель их создания - малому перемещению подвижной растровой решетки должно соответствовать большее пропорциональное перемещение комбинационных полос (т.е. растр должен усиливать перемещение). Положение и перемещение комбинационных полос фиксируется фотоэлектрическим путем.

Рисунок 3.3 – Виды растров

Простейший вариант пропускающего растра, предназначенного для преобразования линейных перемещений, показан на рисунке 3.4. Аналогично строится растровый преобразователь для угловых перемещений.

Рисунок 3.4 – Простейший пропускающий растр

Измерительную решетку 1 соединяют с подвижной частью станка, а индикаторную решетку 2, осветитель 3, фокусирующие элементы 4,5 и фотоприемник 6 располагают на неподвижной части станка. При перемещении измерительной решетки в направлении, показанном стрелками, происходит модуляция светового потока растровым сопряжением измерительной и индикаторной решеток. Растровые решетки изготавливают либо на стекле нанесением непрозрачных участков фотоспособом, либо на металле - прозрачные участки (отверстия) создают механическим путем.

Основной оптической характеристикой растровых решеток является шаг (период) - это линейное или угловое расстояние между осями двух соседних элементов растра.

Зависимость выходного электрического сигнала фотоприемника, от перемещения измерительной решетки имеет трапецеидальный вид (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – График зависимости выходного электрического сигнала

фотоприемника от перемещения

Это обусловлено сравнимостью размеров окон в растровых решетках и чувствительной части фотоприемника. Перемещаясь, измерительная решетка то открывает, то закрывает путь светового потока от источника к приемнику (рисунок 3.6а). Переход от открытого состояния к закрытому происходит постепенно, как показано на рисунке 3.6б. Здесь показаны несколько стадий (1-4) такого перехода. Заштрихованы освещенные участки фотоприемника: чем большая часть фотоприёмника освещена, тем больше величина выходного фототока фотоприемника.

Рисунок 3.6 а) путь светового потока от источника к приемнику;

б) переход от открытого состояния к закрытому

Фототок приемника преобразуется в напряжение и усиливается по мощности с помощью усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, схема подключения которого   к фотодиоду (ФД)   показана на   рисунке 3.7. Выходное напряжение усилителя зависит от освещенности так же, как и фототок приемника.

Рисунок 3.7 – Схема подключения усилителя к фотодиоду

В зависимости от применения фотоэлектрических и оптоволоконных преобразователей различаются и предъявляемые к ним требования.

В наземных устройствах такие преобразователи применяются в ро-бототехнических комплексах, где требуемся высокая точность преобразования. В бортовых измерительных системах фотоэлектрические и оптоволоконные преобразователи строятся иначе, поскольку главным требованием является высокая надежность, вибро- и ударостойкость. Гибкость волоконных жгутов позволяет им выдерживать такие ускорения, которые разрушают другие типы измерительных преобразователей.

3.2. Общие принципы построения и основные типы фотоэлектрических, оптических и волоконно-оптических преобразователей

3.2.1 Общие принципы построения оптических и волоконно-оптических датчиков.

Большое развитие в настоящее время получили оптические (оптоэлектронные) и волоконно-оптические преобразователи, с помощью которых возможно измерение таких параметров, как линейные и угловые перемещения, температура, влажность, ускорение, деформации, давление, частота вращения, уровень и ряд других. В общем виде структурный состав оптоэлектронных датчиков физических величин может быть представлен схемой, изображенной на рисунке 3.8 [17].

Рисунок 3.8 - Обобщенная структурная схема оптоэлектронного датчика физических величин

Оптические лучи от одного или нескольких источников излучения проходят через оптическую среду, включающую в себя оптическую систему, оптический фильтр, чувствительный элемент (ЧЭ). С выхода ЧЭ связанного через кинематическое звено или оптически с измеряемым объектом, промодулированные измеряемой величиной по одному из параметров, световые лучи воспринимаются считывающим устройством. Далее сформированные оптические сигналы попадают на фотоприёмное устройство, где формируются электрические сигналы, пропорциональные измеряемой величине. Электрические сигналы подвергаются обработке в электронном узле и поступают в выходное устройство. Выходная информация может представлять собой аналоговый электрический сигнал, цифровой код, разовые команды в зависимости от назначения и характера работы потребителя измерительной информации.

В разнообразных конструкциях датчиков, построенных на модуляции светового потока, узлы, звенья и элементы могут меняться местами, объединяться в одном устройстве, блоке, корпусе или отсутствовать совсем.

Источники излучения (ИИ) предназначены для формирования светового потока с заданными пространственными, энергетическими, спектральными, волновыми характеристиками. В качестве ИИ могут быть использованы как естественные (от природных источников), так и искусственные осветители. К последним относятся лампы накаливания, светоизлучающие диоды, полупроводниковые лазеры.

Средства распространения пропускают через себя свет от  ИИ к потребителям оптического излучения. Ими могут быть вакуум, газы (в том числе атмосфера), жидкости и твердые оптически прозрачные тела. При прохождении через среды энергетические параметры излучения претерпевают изменения, связанные с рассеиванием, поглощением, преломлением, изменением степени и ориентации поляризации, направления и скорости распространения.

Оптическая система (ОС) осуществляет функции формирования, пространственно-волновых, спектральных параметров излучения в соответствии с заданными требованиями.

Оптический фильтр избирательно пропускает (поглощает) проходящий через него поток по спектральному составу.

Чувствительный элемент (ЧЭ) модулирует прямо или косвенно параметр измеряемой, изменяющейся во времени, в пространстве или в других координатах величины параметра оптического излучения (направление, поток, частота, фаза, поляризация и др.). Модуляции может подвергаться один или несколько параметров. По количеству модулируемых световых лучей ЧЭ может быть одно- и многоканальным. По характеру связи ЧЭ с объектом измерения различают контактные и бесконтактные (оптически связанные с измеряемым объектом) датчики. При контактном измерении в состав модулятора входит кинематическое звено, через которое ЧЭ соединяется с объектом.

Считывающее устройство, состоящее из одного или нескольких считывающих элементов (СчЭ), предназначено для восприятия оптического сигнала с ЧЭ с минимальными энергетическими и информационными потерями.

Фотоприемное устройство (ФПУ) преобразует оптическое измерение в электрические сигналы. В оптических датчиках применяется широкая номенклатура фотоприемников, различающихся по таким параметрам, как пороговая чувствительность, обнаружительная способность, шумовые, пространственные и спектральные характеристики, быстродействие и др.

Электронный узел (ЭУ) предназначен для усиления, нормирования и отработки электрических сигналов. В ЭУ происходит усиление сигнала по амплитуде и по мощности, фильтрация полезного сигнала от шумовых помех, аналого-цифровое преобразование, коррекция погрешностей измерения, вносимых другими узлами датчика и внешними дестабилизирующими факторами.

Выходное устройство в зависимости от назначения датчика и его места в информационно-измерительной системе может представлять информацию в виде аналогового, дискретного или цифрового сигнала для аналоговой или цифровой индикации.

В качестве примера рассмотрим структурную схему простейшего оптоэлектронного датчика давления.

Рисунок 3.9 - Оптоэлектронный датчик давления

Заслонка 4, соединенная одним концом с мембраной 3, установленной в корпусе 2 датчика, совершает перемещение в направлении Х, пропорциональное измеряемому давлению. Перемещение заслонки 3 приводит к перекрытию апертуры оптического тракта, создаваемого двумя световодами, торцы которых находятся на расстоянии Z друг от друга. По первому световоду 1подается световой поток, который воспринимается через второй свотовод 5 фотоприемником (ФП). Электрический ток с выхода фотоприемника равен I = kX, где k – коэффициент пропорциональности.

Точность датчика зависит от линейности характеристики, диапазона перемещения, погрешностей оптической системы и шумов фотоприемника.

Точность датчика можно повысить за счет применения в качестве модулятора светового потока кодирующей шкалы (КШ), выполненной таким образом, чтобы измерение перемещения осуществлялось путем последовательного подсчета пространственных или временных импульсов, формируемых с помощью элементов КШ. Модулятор М выполнен в виде стеклянной пластины, на которую нанесены КШ из двух дорожек с равномерно чередующимися прозрачными и непрозрачными элементами (отверстиями, штрихами). Фотоприемники ФП1 и ФП2, расположенные на линии считывания, облучаются от источника излучения ИИ через диафрагму Д и верхнюю и нижнюю дорожки КШ соответственно.

На выходе ФП1 формируются счетные импульсы, а на выходе ФП2 импульсы управления ключами КЛ1 и КЛ2. Импульс с ФП1 после усилителя У1 перебрасывают триггер Тг. Импульс триггера после дешифратора ДФ1, проходит через ключ Кл1 на счетчик С. Обратный переброс триггера осуществляется инвертором  Инв. Ключи  Кл1 и Кл2 открыты, когда освещен ФП2. В зависимости от направления перемещения на вход счетчика поступают импульсы либо с ДФ1, на сложение, либо с ДФ2 на вычитание.

Рисунок 3.10 - Одноотсчетный оптоэлектронный датчик перемещений

Таким образом, заменив один из элементов оптоэлектронного преобразователя, можно получить существенно отличающийся по выходным параметрам и характеристикам прибор.

3.2.2. Считывающий фотоэлектрический преобразователь перемещений. Существуют фотоэлектрические преобразователи, преобразующие аналоговое перемещение в цифровой код. Кодирующим элементом преобразователей являются кодовые маски. Простейший вариант кодирующих двоичных масок для линейных и угловых перемещений показан на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 – Простейшие варианты кодирующих двоичных масок

Непрозрачные участки маски заштрихованы. Через прозрачные участки маски свет проходит на фотоприемники. Простейший вариант расположения фотоприемников показан точками. Маска состоит из нескольких кодовых "дорожек", каждая из которых осуществляет модуляцию светового потока (при перемещении маски) в двоичном коде. Вес разряда определяется относительной длиной прозрачных и непрозрачных участков на дорожках. При перемещении маски меняются световые потоки, попадающие на фотоприемники; последние формируют электрические сигналы, соответствующие двоичному коду перемещения.

Достоинством двоичной кодовой маски является то, что она позволяет непосредственно получать двоичный код числа (перемещения) - это удобно для совмещения с вычислительными устройствами. Недостатком такой маски является возможность появления большой ошибки из-за неидеальной установки фотоприемников на одной линии и неидеальности границ участков на маске. Например, на рисунке 3.11, б показано положение фотоприемников, которые, в идеальном случае, должны находиться на границе перехода от освещенного к затемненному состоянию. В реальном преобразователе и фотоприемники, и границы участков маски смещены относительно идеального положения. В результате этого фотоприемники могут находиться либо в освещенной, либо в затемненной зоне, поэтому выходной код (в таком положении маски) может принимать любое значение от нуля до максимального. Для устранения этого недостатка применяют либо дополнительные фотоприемники, либо специальные кодовые маски (например, в коде Грея). Недостатком преобразователей, реализующих способ считывания, является громоздкость (большие габариты). Например, преобразователь с 14-разрядным выходным кодом имеет диаметр маски 250 мм при ширине луча 50 мкм и ширине дорожки 2 мм. Такие габариты и соответствующая им масса не приемлемы во многих отраслях техники (роботы, летательные аппараты, автомобили).

3.2.3. Накапливающий фотоэлектрический преобразователь перемещений.

Такой преобразователь имеет более простую (чем предыдущий) конструкцию маски, меньшие габариты и массу. Он требует более сложной электронной части, но современные интегральные микросхемы позволяют сделать электронный блок весьма миниатюрным. Маска накапливающего преобразователя имеет только одну дорожку (дорожка младшего разряда). Однодорожечная маска называется диафрагмой. Информация о значениях старших разрядов кода получается суммированием (накоплением) значений младших разрядов. Кроме того, в современных преобразователях получают дополнительные младшие разряды кода перемещения, используя линейные участки зависимости выходного сигнала фотоприемника от перемещения (см. рисунок 3.5).

Функциональная схема накапливающего преобразователя перемещения в код изображена на рисунке 3.12,а. Преобразователь содержит измерительный вал, связанный с тем объектом, перемещение которого требуется преобразовать в код. На валу укреплена подвижная диафрагма с прозрачными окнами опорной шкалы, расположенными с пространственным угловым шагом  (рисунок 3.12,б). Окна опорной шкалы оптически сопряжены с окнами нониусного элемента, которые расположены на расстоянии  одно от другого, здесь  - целое положительное число. Размеры окон диафрагмы и нониусного элемента одинаковы и равны половине шага опорной шкалы .

Рисунок 3.12 – Функциональная схема накапливающего преобразователя перемещения в код

Световой поток от источника света через волоконные жгуты и отверстия диафрагмы и нониусного элемента поступает на фоконы (фокусирующие конусы), которые направляют модулированный световой поток на фотоприемники. Считается, что в состав фотоприемника входит усилитель, как показано на рисунке 3.7. Выход одного фотоприемника подключен к преобразователю напряжение-код. (ПНК), а выход другого - к формирователю импульсов (ФИ) управления через смещающий преобразователь (СмП). Выходные сигналы ПНК (код) и ФИ (управляющие импульсы) поступают на входы вычислительного устройства (ЗУ), где формируется выходной код преобразователя перемещения.

При вращении вала с диафрагмой окна диафрагмы и нониусного элемента создают нониусный растр, который модулирует световой поток поступающий на фотоприемники. Фотоприемники расположены таким образом, что зависимости их выходных сигналов от перемещения смещены одна относительно другой на четверть периода повторения этой зависимости (рисунок 3.13, а).

 

Рисунок 3.13 – Диаграммы работы накапливающего преобразователя

перемещений

Сигнал с одного фотоприемника U1 преобразуется в ПНК в пропорциональный цифровой код. Этот код является неоднозначным на периоде повторения ао, т.е. каждое значение принимается дважды. Для устранения неоднозначности используется второй фотоприемник, выходной сигнал которого U2 смещается на половину амплитуды изменения U2  (рисунок 3.13б), и из смещенного сигнала формируются прямоугольные импульсы (рисунок 3.13в) управления. Во время первого полупериода управляющих импульсов выходной код ПНК принимается равным коду точного отсчета (рисунок 3.13,г). А во время второго полупериода управляющих импульсов код точного отсчета принимается равным разности кодов ПНК и кода, пропорционального 2Um (этот код записан в запоминающем устройстве).

Действительно, на первом полупериоде напряжение  U1 пропорционально перемещению , т.е. можно записать , при , где .

На втором полупериоде напряжение U1 убывает с ростом  , т.е  при . Так как выходной код ПНК пропорционален U1, можно считать, что он соответствует двум последним уравнениям. Если вычесть код ПНК на втором полупериоде из кода, пропорционального  2Um, то результат вычитания будет пропорционален :

или, с учетом значения,

.

Таким образом, разностный код пропорционален перемещению  (на втором полупериоде управляющих импульсов).

Коды напряжений  (на первом полупериоде) и  (на втором полупериоде) в совокупности образуют код точного отсчета, который пропорционален углу поворота вала на участке равном шагу опорной шкалы . При повороте вала на угол в 360° сигнал  повторяется столько раз, сколько окон на дорожке диафрагмы. Количество шагов опорной шкалы , на которое повернется вал, образует код грубого отсчета. Этот код формируется в вычислительном устройстве следующим образом. В исходном положении вала в вычислительном устройстве задают нулевое значение кода грубого отсчета. Затем при повороте вала на каждом переходе кода точного отсчета от максимального значения к нулевому к значению кода грубого отсчета прибавляется единица.

При обратном направлении вращения вала на каждом переходе кода точного отсчета от нуля к максимуму из значения кода грубого отсчета вычитается единица.

3.2.4. Направления совершенствования фотоэлектрических преобразователей перемещений.

Совершенствование фотоэлектрических преобразователей перемещений можно осуществлять по двум направлениям:

- повышение точности (увеличение числа разрядов выходного кода);

- уменьшение габаритов и массы.

Повышая точность, необходимо подавлять влияние многочисленных проявлений реальной неидеальности преобразователя. Например, подвижная диафрагма всегда имеет некоторый эксцентриситет (у одних преобразователей он больше, а у других меньше), величина которого изменяется по мере износа подшипников. Кроме того, диафрагма и нониусный элемент могут быть непараллельны и иметь различия в размерах окон. Все эти недостатки приводят к тому, что форма зависимости выходного сигнала фотоприемников от перемещения несколько отклоняется от идеальной, показанной на рисунке 3.13а. В настоящее время усилия разработчиков направлены на выявление и реализацию методов и средств подавления влияния указанных выше недостатков. Кроме того, продолжается поиск новых вариантов построения преобразователей перемещений, свободных от указанных недостатков.

3.2.5. Оптоволоконный преобразователь перемещений.

В ряде случаев для измерения перемещений применяют и более простые (чем рассмотренные ранее) преобразователи. Их принцип действия основан на том, что световой поток, проходя по контролируемому зазору от одного волоконного жгута к другому, изменяет свою интенсивность. На рисунке 3.14а показаны схема и принцип действия такого преобразователя.

Рисунок 3.14 – Схема оптоволоконного преобразователя перемещений

Световой поток от источника света через световод передается в зону, где требуется контролировать перемещение какой-либо детали относительно корпуса (на корпусе располагаются световоды и другие элементы преобразователя). Отражаясь от поверхности подвижной детали, свет попадает во второй световод и через него поступает на фотоприемник (ФП), где преобразуется в электрический сигнал. Интенсивность светового потока (и фототока), попадающего на фотоприемник, зависит от расстояния между торцами световодов и подвижной деталью. Графически это показано на рисунке 3.14б.

Световой поток выходит из торца и расходится под некоторым телесным углом, называемым апертурой (показан пунктиром на рисунке 3.14a.), поэтому площадь светового пятна на подвижной детали зависит от ширины контролируемого зазора.

С другой стороны, свет, который может войти в световод, должен быть направлен внутри конуса под некоторым углом (апертурой). В результате получается, что световой поток может попасть из одного световода в другой, только отразившись от участка  подвижной детали, находящегося внутри зоны взаимного перекрытия двух апертур световодов. На рисунке 3.14а этот участок обозначен цифрой 1. Размер этого участка зависит от расстояния между торцами световодов и подвижной деталью: чем больше расстояние Н, тем больше площадь участка 1 и больше сила фототока (см. рисунок 3.14б). При уменьшении Н участок 1 уменьшается и может полностью исчезнуть, поэтому фототок вблизи Н = 0 имеет нелинейную зависимость от Н. Для больших величин зазоров начинает проявляться эффект затухания света и зависимость фототока от Н убывает.

Из рисунка 3.14б видно, что у зависимости фототока от Н есть линейный участок. Именно его и используют дня преобразования перемещения в электрический сигнал. Для уменьшения влияния свойств среды в контролируемом зазоре (масло, аэрозоли) применяют инфракрасный свет с длиной волны порядка 0,9 мкм.

Вид характеристики Iфп(Н) зависит от диаметра торца световода d0 и расстояния между световодами. Выбирая эти параметры соответствующим образом, можно изменять диапазон преобразуемых перемещений. Линейный участок характеристики Iфп(Н) обычно находится между значениями Н, равными  0,5d0 и d0.

Такие простые оптоволоконные преобразователи могут работать в весьма тяжелых по вибрации и температуре условиях эксплуатации.

4  Проектирование пьезоэлектрических датчиков

В мировой практике для контроля и прогнозирования состояния промышленного оборудования широко применяются пьезоэлектрические датчики [5,7,8,21,22,31]. Номенклатура параметров, измеряемых с их помощью в различных областях науки и техники исключительно разнообразна. Эти датчики используются для контроля акустического и быстропеременного давления, ускорения, усилия, вибрации, ударов и других физических величин. Они обладают хорошими эксплуатационными характеристиками, широкими динамическими и частотными диапазонами, малыми размерами, высокой надежностью, не требуют источников питания.

Обычно пьезоэлектрические датчики работают в жестких условиях эксплуатации: высокие и низкие температуры, квазистатические и динамические давления, линейные ускорения, акустические шумы, механические удары, агрессивные и криогенные среды. Пьезоэлектрический датчик [8] при внешней простоте, малых габаритах и массе представляет собой сложнейшее приборное конструкторско-технологическое устройство, работающее в тяжелых эксплуатационных условиях: широком диапазоне температур от минус 253 до 3000 0С, давлении от 0,001 до 300 МПа, вибраций до 105 g и акустических шумов до 194 дБ. При этом датчик должен иметь механическую прочность и действовать дольше, чем агрегат, в котором он установлен. Это необходимо для определения параметров нештатной ситуации, предшествующей аварии, для выработки мер их предупреждения.

Одновременно датчик, как измерительное устройство, должен обладать гарантированными метрологическими характеристиками при действии всех дестабилизирующих факторов за время выполнения задания. Поэтому требования  к надежности датчиков исключительно высоки.

Развитие ряда отраслей техники, таких как авиационная, космическая, атомная энергетика, нефтепереработка и др. поставило задачу об измерении динамических и импульсных давлений в экстремальных условиях эксплуатации и привело к созданию специальных классов пьезоэлектрических датчиков акустических и быстропеременных давлений.

4.1 Пьезоэлектрический эффект

Принцип действия всех пьезодатчиков основан на физическом явлении – пьезоэлектрическом эффекте [32]. Различают прямой  и обратный пьезоэлектрические эффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых диэлектриков и в электрической поляризации внутри них под влиянием механических напряжений или деформаций. При исчезновении напряжений диэлектрик снова приходит в ненаэлектризованное состояние. Подобные диэлектрики называют пьезоэлектриками.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что в пьезоэлектриках, помещенных в электрическом поле, возникают деформации.

Наиболее сильно пьезоэлектрический эффект проявляется у сегнетоэлектриков. Под сегнетоэлектриками понимают некоторые кристаллические вещества и поляризованные керамики, обладающие аномально высокой диэлектрической проницаемостью и аномально сильным пьезоэлектрическим эффектом. Типичными сегнетоэлектриками являются сегнетова соль, титанат бария и фосфат аммония.

Наибольшее применение для измерительных целей нашел кварц, у которого пьезоэлектрические свойства сочетаются с высокой механической прочностью и хорошими изоляционными качествами, а также независимостью пьезоэлектрической характеристики от температуры в широких пределах.

Как известно, кварц (двуокись кремния SiO2) кристаллизуется в гексагональной системе (рисунок 4.1), причем элементарной структурной клеткой является призма.

В кристаллах кварца различают следующие главные оси (рисунок 4.2):

- продольную ось z – z, называемую оптической осью;

- оси x – x, проходящие через ребра шестигранной призмы нормально к оптической оси,  электрические оси;

Рисунок 4.1 – Кристалл кварца

Рисунок 4.2 – Оси симметрии кристалла кварца

- оси y – y, нормальные к граням,  нейтральные или механические оси.

Если из кристалла кварца  вырезать параллелепипед таким образом, чтобы его грани с ребрами а, b, c были параллельны электрической, оптической и механической осям, то под влиянием сил Fx и Fy, действующих перпендикулярно оптической оси z – z, кристалл электризуется, причем вектор поляризации будет направлен вдоль электрической оси; иначе говоря, заряды появятся на плоскостях, перпендикулярных электрической оси.

При действии силы Fz , направленной вдоль оптической оси, электризация кварца не проходит.

Электризацию кристалла кварца под влиянием механических напряжений можно весьма упрощенно пояснить следующим образом. Представим схематически расположение атомов в элементарной ячейке кристаллической решетки так, как это показано на рисунке 4.3.

 

Рисунок 4.3 – Принцип электризации кварца под влиянием

механических напряжений

Здесь каждому положительному иону Si  соответствует в смежной плоскости отрицательные ионы О2. Линии, соединяющие противоположные заряды, являются электрическими осями Е1, Е2 и Е3.

Если кристаллическую решетку деформировать путем сжатия по одной из электрических осей, например Е1, то электрическое равновесие нарушается, положительный ион Si и связанный с ним отрицательный ион О2 сдвинутся внутрь, и плоскости А и В, расположенные перпендикулярно оси Е1, попадут под действие суммарных электрических зарядов, принадлежащих ближайшим ионам Si и О2; в результате плоскость А окажется заряженной положительно, а плоскость В - отрицательно.

Общая теория пьезоэлектричества исходит из предположения о существовании линейных зависимостей между компонентами вектора интенсивности поляризации и компонентами тензора механических деформаций. В общем случае деформации кристаллов описываются тензором 4-го порядка, имеющим 81 компонент. В более простом случае, когда тензоры деформации и механических напряжений симметричны, эти тензоры имеют по 21 независимому компоненту.

Однако, если вырезать параллелепипед из кварца таким образом, чтобы ребра его а, b и c (рисунок 4.2) были параллельны главным осям x, y, z, и, если ограничиться рассмотрением сил, действующих в направлении оси x (электрической) и оси y (механической), то выражения, связывающие электрические и механические свойства кварца, получаются весьма простыми.

Если на параллелепипед  действует однородная растягивающая сила Fx  вдоль оси x,  согласно общей теории вектор поляризации будет направлен по оси x;  направление вектора поляризации для данного случая принимается положительным. При этом интенсивность поляризации П пропорциональна деформации (или, в пределах упругих деформаций, давлению):

П = d1·px = d1 · Fx / Sx ,  (4.1)

где  px , Fx    -  давление и сила, действующие на площадь грани bc;

Sx  -  площадь грани bc;

d1  -  постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической

постоянной или пьезоэлектрическим модулем.

Тогда заряд, возникающий на каждой из граней, перпендикулярных электрической оси x, согласно определению интенсивности поляризации:

q = П · Sx, (4.2)

или

q = d1 · Fx . (4.3)

Уравнение (4.3) показывает, что величина зарядов, возникающих на гранях bc, при действии силы, направленной вдоль электрической оси, не зависит от геометрических размеров кристалла.

Заряды, возникающие на гранях bc при сжатии кварца силой, направленной вдоль электрической оси, будут иметь противоположные знаки по сравнению с зарядами, возникающими на них при растяжении.

Пьезоэффект, имеющий место при действии силы вдоль электрической оси, носит название продольного пьезоэффекта.

Если сила, действующая на кварц, направлена вдоль механической оси y, то заряды снова возникают только на гранях bc, перпендикулярных электрической оси, однако направление вектора поляризации будет отрицательным.

Соотношение (4.1) между интенсивностью поляризации и давлением вдоль оси y принимает вид:

-П = - d1·py = - d1 · Fy / Sy  ; (4.4)

отсюда согласно уравнению (1.2) получаем:

- q = -П · Sx = - d1 · Fy ·Sx /Sy  = d1Fy··bc/ac ;

или

- q = - d1Fy··b/a , (4.5)

где пьезоэлектрическая постоянная d1  имеет то же численное значение, что и в уравнении (4.1).

Уравнение (4.5) показывает, что при действии на кварц силы, направленной вдоль механической оси, заряды, возникающие на гранях, перпендикулярных электрической оси, зависят от геометрических размеров кристалла.

Знак минус в уравнениях (4.4) и (4.5) показывает, что при растягивающих силах вдоль оси y вектор поляризации (а, следовательно, и знаки зарядов) будет иметь противоположное направление по сравнению со случаем, когда растягивающее усилие направлено вдоль оси x.  И в данном случае при перемене знака силы изменяются знаки зарядов на гранях, перпендикулярных электрической оси.

Пьезоэффект, возникающий под действием силы, направленной вдоль механической оси, носит название поперечного пьезоэффекта.

В тех случаях, когда параллелепипед кварца вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, а также в тех случаях, когда сила действует под углом к оси x или оси y, возникающие заряды будут меньше, чем рассчитываемые по приведенным выше формулам.

4.2  Пьезоэлектрические материалы

Одним из основных вопросов при проектировании пьезоэлектрических датчиков является выбор пьезоэлектрического материала.

При выборе пьезоэлектрического материала [35] для датчиков приходится обращать внимание на значения пьезоэлектрических коэффициентов d и g, диэлектрической проницаемости ε, модуля упругости Е и плотности δ.

При прямом пьезоэффекте коэффициент d1, описывает основную чувствительность пьезоэлектрического материала и определяет электрический заряд, который генерируется при приложении определенной силы. При обратном эффекте d определяет относительную деформацию, вызываемую прикладываемым электрическим напряжением. Коэффициенты d и d1для случаев прямого и обратного эффекта численно равны.

Определение, данное для коэффициента d1, непосредственно приводит к основному уравнению для пьезоэлектрических материалов:

d = Q/F = CU/F, (4.6)

где  Q – электрический заряд;

F – сила;

C – емкость;

U – напряжение.

Коэффициент d1 имеет два индекса dij , которые получены из тензорного изображения кристаллов, подвергаемых растяжению и сжатию; первый из них (i) показывает, что электроды перпендикулярны оси i, а второй (j) – что  механическое напряжение прикладывается вдоль оси j .

Возможны различные способы деформаций [25,26] пьезоэлектрических материалов:

- по толщине;

- по длине;

- объемная;

- сдвиг по толщине;

- сдвиг по поверхности.

Основными видами деформации являются деформации по толщине и по длине. Однако, в настоящее время при конструировании пьезоэлектрических датчиков используют и другие виды деформации, что в ряде случаев приводит к улучшению электромеханических характеристик датчиков.

Весьма важным параметром пьезоэлектрических материалов является диэлектрическая проницаемость ε. Этот параметр влияет на собственную емкость преобразователя С0 , определяемую выражением

С0  = ε ·s / l , (4.7)

где  s – площадь пьезоэлемента;

l – толщина пьезоэлемента,

и на напряжение U на выходе датчика, определяемое выражением

U = Q / C∑  , (4.8)

где C∑  = С0 + Ск + Свх  - емкость кабеля;

Cвх  - входная емкость усилителя.  

Казалось бы, необходимо выбирать материалы с возможно меньшим значением диэлектрической проницаемости ε. Но выбор материала с малой ε, т.е. с малой собственной емкостью, резко увеличивает внутреннее сопротивление преобразователя на низких частотах, что, в свою очередь, повышает требования к входной цепи измерительного усилителя. Поэтому часто оказывается, что преобразователи, имеющие большую чувствительность в режиме холостого хода, выдают весьма малое напряжение даже при нагружении электрометрическими усилителями. Следовательно, выбор материала с малым значением ε повышает чувствительность преобразователя в режиме холостого хода, но это еще не означает, что имеет место увеличение чувствительности датчика при работе в комплекте измерительной аппаратуры. В тех случаях, когда необходимо расширить частотный диапазон в области низких частот, лучше выбирать материалы с большим значением ε.

Коэффициент gij  является постоянной пьезоэлектрического материала для случая разомкнутой цепи. Эта постоянная описывает чувствительность по напряжению пьезоэлемента и определяется как напряжение разомкнутой цепи, генерируемое на единицу приложенной силы, или, если говорить точнее, как напряженность электрического поля, вызванная данным механическим напряжением:

. (4.9)

Связь постоянной разомкнутой цепи gij  с пьезоэлектрической постоянной dij выражается следующим равенством:

gij = dij / ε ·εo , (4.10)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость;

εo – электрическая постоянная (проницаемость пустоты).

Коэффициент gij – наиболее удобный для расчета выходного напряжения пьезоэлектрических преобразователей, если не рассматривается шунтирующая емкость.

Пьезоэлектрические коэффициенты выражаются несимметричным тензором третьего порядка, который при сокращенной записи для коэффициента g имеет вид

. (4.11)

Составляющие первых трех столбцов характеризуют продольные и поперечные деформации растяжения или сжатия пьезоэлемента. Первый индекс указывает направление электрического поля, второй – направление деформаций, причем индексы 1,2,3 соответствуют осям x, y, z  прямоугольной системы координат.

Составляющие следующих трех столбцов характеризуют угловые или сдвиговые деформации. Первый индекс указывает направление воздействия электрического поля, второй – плоскость, испытывающую сдвиг, причем индекс 4 соответствует плоскости  zy, индекс 5 – плоскости zx, индекс 6 – плоскости xy.

Таким образом, пьезоэлектрические преобразователи могут испытывать деформации растяжения – сжатия по длине или радиусу; растяжения – сжатия по толщине, сдвига по толщине. При этом связь чувствительности преобразователя и воздействующего на него усилия будет различной. Использование того или иного вида деформации пьезоэлектрического преобразователя в значительной мере определяет конструкцию датчика.

Так как в датчиках пьезоэлемент обычно действует как механическая пружина, все механические характеристики, включая и частоту свободных колебаний датчика, будут зависеть от упругости пьезоэлемента, а значит определяться модулем упругости Е материала, а также в некоторой степени и плотностью материала δ. Естественно, что предпочтительнее выбирать материалы с большим значением упругости и меньшей плотностью. Наиболее полной характеристикой пьезоэлектриков, как преобразователей механической энергии в электрическую, является их коэффициент полезного действия, определяемый как квадрат коэффициента электромеханической связи:

k2 = Wэ / Wм , (4.12)

где Wэ – механическая энергия, преобразованная в заряд;

Wм – приложенная механическая энергия.

Этот КПД зависит только от физических свойств материала:

k2 = d2E / ε , (4.13)

где d – пьезоэлектрический коэффициент;

E – модуль упругости материала;

ε – диэлектрическая проницаемость.

С точки зрения полноты использования входной энергии, характеризуемой величиной k2, наилучшим материалом является сегнетова соль, а наихудшим – кварц. Поэтому, когда речь идет о преобразовании сигналов малых уровней при  соответствующих эксплуатационных условиях, предпочтение следует отдать сегнетовой соли. Однако низкие температурные свойства и ее гигроскопичность не позволяют на практике реализовать высокие электромеханические характеристики сегнетовой соли.

Лучшие керамики (цирконат титаната свинца) по величине k2 приближаются к сегнетовой соли, обладая при этом приемлемыми метрологическими и конструктивными характеристиками.

Все пьезоэлектрические материалы можно условно разделить на две группы [5]: пьезоэлектрические кристаллы и пьезокерамики, которые называются «искусственными» пьезоэлектрическими материалами.

Среди кристаллических материалов особое место занимает кварц, который, несмотря на очень низкое значение пьезоэлектрической постоянной dij = 2,3·10-12 Кл/Н и относительной диэлектрической проницаемости  ε = 4,5, благодаря стабильности электромеханических характеристик находит широкое применение в пьезоэлектрических датчиках. Поскольку кварц обладает очень малой диэлектрической проницаемостью, шунтирующая емкость, например емкость кабеля, значительно уменьшает выходное напряжение. При отсутствии шунтирующей емкости значение выходного напряжения может быть достаточно большим, о чем можно судить, сравнивая, например, коэффициенты g кварца и титаната бария. Следует отметить особенность кварца – симметричность кристалла. Кварц нечувствителен к деформации сдвига и к объемной деформации.

Модуль упругости (модуль Юнга) кварца примерно того же порядка, что и для пьезокерамик, но плотность у него в 2 – 3 раза меньше, чем у пьезокерамик.

В группе искусственных пьезокерамик можно назвать три разновидности: титанат бария, соединения цирконата титаната свинца и соединения ниобата свинца. Отличительной особенностью этих материалов является высокое значение пьезоэлектрической постоянной dij.

В отличие от кварца пьезоэлектрические постоянные при деформации по толщине и по длине оказываютя неравными. Отличительной особенностью пьезокерамик является «гидростатическая» чувствительность, т.е. чувствительность к объемной деформации, выражаемая коэффициентом dh .

Все искусственные пьезокерамики имеют высокую относительную диэлектрическую проницаемость ε = 1200÷1700. В связи с этим коэффициенты gij оказываются довольно малыми. Однако при практическом применении очень часто требуется довольно большое значение емкости, что бывает необходимо либо для уменьшения частотной погрешности γн на нижних частотах, либо для снижения влияния паразитных емкостей датчика. В этом смысле пьезокерамики предпочтительнее других материалов, обладающих более высокими коэффициентами gij .

При выборе пьезоэлектрического материала чувствительного элемента датчика, предназначенного для работы в расширенном диапазоне температур, определяющим фактором является получение наименьшего изменения его чувствительности от температуры.

Чувствительность пьезоэлектрического датчика, определяемая как отношение электрической выходной величины к механической входной величине, является функцией по крайней мере трех параметров пьезоэлемента (пьезоэлектрической постоянной, или пьезомодуля dij, диэлектрической проницаемости ε и удельного объемного сопротивления ρ), каждый из которых, в свою очередь, зависит от температуры окружающей среды.

Первой характеристикой при выборе пьезоэлектрика может служить температура точки Кюри. Очевидно, с этой позиции нецелесообразно рассматривать температурные зависимости таких пьезоэлектрических материалов, как сегнетова соль или дигидрофосфат аммония, температурный диапазон которых ограничен значением 100 – 120 0С, а следует обратиться к исследованию температурных характеристик кварца (точка Кюри 576 0С), цирконата титаната свинца (точка Кюри 350 - 450 0С), ниобата свинца (точка Кюри 250 – 270  0С) и титаната бария.

Чувствительность кварца изменяется с температурой, в особенности коэффициент dij. Если же кварц нагреть до температуры плавления, он теряет свои пьезоэлектрические свойства. Следовательно, кварцевые преобразователи оказываются практически непригодными для квазистатических измерений при высокой температуре окружающей среды.

Основное преимущество кварца – линейная зависимость dij и ε от изменения температуры. Наличие линейной зависимости в значительной степени облегчает как введение поправок в результат измерения, так и  автоматическую коррекцию температурных погрешностей чувствительности пьезоэлектрического преобразователя. Таким образом, кварц с точки зрения стабильности и термонезависимости характеристик представляется наиболее подходящим материалом для пьезоэлемента датчика, предназначенного для работы в расширенном диапазоне температур, когда допустимые погрешности составляют не более ±5% и входные сигналы значительны.

В случае малых входных сигналов, а также в случае, когда не предъявляется жестких требований по погрешности, предпочтительно использовать в качестве пьезоэлемента высокотемпературные керамики.

Как следует из вышесказанного, при выборе пьезоэлектрического материала следует учитывать все имеющиеся в распоряжении исследователя характеристики: не только пьезоэлектрические коэффициенты dij и gij , диэлектрическую проницаемость ε, коэффициент электромеханической связи k, плотность материала ρ, модуль упругости Е, но  и их температурные свойства.

4.3 Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя

Принцип действия [35] пьезоэлектрических преобразователей рассматривается на примере пьезоакселерометра (ПА) с деформациями сжатия – растяжения пьезоэлемента (рисунок 4.4).

Под действием инерционных сил, создаваемых инерционной массой 2, деформируется пьезоэлемент 1, на электродах (обкладках) которого в результате прямого пьезоэлектрического эффекта возникают электрические заряды, снимаемые с помощью электрических выводов 4.

Рисунок 4.4 – Упрощенная конструктивная схема ПА:

1 – пьезоэлемент; 2 – инерционная масса;

3 – основание; 4 – электрические выводы

Пьезоэлемент выполнен из пьезоэлектрического материала (в основном, из пьезокерамики) и в зависимости от типа конструкции датчика может быть изготовлен любой геометрической формы и размеров (цилиндр, диск, кольцо, пластина и др.) с различным направлением вектора предварительной поляризации.

Пьезокерамические материалы являются достаточно жесткими, химически неактивными и невосприимчивыми к влажности, загрязнениям и горюче-смазочным материалам, например, используемым при эксплуатации автомобилей. Их механические свойства близки по свойствам к керамическим изоляционным материалам; это же относится к процессу их изготовления.

Наиболее распространенными составами пьезокерамик [26] являются поликристаллические твердые растворы цирконата титаната свинца (ЦТС). Следует отметить, что исходный материал – поликристаллическая керамика, не подвергнутая предварительной поляризации в сильном электрическом поле, является изотропным диэлектрическим материалом в отношении как электрических, так и механических свойств. Пьезоэлектрический эффект возникает только после его электрической поляризации, причем предпосылкой получения пьезоэффекта является асимметрия строения кристаллов (не каждый ион должен быть центром симметрии решетки).

В исходном материале внутри малых областей, так называемых доменов, спонтанно поляризованные элементарные диполи параллельны друг другу так, что домены практически поляризованы до состояния насыщения и сами представляют электрические диполи. Ориентация доменов относительно друг друга носит хаотический характер (рисунок 4.5 а).

Рисунок 4.5 – Доменная структура пьезокерамического материала

а) – неполяризованная пьезокерамика; б) – поляризованная пьезокерамика

Выше некоторой температуры (точки Кюри) кристаллы теряют свою асимметрию, спонтанная параллельная структура доменов разрушается, и пьезоэффект исчезает. Если отдельные домены подвергнуть механическим напряжениям, то произойдет смещение их зарядов. На граничной поверхности доменов появляются свободные заряды. Однако из-за хаотичного распределения направлений доменов суммарное действие смещенных зарядов весьма незначительно. Считается, что такой материал по всему объему не проявляет пьезоэлектрического эффекта, в нем проявляется лишь электрострикционный эффект.

Для получения пьезоэлектрического эффекта необходимо подвергнуть предварительной поляризации в сильном электрическом поле (2 – 3 кВ/мм), которая осуществляется при температуре несколько ниже точки Кюри. Под действием этого поля домены занимают преимущественное направление вдоль силовых линий поля. После снятия внешнего электрического поля и охлаждения пьезоэлемента в пьезокерамике сохранится остаточная поляризация, поскольку диполи останутся ориентированными в направлении силовых линий снятого электрического поля (рисунок 4.5б). Такой пьезоэлемент можно использовать для электромеханического преобразования энергии, и, соответственно, измерять любые физические величины, приводящие к деформации пьезоэлемента (изменению его напряженно-деформированного состояния): ускорение, давление, силу и др.

Представление о качественном поведении пьезокерамических тел при различных условиях нагружения можно получить на основании рисунка 4.6, где показан цилиндрический пьезоэлемент, поляризованный в осевом направлении при различных условиях механического нагружения.

Рисунок 4.6 – Поведение пьезокерамических тел

при механических нагружениях:

а)  ненагруженный пьезоэлемент; б)  ПЭ, нагруженный силой сжатия;

в) ПЭ, нагруженный силой растяжения; г) ПЭ, нагруженный переменной силой.

Если на ненагруженный пьезоэлемент (рисунок 4.6 а) подействовать внешней механической силой, то из-за смещения зарядов на электродах, нанесенных на торцовые поверхности пьезоэлемента, возникает разность потенциалов. При сжатии пьезоэлемента разность потенциалов будет иметь полярность поля предварительной поляризации (рисунок 4.6б), а при растяжении – противоположную полю предварительной поляризации полярность  (рисунок 4.6в). Если к пьезоэлементу приложена периодически изменяющаяся во времени сила, то между электродами пьезоэлемента появляется переменное электрическое напряжение в такт действующей силе (рисунок 4.6г).

4.4  Измерительная цепь при использовании прямого  пьезоэффекта

Пьезоэффект относится к явлениям электростатического характера. Количество электричества, возникающее на гранях пьезоэлектрика в момент приложения силы, сохраняется лишь при отсутствии утечки заряда во время ее действия и исчезает в момент прекращения действия силы.

Это количество электричества q создает на гранях пьезоэлектрика напряжение U , определяемое как

U = q / C,  (4.14)

где С – емкость между проводниками (включая емкость пьезоэлектрика).

Так как условие отсутствия утечки заряда равносильно требованию  бесконечно большого сопротивления на входе измерительной цепи, то использование пьезоэлектрических преобразователей для измерения статических механических величин исключается. При измерении динамических величин вопрос о погрешности измерения как функции конечной постоянной времени измерительной цепи и самого преобразователя является главным вопросом.

Эквивалентная схема преобразователя [16] для измерения синусоидально изменяющихся во времени сил, соединенного кабелем с измерительной цепью, представлена на рисунке 4.7, на котором C0 – емкость между гранями пьезоэлектрика (емкость преобразователя), Cвх – емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи, R0 – поверхностное и объемное сопротивления преобразователя плюс сопротивление изоляции линии относительно земли, которое практически определяется сопротивлением изоляционной втулки преобразователя, через которую выводится зарядонесущий провод в измерительную цепь; Rвх – входное сопротивление измерительной цепи.

Рисунок 4.7 – Принципиальная схема ПЭ прибора

Если сила F  изменяется по закону

Fτ = Fm ·sin ωτ , (4.15)

то мгновенное значение заряда на гранях пьезоэлектрика и ток в цепи источника будут также изменяться по законам

qτ = qm ·sin ωτ , (4.16)

. (4.17)

Или в комплексной форме амплитуда тока

İm = jωqm . (4.18)

Амплитуду напряжения Uвх на входе измерительной цепи можно выразить как

Uвх m =  , (4.19)

где Y – проводимость цепи, равная:

Y =. (4.20)

Тогда

Uвх m = , (4.21)

а модуль входного напряжения

. (4.22)

Мгновенное значение входного напряжения

uвх = Uвхm·sin (ωτ + φ),  (4.23)

где φ – сдвиг фаз между входным напряжением и током, равный:

φ = π/2 – arc tg ω (C0 + Cвх) (R0 + Rвх). (4.24)

Из полученных выражений непосредственно вытекает, что напряжение                                 Uвх  на входе измерительной цепи не будет зависеть от частоты, если

<< (С0 + Свх)2, (4.25)

что непосредственно приводит к требованию максимального увеличения постоянной времени (R0 + Rвх) (С0 + Свх).

Следует отметить, однако, что стремление увеличивать С = С0 + Свх  непосредственно ведет к уменьшению чувствительности прибора, т.е. к уменьшению Uвх  при заданном заряде q.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими качествами преобразователя: частотой собственных колебаний преобразователя, зависящей от его жесткости, и степенью успокоения колебаний подвижной части преобразователя.

4.5 Принцип построения и классификация первичных пьезоэлектрических преобразователей механических величин

Пьезоэлектрический датчик механических величин представляет собой механо-электрический преобразователь [35], предназначенный для преобразования механической энергии колебаний поверхности контролируемого объекта в месте установки датчика (механической энергии колебаний частиц жидкой или газообразной среды) в энергию электрического сигнала для дальнейшей обработки. Обобщенная структурная схема любого гипотетического датчика представлена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Структурная схема пьезодатчика

1 – звено восприятия входного воздействия; 2 – звено передачи входного воздействия и одновременной защиты датчика; 3 – чувствительный элемент; 4 – электрический кабель, соединяющий ЧЭ с входными цепями усилительно-преобразовательной аппаратуры; 5 – входные цепи усилительно-преобразовательной аппаратуры; X(τ) – измеряемый ударный импульс; U(τ) – электрический сигнал на выходе ЧЭ; x(t), T, ε – влияющие дестабилизирующие факторы,  сопровождающие эксплуатацию датчика  (ускорения в поперечном направлении, температура и деформация контролируемого объекта в месте крепления датчика.)

Каждое звено (рисунок 4.8) осуществляет свою функцию преобразования, и вносит вклад в динамические свойства датчика и суммарную погрешность измерений.

Пьезоэлектрические датчики механических величин можно классифицировать по существенным независимым признакам:

- параметр, измеряемый датчиком;

- режим работы датчика;

- вид деформации чувствительного элемента (ЧЭ).

Приведенная классификация не может и не должна претендовать на полное и подробное описание датчика, и является лишь попыткой определения принципиальной принадлежности к классификационной группе.

Большую часть среди пьезоэлектрических преобразователей занимают пьезоакселерометры, резонансные и полурезонансные датчики. Это механо- электрические  преобразователи инерционного действия, принцип действия которых основан на измерении вынужденных относительных колебаний пьезоэлемента и сопряженного с ним инерционного элемента, обладающего некоторой массой. В достаточно большую группу объединяются пьезоэлектрические датчики давлений, поскольку понятие «давление» охватывает весьма протяженную область значений – от высокого вакуума до сверхвысоких избыточных давлений (до десятков ГПа) в различных средах: газообразных (микрофоны и т.п.), жидких (гидрофоны) и твердых. Например, пьезодатчики акустических давлений в газообразной среде перекрывают динамический диапазон давлений   от 10-3 до 108 Па (датчики быстропеременных давлений, импульсных давлений, квазистатических и др.).

В отдельные группы можно классифицировать акустико-эмиссионные датчики (датчики для измерения параметров акустических волн, распространяющихся в твердых телах), ультразвуковые датчики, применяемые при разрушающем контроле различных объектов, датчики динамической силы, специализированные пьезодатчики, применяемые для решения специфических задач науки и техники.

Особую группу пьезодатчиков механических величин составляют так называемые пьезорезонансные датчики, которые применяются для точного и высокоточного измерения статических или медленноменяющихся механических величин (силы, давления и т.д.).

Очень часто бывает затруднительно провести четкие границы между группами (задачами, решаемыми преобразователями данных групп), т.к. диапазоны измеряемых амплитуд колебаний и частотные диапазоны перекрываются. Весьма обширные группы (по объему производства) представляют пьезодатчики для контроля состояния и диагностики неисправности и дефектов различных объектов и механических систем (включая самую сложную из систем – человека): для автомобильной техники (датчики детонации), для медицины и охраны здоровья человека (для измерения артериального давления, для пульсовой диагностики) и др.

По режиму работы пьезодатчики можно разделить на три группы:

- широкополосные датчики с рабочим частотным диапазоном, сформированным на плоской части АЧХ ниже собственной частоты;

- резонансные датчики – преобразователи с узкой полосой пропускания, собственная частота которых настроена на заданную частоту;

- полурезонансные датчики – преобразователи с широкой полосой пропускания, собственные частоты которых отличаются от измеряемой частоты на заданную величину, а частотная характеристика может быть синтезирована из двух или более пересекающихся мод колебаний.

По виду деформации чувствительного элемента пьезодатчики можно разделить на четыре группы:

- сжатие-растяжение. При данном виде деформации движение частиц ЧЭ осуществляется параллельно направлению распространения волны с использованием продольного или поперечного пьезоэффекта;

- изгиб. ЧЭ (в основном, в виде биморфного пьезоэлемента) изгибается в некоторой плоскости, причем одни части ЧЭ растягиваются, а другие – сжимаются;

- сложное объемное напряженное состояние;

- сдвиг, вызываемый касательными напряжениями и характеризующийся изменениями углов в плоскости, испытывающей сдвиг без изменения размеров граней.

При этом в преобразователях такого типа сдвиг происходит параллельно электроду ПЭ. Пьезоэлектрический датчик представляет собой механо-электрический преобразователь на основе прямого пьезоэффекта, предназначенный для  преобразования меняющихся во времени механических величин в электрический сигнал, конструктивно выполненный в одном корпусе, состоящий из минимально необходимых числа звеньев преобразования и деталей  и обладающий требуемыми для данных целей технико-экономическими, метрологическими и  надежностными  характеристиками.

4.6  Пьезоэлектрические акселерометры

Наиболее широкое применение пьезоэлектрические преобразователи нашли в датчиках ускорений (акселерометрах). Простейшая конструкция пьезоэлектрического акселерометра [7] схематично изображена на рисунке 4.9. На основании 1 закреплены пьезоэлемент 2 и инерционная масса 3. Преобразователь закрыт кожухом 4 и имеет пружину 5, создающую предварительное поджатие пьезоэлемента.

Сила, действующая на пьезоэлемент при ускоренном движении, согласно второму закону Ньютона определяется как

F = m · a, (4.26)

где m – значение инерционной массы;

a – значение ускорения.

Рисунок 4.9 – Простейшая конструкция пьезоэлектрического

акселерометра

Заряд, возникающий на обкладках пьезоэлемента под действием этой силы и равный q=d33F= d33ma, сохраняется лишь при бесконечно большом входном сопротивлении измерительной цепи. Поскольку это требование практически невыполнимо, то пьезоэлектрические преобразователи используют в подавляющем большинстве случаев для измерения динамических величин. Применительно к акселерометрам, это означает измерение вибрационных и других быстроменяющихся ускорений. Чувствительность акселерометра по заряду Sq  определяется отношением

Sq = q / a = d33 m. (4.27)

Если на акселерометр действует ускорение в направлении, перпендикулярном к оси поляризации пьезоэлемента, то на обкладках его возникают заряды, которые определяют поперечную чувствительность датчика. Поперечная чувствительность зависит от положения акселерометра относительно направления действия ускорения.

Поперечная чувствительность пьезоэлектрических датчиков ускорений в основном определяется непостоянством продольной чувствительности по площади рабочей поверхности пьезоэлемента и отклонением вектора поляризации пьезоэлемента от его геометрической оси Z. Максимальное значение первой составляющей

, (4.28)

где  R – радиус пьезоэлемента;

hS – расстояние от центра массы инерционного элемента до

центра массы пьезоэлемента;

rk – расстояние  от оси Z до центра тяжести

диаграммы распределения чувствительности

по рабочей поверхности пьезоэлемента.

Вторая составляющая

, (4.29)

где α – угол между вектором поляризации и осью Z;

gij – пьезоэлектрические коэффициенты материала.

Пути уменьшения значений обеих составляющих поперечной чувствительности в основном определяют конструктивные особенности пьезоэлектрических акселерометров и способы их реализации при проектировании.

В акселерометрах, как правило, применяют дисковые пьезоэлементы с большим отношением диаметра к толщине (2R/l = 6÷10). Относительно большая площадь пьезоэлемента (большой радиус) способствует уменьшению первой составляющей поперечной чувствительности. На большей площади неравномерность распределения чувствительности акселерометра по рабочей поверхности в среднем сказывается меньше, и центр тяжести диаграммы распределения чувствительности располагается ближе к геометрической оси (уменьшается rk).

Поперечная чувствительность зависит от неровностей рабочих поверхностей пьезоэлемента и от давления его предварительного поджатия. Уменьшение неровностей с ±50 мкм до ±5 мкм приводит к трехкратному снижению максимальной поперечной чувствительности. Отсюда важное значение приобретает чистота обработки рабочих поверхностей пьезоэлемента, а также их плоскопараллельность. Параллельность рабочих плоскостей имеет особое значение, когда для увеличения чувствительности пьезоэлектрический преобразователь набирают из нескольких дисков.

Форма инерционной массы также влияет на характеристики датчика. Уменьшение поперечной чувствительности требует уменьшения расстояния между центром массы инерционного элемента и центром массы пьезоэлемента. В связи с этим инерционную массу желательно выполнять с малой высотой. Центры масс можно совместить, если спроектировать инерционную массу более сложной формы или применять так называемую составную инерционную массу, которая может быть составлена из нескольких частей с помощью резьбового соединения или сварки.

В тех случаях, когда пьезоэлемент собирают из нескольких дисков или шайб, уменьшения поперечной чувствительности можно достигнуть за счет обеспечения противофазности частных (для каждого диска) диаграмм поперечной чувствительности. Противофазности можно добиться путем поворота шайб пьезоэлемента относительно друг друга.

Основание пьезоэлектрических акселерометров изготовляют из относительно легких, но достаточно прочных материалов. Подходящим в этом отношении является титан, который значительно легче стали, но не уступает ей по механическим характеристикам.

Существенное значение при проектировании и изготовлении пьезоэлектрических датчиков имеет обеспечение герметичности. Обеспечение герметичности связано с необходимостью защиты высокоомных цепей внутри датчика от попадания влаги.

При разработке пьезоэлектрических датчиков приходится сталкиваться с явлением, называемым кабельным эффектом. Кабельный эффект возникает вследствие изгибов и скручивания кабеля при градуировке и измерении. Под действием трения на внутренней поверхности изоляции возникают электростатические заряды, которые при отслоении изоляции медленно стекают по тонкому проводящему слою на внутренней поверхности диэлектрика. Под действием вибрации или ударов происходит хаотическое образование и стекание зарядов, в результате чего в проводнике возникает напряжение, образующее кабельный шум. Для борьбы с кабельным шумом применяют специальные антивибрационные кабели.

На исследуемом объекте пьезоэлектрические акселерометры крепят с помощью клея, винтов или непосредственно вворачивая датчик в соответствующее посадочное место. При креплении винтами в конструкции основания предусматривают фланцы или приливы с отверстиями; ввертные датчики имеют хвостовик с резьбой.

4.7 Пьезоэлектрические датчики акустического давления

В последнее время развитие ряда отраслей техники, таких, как авиационная, космическая, автомобильная и др., поставило перед метрологами вопрос о точном измерении звуковых давлений [23]  высокой интенсивности.

В технической акустике принято оценивать звуковое давление чаще всего не в абсолютных, а в относительных логарифмических единицах –децибелах. Уровень звукового давления определяется по формуле

N = 20 lg (P/P0)   дБ, (4.30)

где  P – эффективное давление акустического сигнала;

P0 = 2·10-5 Па (2·10-4 мк/бар), (4.31)

а    ρС – акустическое сопротивление, представляющее собой эффективное давление, соответствующее интенсивности звука I0 , которая по международному соглашению выбрана равной (10-9 эрг/см2) 10-12 Дж/м2 и приближенно соответствует интенсивности едва слышимого звука в частотной области наибольшей чувствительности слуха.

При работе современных технических устройств возникают уровни звуковых давлений до 200 Па (140 дБ) и выше. Такие уровни давлений приводят к неправильной работе измерительной и навигационной аппаратуры, разрушению самолетной обшивки и т.п. Это выдвигает настоятельную задачу измерения уровней звукового давления с целью учета вредного влияния акустического шума различных изделий и объектов. Таким образом, датчик должен удовлетворять требованию минимального искажения акустического поля, иметь широкий диапазон рабочих частот, давлений, температур.

Пьезоэлектрические преобразователи удовлетворяют большинству из этих требований. Им можно придать практически любую форму и размеры; они достаточно прочны, имеют высокую чувствительность и широкий частотный диапазон; их применяют в относительно широком диапазоне температур и статических давлений.

В разработках датчиков звукового давления получили распространение пьезоэлементы из титаната бария и из цирконата свинца. Эта пьезокерамика по своей структуре является поликристаллической, пьезоэлементы из нее могут быть изготовлены любой формы и размеров, а затем поляризованы в нужном направлении. Поэтому в пьезоэлементах могут возбуждаться любые виды колебаний, например, радиальные колебания в цилиндрах, шарах.

Как электроакустический преобразователь датчик звукового давления оценивается следующими характеристиками:

- акустической чувствительностью S, определяемой отношением выходного напряжения Uвых, развиваемого датчиком, к измеряемому звуковому давлению на частоте f = 1000 Гц;

- частотной характеристикой акустической чувствительности, выражающей зависимость генерируемого датчиком напряжения от частоты при постоянном звуковом давлении (напряжение на частоте f = 1000 Гц принимается за начало отсчета;

- амплитудной характеристикой, т.е. зависимостью напряжения, генерируемого датчиком, от уровня измеряемого звукового давления;

- вибрационной чувствительностью σд, численно равной напряжению, вырабатываемому датчиком, при воздействии на него вибрационных нагрузок в 9,8 м/с2 (на частоте f = 1000 Гц);

- частотной характеристикой вибрационной чувствительности, представляющей собой зависимость напряжения от частоты при постоянной вибрационной нагрузке.

Поскольку акустические датчики – это датчики малых уровней давлений [2кПа (160 дБ)], то особое внимание уделяется получению высокой чувствительности. Поэтому чувствительными элементами акустических датчиков являются тонкие пьезокерамические диски большой площади. В качестве таких элементов можно использовать биморфы, представляющие собой две склеенные пластины (диски), работающие на изгиб (рисунок 4.10).

Конструкции датчиков с использованием чисто биморфных элементов обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения. Прежде всего следует отметить технологические трудности крепления биморфов, кроме того, попадание в отверстия мембраны пыли, влаги и других продуктов окружающей рабочей среды создает дополнительные трудности, связанные с защитой биморфного элемента.

Рисунок 4.10 – Биморфный элемент

Биморфные  преобразователи имеют небольшой частотный диапазон, малую механическую прочность, большую чувствительность к вибрациям.

Для исключения этих недостатков один из дисков биморфа заменяют мембраной, на которую наклеивают второй диск (рисунок 4.11 а). Параметры мембраны подбирают таким образом, чтобы плоскость склеивания не деформировалась, т.е. испытывала чистый изгиб. При этом на обкладках пьезоэлементов возникают заряды разного знака.

Рисунок 4.11 – Модификация конструкций акустических датчиков

а – с дисковым пьезоэлементом, работающим на изгиб; б – с дисковым пьезоэлементом, работающим на растяжение-сжатие; в – с цилиндрическим пьезоэлементом, работающим с деформациями сдвига.

При использовании мембраны прочность конструкции повышается и появляется возможность работы в различных, в том числе и агрессивных, средах. Поскольку при этом остается только один активный элемент, то чувствительность такой конструкции ниже, чем конструкции с использованием обыкновенного биморфа. Частотный диапазон мембранной конструкции относительно невелик. Собственная резонансная частота составляет в среднем 50 кГц.

Меньшее применение в акустических датчиках находят конструкции, использующие деформации по толщине (рисунок 4.11 б). Акустическая чувствительность таких конструкций

S = g33hsM / 2sП , (4.32)

где g33 – пьезоэлектрический коэффициент;

h – толщина пьезоэлемента;

sM и sП – площади мембраны и пьезоэлемента.

Эта конструкция обладает высокой прочностью и более высоким частотным диапазоном, частота собственных резонансных колебаний в среднем равна 100 кГц. Однако чувствительность такой конструкции невысока.

Для получения высокой чувствительности широко применяются конструкции, использующие сложные деформации сжатия и сдвига. Колебания чистого сдвига преобразователя в плоскости, содержащей ось поляризации, приводят к созданию электрического поля в перпендикулярном направлении. При этом поле в направлении колебаний отсутствует, что создает принципиальную возможность получения больших чувствительностей в перпендикулярных направлениях. Для преобразователей такого типа могут быть использованы полые цилиндры из пьезокерамики, поляризованные по высоте (рисунок 4.11 в).

При деформации сдвига на боковой поверхности пьезоэлемента образуется заряд

q = Ks , (4.33)

где К – коэффициент поляризации;

s – площадь электродов.

Коэффициент поляризации К = στ ·d15 зависит от пьезоэлектрического коэффициента d15 и тангенциальных механических напряжений, возникающих в цилиндре под действием силы F:

, (4.34)

где r1 – радиус внутренней поверхности цилиндра.

Собственная резонансная частота конструкции с пьезоцилиндром примерно составляет 150 кГц. При использовании одного и того же пьезоэлектрического материала, например, высокочувствительной керамики, чувствительность датчика, использующего конструкцию с пьезоцилиндром, примерно в 10 раз выше, чем у датчиков, в которых пьезоэлемент работает на изгиб или на сжатие.

Существенное значение для пьезоэлектрических датчиков звукового давления имеет виброчувствительность, которая определяется как в осевом направлении, так и в направлении, перпендикулярном к оси датчика.

Для уменьшения вибрационной погрешности применяют виброгасители – амортизаторы. Если нет жестких ограничений по занимаемому объему, то применяют мягкую подвеску датчика в амортизаторе. Собственная частота получаемой системы «датчик - амортизатор» выбирается весьма низкой, чтобы спектр измеряемых акустических колебаний располагался выше собственной частоты. При этом действие вибраций в рабочем частотном диапазоне акустического датчика будет подавляться.

Для ограничения воздействия вибраций на результаты измерения звукового давления помимо амортизаторов используют узлы компенсации паразитных вибрационных сигналов.

Идея виброкомпенсации заключается во введении в конструкцию датчика дополнительного пьезоэлектрического преобразователя, генерирующего сигнал, пропорциональный только вибрациям. Если акустический преобразователь образован мембраной и пьезоэлементом, то компенсирующий преобразователь вибрационных ускорений состоит также из пьезоэлемента и мембраны. Весь узел преобразования как правило поджимается втулкой в корпусе. В процессе измерения звуковое давление действует только на первую мембрану, а вибрационные ускорения действуют на обе мембраны с пьезоэлементами. Электрически пьезоэлементы включены встречно (рисунок 4.12), так что заряды, пропорциональные виброускорениям, компенсируются. Условием полной компенсации является такой подбор чувствительности компенсирующего преобразователя, который обеспечил бы равенство возникающих зарядов. Кроме того, для получения компенсации во всем частотном диапазоне датчика амплитудно-частотные характеристики основного и компенсирующего преобразователей должны быть идентичными.

Рисунок 4.12 – Электрическое соединение пьезоэлементов

В тех случаях, когда звуковое давление измеряют в высокотемпературных средах, применяют резонаторы-переходники, длину которых выбирают таким образом, чтобы обеспечить заданную частотную характеристику и защиту датчика от действия высоких температур.

4.8  Пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений

Пьезоэлектрические датчики [22] находят широкое применение для измерения быстроменяющихся (динамических) давлений в диапазоне от 104 до 107 Па и частотном диапазоне от единиц герц до десятков килогерц. Измеряемым динамическим давлениям, как правило, сопутствуют относительно высокие уровни (до 60 МПа) квазистатических давлений. Поэтому существенным требованием к конструкции пьезоэлектрического датчика давления является высокая прочность. Основные разновидности конструкций упрощенно показаны на рисунке 4.13. В первой конструкции (рисунок 4.13 а) пьезоэлемент 1, поляризованный в направлении действия давления, испытывает деформации по толщине. Съем зарядов с одной стороны осуществляется через прокладку 2 и корпус с мембраной 3, а с другой – через токосъемник 4. Пьезоэлектрический преобразователь поджат к мембране корпуса с помощью втулки 5 и гайки 6.

Рисунок 4.13 – Пьезоэлектрические датчики давления

а – с использованием продольного пьезоэффекта;

б – с использованием поперечного пьезоэффекта.

Чувствительность такой конструкции

, (4.35)

где   q – заряд на обкладках пьезоэлемента;

P – амплитуда приложенного динамического давления;

d33 – пьезоэлектрический модуль;

sэф – эффективная площадь мембраны;

rМ – радиус мембраны;

rП – радиус прокладки.

Во второй конструкции (рисунок 4.13 б) используется поперечный пьезоэффект. Пьезоэлектрический цилиндр 1, поляризованный в радиальных направлениях, испытывает деформации по длине. Сила, пропорциональная давлению, действует на торцовую поверхность цилиндра перпендикулярно плоскости поляризации. Заряды снимаются с боковых (наружной и внутренней) поверхностей пьезоцилиндра; с наружной поверхности – через стакан 2 и корпус с мембраной 3, а с внутренней – через токосъемник 4. Поджатие осуществляется с помощью шайбы 5 и гайки 6.

Чувствительность конструкции по заряду

, (4.36)

где d31 – пьезоэлектрический модуль;

sx  – площадь поверхности пьезоэлемента, нормальной

векторам поляризации;

sy –  площадь поверхности пьезоэлемента, нормальной

направлению действия силы.

Площадь sx равна площади боковой поверхности цилиндра, а sy - площадь его торцовой поверхности. Выразив sx и sy через геометрические параметры пьезоцилиндра, получим

, (4.37)

где l – длина боковой поверхности цилиндра;

r2 – наружный радиус цилиндра;

r1 – внутренний радиус цилиндра;

rc – радиус стакана.

В конструкциях датчиков используют дисковые пьезоэлементы диаметром 5 – 10 мм и толщиной 0,2 – 3 мм; шайбы с наружным диаметром 5 – 8 мм и диаметром внутреннего отверстия 1,5 – 2,5 мм; цилиндрические пьезоэлементы с наружным диаметром 5 – 8 мм, внутренним диаметром 4 – 6 мм и высотой 6 – 7 мм. Пьезоэлементы, как правило, проходят температурную тренировку.

При проектировании датчика стремятся получить максимально простую конструкцию, обеспечивающую высокую частоту собственных колебаний, линейную функцию преобразования и достаточную чувствительность; при этом элементы передачи давления – мембрана, прокладки, токосъемники – должны иметь как можно меньшую массу и (за исключением мембраны) как можно большую жесткость.

Основные требования к материалам корпуса и мембраны – высокая прочность и стойкость к коррозии. Для изготовления корпусов и мембран в настоящее время с успехом применяют нержавеющие стали Х18Н9Т, 36НХТЮ и др.

Для  получения высокой стабильности характеристик в датчиках применяют кварцевые пьезоэлементы. Однако датчики с кварцевыми пьезоэлементами обладают низкой чувствительностью, в 20 и более раз меньшей, чем датчики с преобразователями из керамики. Для увеличения чувствительности применяют столбики из нескольких параллельно соединенных пластин кварца. Столбики параллельно соединенных пластин используют и в пьезоэлементах из керамики.

Для съема электрических зарядов применяют дисковые токосъемники, выполненные чаще всего из латуни и имеющие лепестки для подпайки монтажных проводников. Для защиты от коррозии и уменьшения контактного сопротивления контактные поверхности токосъемников покрывают серебром.

Исходными данными для проектирования являются заданные чувствительность, максимальная амплитуда динамического давления, максимальное значение квазистатического давления, температурный и частотный диапазоны, параметры входной цепи электронно-преобразующей аппаратуры (Сн, Rн), метрологические характеристики и условия эксплуатации.

В общем виде функция преобразования датчика имеет вид

, (4.38)

где   d33 – пьезоэлектрический модуль;

ΔP – амплитуда динамического давления;

sM. эф – эффективная площадь мембраны;

Сд – емкость датчика;

Сн – нагрузочная емкость (на входе электронно-преобразующей

аппаратуры).

Исходя из заданной верхней границы температурного диапазона и допустимой температурной погрешности, выбирают материал пьезоэлемента, причем при прочих равных условиях материал выбирают с возможно большим d33. Исходя из формулы для чувствительности (4.35) находят значение эффективной площади мембраны:

, (4.39)

где SU = Uвых/ΔР – чувствительность по напряжению.

Емкость датчика Сд, как правило, значительно меньше емкости нагрузки. Например, для керамики Сд ≈ 200÷250 пФ, а Сн составляет несколько тысяч пикофарад. Поэтому приближенно можно записать

. (4.40)

В задании на проектирование обычно содержатся сведения о параметрах места установки датчика; отсюда диаметр резьбы корпуса и ориентировочные размеры мембраны также оказываются известными. Тогда радиус пьезоэлемента (случай деформации по толщине)

. (4.41)

Если заданная чувствительность оказывается настолько высокой, что эффективный диаметр мембраны по расчету превышает заданный диаметр посадочного места, то вводят еще один параметр – число параллельно соединенных шайб пьезоэлементов n. Тогда

. (4.42)

Выбор и прочностные расчеты несущих элементов конструкции датчика (резьбы корпуса, резьбы поджимающей гайки) следует проводить, ориентируясь на нагрузку, равную сумме максимального значения квазистатического давления и максимальной амплитуды динамического давления.

Для сохранения постоянства чувствительности датчика во всем диапазоне статических давлений (обеспечение линейности в статике) собранные датчики подвергают статическому обдавливанию, в результате которого мембрана, претерпевая пластические деформации, плотно прилегает к верхней прокладке столбика с пьезоэлементами.

Вследствие наличия инерционных масс, связанных с пьезоэлементами (мембрана, прокладки, стакан), датчики давления обладают ощутимой чувствительностью к вибрациям. Для уменьшения виброчувствительности применяют виброкомпенсацию, сущность которой (так же, как и в датчиках акустического давления) заключается во введении в конструкцию акселерометра, вырабатывающего сигнал противоположного знака по отношению к вибрационному сигналу чувствительных элементов преобразователя давления.

Датчики динамических давлений устанавливают на объекте измерения с помощью резьбового соединения. Одним из широко распространенных способов установки является непосредственное ввинчивание датчика, имеющего резьбу на корпусе. Однако при таком способе установки существенное значение имеет усилие (момент) затяжки. При больших моментах затяжки стенки корпуса удлиняются, вследствие чего ухудшается контакт узла пьезоэлементов с мембраной, и в результате может наступить полное нарушение контакта. Следствием этого является потеря чувствительности или полная неработоспособность датчика.

4.9  Пьезоэлектрические датчики вибрации и удара

Среди измерительных преобразователей вибрации и удара [5] большое распространение получили пьезоэлектрические акселерометры (ПА), использующие деформации сдвига пьезоэлемента (рисунок 4.14). Сдвиговые ПА как правило обладают лучшими метрологическими характеристиками по сравнению с преобразователями других  типов и характеризуются более высокой собственной частотой (до 80 – 200 кГц), механической прочностью, ударостойкостью и относительно небольшими габаритами и массой. К достоинствам сдвиговых  конструктивных схем (КС) следует также отнести малые деформационную чувствительность и пирочувствительность (в десятки-сотни раз меньше, чем у компрессионных ПА) и высокую стабильность параметров. Недостатками этих ПА являются сложность технологии изготовления, и как следствие, высокая стоимость.

Кольцевые конструктивные схемы (рисунок 4.14а, б) просты, прочны, миниатюрны (масса до нескольких десятых грамма), обладают минимальной поперечной и ротационной чувствительностью. Конические КС (рисунок 4.14 в) из-за сложности технологии не нашли практического применения. Известны также несколько модификаций кольцевых и конических КС, различающихся способом крепления ПА к контролируемому объекту, например, вариант КС (рисунок 4.14 а) с опорным стержнем 4, внутри которого выполнено сквозное отверстие для крепежа ПА. В сдвиговой плоскостной КС (рисунок 4.14 г) применяются три пьезоэлемента 1 в виде параллелепипеда, прижатых к опорному стержню 4 пружинным стяжным кольцом 6 через инерционные элементы 2 («Дельташир»). По мнению специалистов, «Дельташир» имеет лучшие метрологические характеристики среди сдвиговых КС. КС «Изошир» (рисунок 4.14 д) представляет собой сбалансированную систему из двух раздельных наборов пластинчатых пьезоэлементов 1, закрепленных к опорному стержню 4 стяжным болтом, двух раздельных инерционных элементов 2 и пассивных термокомпенсирующих прокладок (на рисунке не показаны). Схеме «Изошир» присуща ограниченная дифференциальность, что позволяет избавиться от поперечной чувствительности и всевозможных наводок от внешних физических полей.

1 – пьезоэлемент (ПЭ); 2 – инерционный элемент; 3 – корпус;

4 – опорный стержень; 5 – электрические выводы; 6 – стяжное кольцо.

Рисунок 4.14 – Принципиальные конструктивные схемы сдвиговых ПА

а) ПА с кольцевым ПЭ, закрепленным к опорному стержню по внутренней образующей поверхности;

б) ПА с кольцевым ПЭ, закрепленным к корпусу по наружной образующей поверхности;

в) ПА с коническим ПЭ, закрепленным к опорному стержню по внутренней образующей поверхности;

г) ПА с тремя ПЭ в виде параллелепипеда, закрепленными к опорному стержню посредством стяжного кольца («Дельташир»);

д) ПА с двумя ЧЭ, состоящими из раздельных наборов пластинчатых ПЭ, закрепленных к центральной стойке стяжным болтом («Изошир»).

4.10 Построение математической модели пьезоэлектрического датчика

Математическая модель [35] представляет собой формальное описание основных закономерностей исследуемой системы (датчика) в виде уравнений, неравенств, процедур расчета, позволяющих судить о поведении системы в естественных для нее условиях.

Математическая модель датчика как цепи измерительных преобразователей строится на основе физических эффектов и ориентирована на расчет коэффициента преобразования (чувствительности) датчика.

Структура математической модели включает в себя:

- переменные;

- уравнения связи переменных;

- ограничения;

- критерии.

Рассмотрим пример составления математической модели ПЭ датчика на примере датчика быстропеременных давлений.

В случае моделирования датчиков давления переменные представляют собой параметры физических эффектов, составляющих принцип действия датчика, параметры внешней среды, где будет использоваться датчик, а также другие параметры, которые необходимы для оценки датчика.

Уравнения связи представляют собой собственно модель датчика. Они составляются при анализе задачи моделирования, исходя из моделей отдельных эффектов, критериев и ограничений.

Ограничения необходимы для более детального описания датчика.

Критерии описывают цели моделирования.

Построение математической модели датчика можно условно разделить на следующие этапы:

- физический анализ датчика;

- анализ задачи моделирования;

- собственно моделирование.

На первом этапе определяется структура принципа действия датчика. Выявляются эффекты, реализующие датчик, их взаимосвязи.

На втором этапе анализируется цепь построения модели. Определяются показатели датчика, которые должны быть рассчитаны, переменные, от которых эти показатели зависят. Выявляется связь между различными переменными в будущей модели.

На третьем этапе составляется модель. Здесь выписываются все существенные для решаемых задач переменные (выявленные на предыдущем этапе) и связываются между собой соответствующими зависимостями.

Создание математической модели требует наличия определенной цепочки принципа действия (ПД) и структурной схемы, осуществляющих преобразование некоторого исходного или начального состояния (давления) в желаемый результат (электрический сигнал).

P –  давление; F – сила;  U – электрический сигнал.

1. Эффект силового действия давления;

2. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Рисунок 4.15 – Линейная цепочка ПД

Физическая сущность выбранного принципа действия заключается в том, что газ или жидкость действует на твердое тело  и при этом оно испытывает некоторое усилие. Это усилие передается другому телу, вызывая появление выходного электрического сигнала.

Найденная цепочка принципа действия трансформируется в структурную схему датчика давления.

Рисунок 4.16 – Структурная схема датчика давления

Согласно структурной схеме, при измерении пульсации давления, давление воспринимается мембраной и передается через силопередающую прокладку на рабочую секцию пьезомодуля. Под действием механического напряжения на гранях пьезомодуля возникают поверхностные электрические заряды.

Для каждого из блоков структурной схемы строится его математическая модель, а затем полученные модели с помощью структурной схемы объединяются в полную модель датчика путем наложения уравнений связи  и рассмотрения системы ограничений. Так как соединение блоков в структурной схеме последовательное, то для такой схемы коэффициент преобразования датчика в целом определяется простым перемножением коэффициентов преобразования отдельных блоков.

При построении математической модели рассматриваемого датчика окончательный вариант структурной схемы представляется  в  виде последовательного соединения двух блоков.

В качестве первого блока выступает упругая система «мембрана - силопередающая прокладка» как преобразователь давления Р в силу F (рисунок 4.17). Второй блок представляет собой преобразователь вида U = f (F), роль которого играет пьезоэлектрический модуль. Сила, действующая на этот элемент, преобразуется в электрический сигнал.

Исходя из этой структурной схемы, общую функцию преобразования для рассматриваемого датчика можно записать следующим образом:

Uвых = S · P = S1 ·S2 ·P, (4.43)

где S1, S2 – коэффициенты преобразования (чувствительности)

отдельных блоков;

Р – измеряемое динамическое давление.

1 – мембрана;

2 – силопередающая прокладка;

3 – пьезоэлектрический модуль.

Рисунок 4.17 – Упругая система «мембрана – силопередающая прокладка»

Эффект силового действия давления связан с передачей импульса при столкновениях находящихся в тепловом движении молекул газа  или жидкости с поверхностью твердого тела.

Внутреннее напряжение жидкой или газообразной среды характеризуется величиной, называемой давлением. Твердое тело, помещенное в эти среды, испытывает со стороны жидкости или газа механическую силу, направленную по нормали к площади этого твердого тела.

Математическая модель физического эффекта имеет вид:

F = P · S , (4.44)

где  S – площадь поверхности твердого тела, испытывающего давление Р со стороны газа или жидкости.

Так как твердое тело, испытывающее давление, представляет собой упругую манометрическую систему, имеющую упругую характеристику, близкую к линейной по давлению, то для расчета развиваемого усилия используется понятие эффективной площади. В общем случае, эффективная площадь мембраны упругой системы выражается по формуле:

Sэфф = КF /KP , (4.45)

где КF  и KP – жесткости  мембраны упругой системы по силе и по давлению.

Для упругой системы «мембрана – силопередающая прокладка» в случае малого прогиба формула для расчета эффективной площади имеет вид:

, (4.46)

где  R – радиус мембраны;

r – радиус жесткого центра (силопередающей прокладки).

Точное выражение эффективной площади упругой системы в пределах линейной части упругой характеристики имеет вид:

, (4.47)

где   k.

В рассматриваемой конструкции упругая система преобразует действие измеряемого давления в усилие, которое это давление создает на центр мембраны. Коэффициентом этого преобразования является эффективная площадь мембраны, которую можно рассматривать как ту часть ее общей площади, действие на которую давления создает усилие на центр мембраны. Давление на остальную площадь создает усилие на заделку мембраны.

Таким образом, функция преобразования упругой системы [22] имеет вид:

F = P · Sэфф , (4.48)

а коэффициент преобразования

S1 =  Sэфф = . (4.49)

Если мембрана имеет упругую характеристику, близкую к линейной, то ее эффективная площадь остается постоянной на всем участке рабочего хода.

Заряд, возникающий на обкладках пьезоэлемента под действием приложенной силы, находится по формуле:

Q = d33 · F = d33 ∙P ∙ Sэфф , (4.50)

где  d33 – пьезоэлектрическая постоянная.

Коэффициент d33, называемый пьезоэлектрической постоянной, описывает основную чувствительность пьезоэлектрического элемента и определяет величину электрического заряда, генерируемого при приложении определенной силы.

В разрабатываемой конструкции пьезомодуль поляризован в направлении действия давления и испытывает деформации по толщине.

Таким образом,

. (4.51)

Чувствительность датчика по напряжению определяется по формуле:

, (4.52)

где  Uвых - выходное напряжение датчика;

P - амплитуда динамического давления;

Cо - емкость датчика;

Cн - нагрузочная емкость (на входе электронно-преобразующей

аппаратуры).

Так как емкость датчика Cо, как правило, значительно меньше емкости нагрузки Cн (Cо  составляет десятки пикофарад, в то время как Cн – несколько тысяч пикофарад), то приближенно можно записать:

. (4.53)

Чувствительность датчика находится из выражения:

. (4.54)

Напряжение на выходе пьзоэлектрического датчика

 , (4.55)

где С∑  =Со + Сн ; 

Со  -  емкость пьезопреобразователя;

Сн  -  входная емкость усилителя заряда.

Собственная емкость пьезопреобразователя

, (4.56)

где ε – диэлектрическая проницаемость пьезопреобразователя;

s – площадь пьезопреобразователя;

l – толщина пьезопреобразователя.

В общем виде функция преобразования датчика приобретает вид:

. (4.57)

Полученное выражение (4.57) представляет собой зависимость выходного сигнала, снимаемого с датчика, от величины измеряемой пульсации давления и является, по сути, математическим описанием (в упрощенном виде) физических процессов, протекающих в датчике.

Заключение

Датчики механических величин благодаря высоким эксплуатационным возможностям занимают весомое место среди других типов датчиков. Растущие потребности народного хозяйства, в том числе и появление новых отраслей производства, требуют непрерывного расширения функциональных возможностей и масштаба производства ДМВ. В связи с этим акцентируем внимание на ряде проблем в развитии датчиковой аппаратуры.

1. Первостепенной проблемой является повышение технических возможностей датчиков в направлении увеличения точности, быстродействия, надежности, долговечности, сохраняемости, а также уменьшения габаритно-массовых показателей и энергопотребления. Отсюда необходимы, во первых, дальнейшее развитие методов анализа и синтеза разрабатываемых ДМВ с широким привлечением средств вычислительной техники, поиск оптимальных соотношений, обеспечивающих требуемые эксплуатационные показатели, во вторых активизация усилий по применению интегральной технологии изготовления ДМВ.

2. Использование блочно-модульного принципа построения микроэлектроники позволит в значительной степени ускорить унификацию и стандартизацию датчиковой аппаратуры, осуществить конструктивно-технологичскую, метрологическую и схемотехническую совместимости. При этом необходимо широко применять программируемые логические интегральные схемы, микропроцессорные устройства для линеаризации, масштабирования, усиления выходных сигналов, а также для выполнения логических операций и диагностирования работоспособности датчика.

3. Разработка унифицированных рядов ДМВ практически невозможна без использования систем автоматического проектирования.

Список использованной литературы

1. А.С. № 945639. Преобразователь угловых перемещений (В.А.Волков, Н.Е.Конюхов, В.В.Скорняков, А.Н.Трофимов). Опубл. в Б.И., 1982, № 27.

2. А.С. № 1019220 (СССР) Преобразователь перемещений (А.Н.Трофимов, В.И. Быченков). Опубл. в Б.И., 1983, № 19.

3. Агалаков А.А. Измерительные цепи ёмкостных и индуктивных датчиков. // Приборы, 2001, № 8(14), с. 24.

4. Агейкин Д.И., Костин Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. – М., Машиностроение, 1965.-928 с.

5. Баженов А.А., Гориш А.В., Яровиков В.И. Пьезоэлектрические датчики механических величин. Современное состояние и перспективы развития. – В сб.: Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения, т.2 – Ростов-на-Дону, 1999.

6. Бауман Э. Измерение сил электрическими методами, М.: Мир, 1978. – 430 с.

7. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации, Ростов-на-Дону, 2005.- 294 с.

8. Бойков Н.А. Измерение давления при быстропеременных процессах. – М.: Энергия, 1970. - 470 c.

9. Дайчик М.Л., Пригоровский Н.И., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии. – М.: Машиностроение, 1989. – 240 c.

10. Денисенко В., Халявко А. Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации. Схемотехника, №1, 2001.

11. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. Справочник. Перевод с английского под редакцией В.В.Лучинина. –М., Техносфера, 2007. -380 с.

12. Домрачев В.Г. Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла. – М., Энергоатомиздат, 1984. –328 с.

13. Клокова Н.П. Тензорезисторы:  Теория, методики расчета, разработки. – М.: Машиностроение, 1990. – 224 с.

14. Конюхов Н.Е., Медников Ф.М., Нечаевский М.Л. Электромагнитные датчики механических величин -М.: Машиностроение, 1987.

15. Коптев Ю.Н. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник, том II, 2000.

16. Левшина К.С., Новицкий И.В. Электрические измерения физических величин, М.: Энергоатомиздат, 1973.

17. Леонович Г.И. Оптоэлектронные цифровые датчики перемещений для жестких условий эксплуатации / Самарский гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 1998.-264 с.

18. Мокров Е.А., Волохов И.В., Герасимов О.Н, Крысин Ю.М. Проектирование датчиков на основе тонкопленочных технологий. Учебное пособие, Пенза ИИЦ ПГУ, 2007.-79 с.

19. Мокров Е.А., Алавердов В.В., Гориш А.В., Тихонов А.И.,                    Тихонов С.А, Тихоненков В.А. Оценка и обеспечение динамических свойств датчиков механических величин. Учебное пособие. - М.: МГУЛ, 2001.-31 с.

20. Мокров Е.А., Цыпин Б.В., Трофимов А.Н., Мельников А.А., Трофимов А.А. Растровый трансформаторный преобразователь перемещения в код / Патент РФ на полезную модель № 63143, бюл. №13, 2007.

21. Немец И. Практическое применение тензорезисторов.- М.: Энергия, 1970. – 144 с.

22. Осадчий Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин -М.: Машиностроение, 1979. -380 с.

23. Пери К.К. и Лисснер Г.Р.  Основы тензометрирования. – М.: 1957. – 324 с.

24. Преснухин Л.П. Фотоэлектрические преобразователи информации.         -М.: Машиностроениие, 1974.

25. Пьезоэлектрические преобразователи: Справочник / В.В. Ганопольский, Б.А. Касаткин, Ф.Ф. Легуша и др.: М., Судостроение, 1984. – 266 с.

26. Пьезоэлектрическое приборостроение / А.В. Гориш, В.П. Дудкевич, М.Ф.Куприянов, А.Е. Панич и др.: Под ред. А.В. Гориша, т.1. Физика сегнетоэлектрической керамики – М.: ИПРЖР, 1999. – 368 с.

27. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств. –М.,      БИНОМ. Лаборатория знаний.-2006. -232 с.

28. Тихоненков В.А., Тихонов А.И. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин. Учебное пособие, Ульяновск, УлГТУ. -2000. -452 с.

29. Тихоненков В.А., Мишин В.А. Проектирование и технология производства металлопленочных датчиков механических величин в примерах и задачах. Учебное пособие, Ульяновск, УлГТУ. -2004. -338 с.

30. Трофимов А.Н., Быченков В.И. Растровые трансформаторные датчики перемещений // Приборы и системы управления, 1990, №10, с.15.

31. Трофимов А.Н., Блинов А.В., Трофимов А.А. Унифицированный ряд высокотемпературных растровых электромагнитных датчиков перемещений // Датчики и системы, 2007, №7, с. 24.

32. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. – М.: Энергия, 1966. - 681с.

33. Финк К. и Рорбах Х.  Измерение напряжений и деформаций. – М.: 1961. – 536 с.

34. Фрайден. Дж. Современные датчики. Справочник. Перевод с английского Ю.А.Заболотной под редакцией Е.Л.Свинцова. –М., Техносфера. -2005. -588 с.

35. Яровиков В.И. Теоретические основы проектирования пьезоэлектрических датчиков механических величин, М.: 2001.- 134 с.

а

H

h

l

L

1

3

2

4

5

200      400      600      800  f, Гц

100

 50

   0

 Rиз , МОм

t = 200 0C

t = 300 0C

Uб

UТ

Rб

ΔUТ

U

I

UП

+

–

RТ

С

U

U1

U2

U4

U3

R3

R4

R2

R1

А

В

Б

Г

ip

I1

I2

I1- ip

I2+ ip

UП

Е

+      –

I0=I1+I2

I0=I1+I2

Fх

Fх

R1

R4

R2

R3

F

F

R1

R3

R2

R4

F

R1

R4

R2

R3

F

F

R1

R2

R3

R4

R2

R1

450

Плоскость

сжатия

Плоскость

растяжения

450

Электри-

ческая ось

Оптическая

ось

FZ

FZ

x

x

y

y

z

z

a

b

c

Электрическая ось

Продольный

пьезоэффект

x

x

y

y

Fy

Fy

Поперечный

пьезоэффект

+  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  + + + + +

                             

 

 

Е1

Е2

Е3

О2

О2

О2

+Si

+Si

+Si

А

В

2

3

1

4

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

+

-

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

+
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

-
+

а)

б)

–

+

–

+

-

+

+

-

-

+

~

а)

                 б)

                       в)

          г)

~

U

C0

Cвх

Rвх

R0

Uвх

1

2

3

4

5

X(τ)

x(t)

U(τ)

Un(τ)

T

ε

1

2

3

4

5

   –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  

   +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +   

 

 

 

 

  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +  +   

  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  –  

 

 

 

а

б

в

  –    +

  +    –

3

4

6

1

2

5

1

2

3

4

5

6

а

б

3

3

1

2

4

5

1

2

5

2

1

3

2

1

3

4

6

1

5

2

3

а)

б)

в)

г)

д)

5

1.

Газ или

жидкость и

твердое

тело

2.

                              

Пьезопреоб-

разователь

P

F

U

Упругая система

«мембрана –

силопередающая

прокладка»

    

Пьезо-модуль

P

F

U

P

2

1

3

б

1. тема обеспечения единства измерений
2. Исполнительное резюме2 1
3. Реферат- Некоторые жанры японской поэзии
4. реферату- Організація ефективного персонального продажуРозділ- Маркетинг Організація ефективного персона
5. Современные тенденции развития международной журналистики Средства массовой информации находятся в ц
6. Реферат- Серозный мастит у коров
7. Понятие и виды таможенных платежей Порядок взимания таможенных платежей
8. задание15Список использованной литературы18 1
9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 Термическая обработка дюралюминия Цель работы 1
10. Проблеми та песпективи підвищення рівня економічного розвитку України та ступеня її участі в міжнародних відносинах
11. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата наук з фізичного виховання і спорту
12. . ~ 200 с. ил. 144 ~ 146 ДВА НАПРАВЛЕНИЯ ХАЙТЕКА Вопросы- Первое направление ~ усложненные композиции
13. Лекция 1 1 Выберите единицу измерения электрической постоянной- Ф-м Н-Кл м-Ф Кл2-Нм2
14. . Предмет педагогики как гуманитарной науки.
15. Задание на выполнения курсового проекта.html
16. РЕФЕРАТ по введению в авиакосмическую технику
17. ТЕМПЕРАМЕНТ В СТРУКТУРЕ ЛИЧНОСТИ
18. Джордж Гордон Байрон Каин
19. Социальная готовность детей к обучению в школе
20. Тыш~анны~ к~мегімен тізімнен т~сті~ атауын ж~не экранда~ы батырманы басуды танда~анда т~сті~ атауын орыс

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе