Измерительные преобразователи

где R_СТ - магнитное сопротивление участков магнитопровода и ферромагнитного сердечника; R_З - магнитное сопротивление воздушных зазоров; l_СТ - длина средней силовой линии по магнитопроводу и якорю; Q_СТ - поперечное сечение магнитопровода и якоря (магнитопровод и якорь имеют одинаковую площадь поперечного сечения); _r - магнитная проницаемость материала магнитопровода и якоря; ₀ - магнитная постоянная; - длина воздушного зазора; Q - сечение воздушного зазора.

Выполнив условие Q_СТ = Q, получим

L = ₀ Q n²/(l_СТ/_r + 2). (4.3)

Переходя к сопротивлению катушки индуктивности и пренебрегая активным сопротивлением катушки, получим

Z() = iL = i₀ Q n²/(l_СТ/_r + 2). (4.4)

Учитывая, что 2 >> l_СТ/_r (так как _r - велико), получим

L ₀ Q n²/(2); Z i₀ Q n²/2. (4.5)

К достоинствам индуктивных ИП можно отнести:

1) большой диапазон измеряемых линейных и угловых перемещений;

2) большую мощность выходного сигнала (до 5 Вт), что позволяет обойтись без дополнительного усиления;

3) высокую чувствительность;

4) надежность;

5) возможность питания от сети (для многих случаев).

Недостатками индуктивных ИП являются:

1) большая инерционность;

2) наличие электромагнитных сил притяжения.

Основные характеристики и области применения

Из 4.5. видно, что функция преобразования индуктивного ИП с изменяющимся зазором нелинейная. Зависимость сопротивления Z от длины воздушного зазора близка к гиперболической. В подобных ИП при начальном зазоре ₀ практически линейный участок составляет (0,1 0,15) _0. А относительное изменение сопротивления Z/Z из-за наличия активного сопротивления обмотки, потока утечки и магнитного сопротивления якоря в 2-5 раз меньше относительного изменения зазора /₀ [10].

Данные преобразователи характеризуются высокой чувствительностью, но сравнительно малым диапазоном измерения. Они используются при малых перемещениях от единиц микрометров до единиц миллиметров (до 10 мм). Погрешность индуктивных ИП достигает 0,1% [1].

Выходной величиной индуктивного преобразователя может быть изменение индуктивности ИП или изменение его сопротивления. Из уравнений 8.3 и 8.4 можно определить чувствительность S_L и S_Z преобразователя к изменению длины воздушного зазора

S_L = dL/d = -2 ₀ Q n²/(l_СТ/_r + 2)² - ₀ Q n²/(2²). (4.6)



Часто чувствительность индуктивного ИП определяется как

S_Z = (1/Z) (dZ/d) = - 2/(2 + l_СТ/_r) -1/. (4.7)

Преобразователи с изменяющейся площадью воздушного зазора обладают линейной функцией преобразования и применяются при измерении перемещений порядка 5-20 мм.

Преобразователи с разомкнутой магнитной цепью (соленоидальные ИП) имеют худшие характеристики, по сравнению с преобразователями с изменяющимися и Q. Так как магнитный поток в основном замыкается через воздух, их чувствительность ниже. Кроме того, они потребляют относительно большую мощность и, в связи с большим рассеянием магнитного потока, подвержены сильному влиянию внешних магнитных полей. Функция преобразования нелинейна. Подобные преобразователи применяются для измерения больших линейных перемещений (10-100 мм). Известны конструкции таких преобразователей для перемещений до 2 м [16].

Преобразователи с распределенными параметрами используются для измерения больших линейных перемещений. Индуктивные ИП с электроповодным диском используются для измерения угловых перемещений до 180 360 ^О. Изменяя профиль диска, можно получить любой вид зависимости индуктивности от угла поворота диска.

Кроме измерения линейных и угловых перемещений индуктивные ИП используются для измерения размеров, толщины изделий, уровня и толщины различных покрытий, сил и крутящих моментов, ускорений и параметров вибраций.

Погрешности индуктивных ИП

Среди погрешностей индуктивных ИП можно выделить следующие:

1) температурную погрешность, обусловленную температурным изменением активного сопротивления катушки, магнитной проницаемости материала магнитопровода и якоря и размеров магнитной цепи;

2) погрешность, возникающую из-за действия силы притяжения якоря;

3) погрешность линейности функции преобразования;

4) при работе преобразователей в мостовых схемах возникает погрешность из-за нестабильности напряжения и частоты питания моста, а также формы кривой питающего напряжения.

Для улучшения свойств индуктивных ИП используются дифференциальные преобразователи. Они состоят из двух одинарных преобразователей, имеющих общий подвижный элемент. На рис. 8.2. показаны конструкции дифференциальных ИП с изменяющейся длиной воздушного зазора (рис. 8.2 а), с изменяющейся площадью воздушного зазора (рис. 8.2 б), с разомкнутой магнитной цепью (рис. 4.2 в).

а) б) в)

Рис. 4.2

В дифференциальных преобразователях при перемещении подвижного якоря под действием входной величины индуктивность одной катушки, например L₁, возрастает, а второй L₂ уменьшается. При включении в измерительную цепь выходной сигнал пропорционален разности выходных сигналов каждого преобразователя.

Дифференциальные преобразователи позволяют существенно уменьшить погрешности, повысить чувствительность и увеличить линейный участок характеристики. Линейный участок составляет (0,3 - 0,4)_о.

На практике индуктивные измерительные преобразователи всегда выполняются дифференциальными.

Измерительные цепи индуктивных ИП

Основными измерительными цепями индуктивных ИП являются мостовые цепи (рис. 8.3 а, б, в). Иногда индуктивный преобразователь включается в делитель напряжения (рис. 8.3 г.) или колебательный L - C контур генератора. Наиболее распространенной является мостовая измерительная цепь, работающая в неравновесном режиме, при этом ток в нагрузке сдвинут по фазе относительно напряжения питания. Уравновешивание моста в начальном положении производится по двум составляющим.

а) б) в) г)

Рис. 4.3

4.2 Трансформаторные ИП

Принцип действия, конструкции, достоинства и недостатки

Принцип действия трансформаторных (взаимоиндуктивных) ИП основан на изменении взаимной индуктивности между двумя обмотками под действием входного сигнала. Одна из обмоток является намагничивающей, а с другой снимается напряжение.

Конструкции магнитной цепи трансформаторных и индуктивных ИП одинаковы, отличаются они числом обмоток. Трансформаторные ИП с изменяющимся воздушным зазором (рис. 8.4 а) и переменной площадью воздушного зазора (рис. 8.4 б) состоят из магнитопровода 1, на который намотаны две обмотки 2 (обмотка возбуждения) и 3 (вторичная обмотка), и подвижного якоря 4 из ферромагнитного материала. При перемещении подвижного якоря изменяется магнитное сопротивление R_М и взаимная индуктивность М между обмотками. Если ток I₁, протекающий по обмотке 2, остается постоянным, то ЭДС индуктированная во вторичной обмотке 3, будет определяться как

Е₂ = j w₁ w₂ I₁/ R_М, (4.8)

где w₁ и w₂ - число витков обмотки возбуждения и вторичной обмотки; - частота.

Подставив в (4.8) выражение для магнитного сопротивления (4.2), получим уравнение преобразования трансформаторного преобразователя с переменным воздушным зазором (рис. 4.4 а)

а) б) в)

г) д)

Рис. 4.4



Е₂ = j₀ Q w₁ w₂ I₁/ (2 + l_СТ/_r) j₀ Q w₁ w₂ I₁/ 2. (4.9)

В преобразователе (рис. 8.4 в) обмотка 3 выполнена в виде рамки, которая может поворачиваться в кольцевом зазоре полюсных наконечников 4. При включении обмотки 2 в цепь переменного тока в обмотке 3 наводится ЭДС Е₂. При повороте рамки 3 значение ЭДС Е₂ изменяется. Функция преобразования трансформаторного ИП с подвижной обмоткой может быть записана в виде [9]

Е₂ = 2 w₂ U_~/ (w₁), (4.10)

где - угол поворота рамки относительно горизонтального положения _О.

В крайних положениях рамки (₁ и ₂) индуктированная в ней Е₂ имеет максимальное значение. В горизонтальном положении (_О) рамки 3 ЭДС Е₂ равна нулю, причем при переходе рамки через горизонтальное положение ЭДС меняет фазу на 180^О. Для сдвига характеристики преобразования последовательно с обмоткой 3 включают дополнительную обмотку 5. В данных преобразователях могут быть использованы ферродинамические измерительные механизмы и сами преобразователи иногда называют ферродинамическими [10].

В преобразователе с распределенными параметрами (рис. 8.4 г.) при перемещении подвижной обмотки в воздушном зазоре изменяется полный поток, сцепляющийся с витками подвижной обмотки. Если магнитное сопротивление участка магнитопровода 1, по которому перемещается подвижная обмотка 3, мало по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора, то зависимость индуктированной ЭДС Е₂ практически линейно зависит от перемещения обмотки 3. Изменяя профиль магнитопровода, можно получить заданную функцию преобразования трансформаторного ИП.

К достоинствам трансформаторных ИП можно отнести: 1) отсутствие гальванической связи между цепями питания и выхода; 2) возможность их использования без измерительных схем.

К недостаткам относятся влияние перемещения подвижного якоря на ток в первичной цепи.

Область применения трансформаторных ИП аналогична области применения индуктивных ИП.

Погрешности трансформаторных ИП

Погрешности трансформаторных ИП обусловлены теми же причинами, что и в индуктивных ИП. Кроме этих погрешностей трансформаторные преобразователи имеют погрешности: 1) обусловленные протеканием тока во вторичной обмотке и изменением ее сопротивления; 2) изменением тока в первичной цепи при перемещении якоря.

Для уменьшения погрешности, вызванной изменением тока в первичной цепи, необходимо включить в цепь высокоомный добавочный резистор. Уменьшение погрешности из-за тока во вторичной цепи достигается использованием измерительного прибора или вторичного преобразователя с больших входным сопротивлением.

Для улучшения характеристик трансформаторных ИП используются дифференциальные преобразователи. На рис. 8.4д показан преобразователь с подвижным сердечником. Первичные обмотки включены между собой последовательно, а вторичные включены встречно. Последовательное соединение первичных обмоток позволяет существенно уменьшить погрешность, обусловленную изменением тока в первичной цепи. При таком включении сопротивление одной первичной обмотки возрастает, а второй уменьшается примерно на ту же величину, и в целом сопротивление остается неизменным, т.е. ток в первичной цепи остается постоянным.

В дифференциальных ИП суммарная ЭДС на выходе [9]

Е₂ = Е₁₂ - Е₂₂ = w_{2 O} /(2 w₁) [1/(_O - ) - 1/(_O + )] U_~, (8.11)

где - смещение якоря относительно его среднего положения.

При ²_O ² функция преобразования практически линейна.

Е w₂ U_~ /(_O w₁). (4.12)

Чувствительность преобразователя

S = w₂ U_~ /(_O w₁). (4.13)

Свойства дифференциальных трансформаторных ИП аналогичны свойствам дифференциальных индуктивных ИП.

4.3 Магнитоупругие ИП

Принцип действия, конструкции магнитоупругих ИП

Принцип действия магнитоупругих ИП основан на магнитоупругом эффекте и заключается в изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала под действием упругих деформаций.

Магнитоупругие ИП являются разновидностью индуктивных ИП с замкнутым магнитопроводом. При наличии второй обмотки он может работать как трансформаторный преобразователь [17].

а) б) в)

Рис. 4.5



Различные варианты выполнения магнитоупругих ИП показаны на рис. 4.5. При воздействии механической силы F в чувствительном элементе 1 возникают механические напряжения , которые обусловливают изменение магнитной проницаемости чувствительного элемента и магнитного сопротив-ление R_M преобразователя. При этом изменяется индуктивность L обмотки 2 (рис. 4.5 а) или взаимная индуктивность М между обмотками 2 и 3 (рис. 4.5 б, в).

В магнитоупругих преобразователях возможно использование изменения магнитной проницаемости в одном направлении (рис. 4.5 а, б) и использование изменения магнитной проницаемости вследствие анизотропии магнитных свойств ферромагнитных тел при их деформации, в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Обмотки преобразователя 2 и 3 (рис. 4.5 в), основанного на анизотропии свойств, располагаются под углом 90⁰ друг к другу. В ненагруженном состоянии магнитные силовые линии первичной обмотки 2 не пересекают витки вторичной обмотки 3. При приложении усилия магнитные силовые линии первичной обмотки искажаются и пересекают витки обмотки 3, при этом в ней индуктируется ЭДС.

Достоинствами магнитоупругих ИП являются: 1) большая выходная мощность, так как в них все тело чувствительного элемента, воспринимающего измеряемое усилие, является активным; 2) малый прогиб под действием нагрузки; 3) малое электрическое сопротивление.

Характеристики и области применения

Основной характеристикой магнитоупругого преобразователя является чувствительность, которая определяется магнитоупругой чувствительностью S материала преобразователя. Относительная магнитоупругая чувствительность материала представляет собой отношение относительного изменения магнитной проницаемости = / на единицу механического напряжения



S = /. (4.13)

Магнитоупругий эффект проявляется в таких материалах, как пермалой, электротехническая сталь, сплавы железо-никель, ферриты и др. Изменение магнитной проницаемости / для различных материалов составляет (0,5 - 3)% при изменении на 1 МПа [10].

Чувствительный элемент преобразователей может выполняться как из сплошного материала, так и набранным из листов. В преобразователях, работающих на сжатие, магнитопровод обычно выполняется из сплошного материала. В преобразователях, работающих на растяжение, стабильнее работает магнитопровод, набранный из листов.

Данные ИП применяются для измерения крутящих моментов, больших сил и давлений. Диапазон измерения силы достигает 10 МН [18], давления до десятков МПа. Магнитоупругие преобразователи позволяют измерять как статические, так и динамические величины.

Погрешности магнитоупругих ИП

К погрешностям магнитоупругих ИП относятся:

1. Погрешность, обусловленная магнитоупругим гистерезисом, т.е. несовпадением функций преобразования при увеличении и уменьшении нагрузки ИП. При статических нагрузках гистерезис больше, чем при динамических. Эта погрешность обычно превышает остальные составляющие погрешности и может составлять единицы процентов. Уменьшение погрешности достигается путем тренировки преобразователя. Эта погрешность также уменьшается при выполнении чувствительного элемента монолитным из материала с высоким пределом упругости. Магнитоупругий гистерезис уменьшается с течением времени и увеличении напряженности магнитного поля. Погрешность из-за гистерезиса может быть уменьшена до десятых долей процента (до 0,3%).

2. Погрешность линейности. Для уменьшения этой погрешности приложением дополнительной силы в материале создается предварительное напряженное состояние. Нелинейность характеристики преобразование уменьшается при соответствующем выборе материала чувствительного элемента преобразователя и взаимной коррекцией нелинейностей цепочки преобразования. Погрешность линейности может быть уменьшена до 1-2% [10].

3. Погрешность, обусловленная колебаниями напряжения питания. При изменении напряжения питания изменяется начальное значение магнитной проницаемости и магнитоупругая чувствительность. Для уменьшения этой погрешности необходимо работать в полях, соответствующих максимальной магнитной проницаемости. Погрешность может быть уменьшена до 0,3-0,4% на 1% изменения напряжения питания.

4. Температурная погрешность. При изменении температуры изменяется сопротивление обмоток и магнитная проницаемость. Температурная погрешность составляет 0,5-1%. Для уменьшения погрешности используются дифференциальные и магнитоанизотропные ИП.

5. Погрешность, обусловленная старением материала магнитоупругого ИП. Старение приводит к изменению магнитной проницаемости и магнитоупругой чувствительности. Для уменьшения данной погрешности используют естественное или искусственное старение, а также примененяют дифференциальные ИП. Погрешность старения можно уменьшить до 0,5%.

Измерительные цепи

В качестве измерительных цепей используются мостовые цепи. Для компенсации погрешностей в плечо моста, смежное с рабочим преобразователем, включается такой же преобразователь. Магнитоупругие ИП могут также включаться в цепь автоматического потенциометра переменного тока.



5. Пьезоэлектрические ИП

5.1 Принцип действия и материалы пьезоэлектрических ИП

Принцип действия данных преобразователей основан на пьезоэлектрическом эффекте, т.е. на возникновении электрических зарядов на поверхности кристаллических диэлектриков, подверженных механическим деформациям (прямой пьезоэффект).

Кроме прямого пьезоэффекта существует и обратный, который проявляется в изменении размеров диэлектрика при приложении к нему электрического поля. Вещества (нецентросимметричные ионные кристаллы, поликристаллы), у которых наблюдаются такие свойства, называются пьезоэлектриками (кварц, титанат бария и др.).

В качестве материалов пьезоэлектрических преобразователей используются различные типы пьезоэлектрической керамики, например: титанат бария ВаТiО₃, ЦТС керамика (керамика на основе смесей цирканато-титанатов свинца), НБС керамика (керамика на основе ниобата свинца) и кварц. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют большие значения пьезомодуля, например, керамика ВаТiО₃ имеет значение пьезомодуля d₁₁ = 107^.10^-12 Кл/Н. Большинство пьезокерамик обладает достаточной температурной стабильностью. Пьезоэлектрические свойства сохраняются вплоть до температуры Кюри. Для титаната бария температура Кюри равна 115 ⁰С. В результате старения свойства пьезокерамики изменяются. Изготовление преобразователей из пьезокерамики проще, чем из моно-кристаллических материалов. Кварц имеет пьезоэлектрический модуль d₁₁ = 2,1^. 10^-12 Кл/Н, величина которого не зависит от температуры до 200 ⁰С. Предельная рабочая температура составляет 500 ⁰С. При температуре 573 ⁰С кварц теряет пьезоэлектрический эффект в результате необратимых изменений кристаллической решетки (переход в аморфное состояние). Он имеет высокую стабильность электрических и механических свойств. За 10 лет изменение характеристик не превышает 0,05% [9].

В кристаллах кварца различают три главных кристаллографических оси: продольную (оптическую ось Z); электрические оси Х (три оси, сдвинутых на 120^О), проходящие через ребра шестигранной призмы; механические оси Y (три оси, сдвинутых на 120^О), нормальные по отношению к граням кристалла.

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были перпендикулярны осям X-Y (рис. 9.1 б), то под действием силы F_X в направлении оси X на гранях параллельных оси Y появится заряд (продольный пьезоэффект)

q = d₁₁ F_Х, (5.1)

где d₁₁ - пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль).

Если измеряемая сила направлена вдоль механической оси Y, то заряд все равно индуцируется на гранях параллельных Y, но его значение уже будет зависеть от соотношений геометрических размеров кристалла (поперечный пьезоэффект) q = - (l_Y/ l_X) d₁₁ F_Y, где l_X и l_Y - размеры кристалла по осям X и Y.

Знаки поляризации при продольном и поперечном пьезоэффекте - противоположны. С изменением направления силы изменяется знак заряда. При действии силы вдоль оптической оси Z пьезоэффект не возникает.



5.2 Характеристики и применение пьезоэлектрических ИП

а) б)

Рис. 5.1

В общем случае пьезоэлектрический преобразователь представляет собой пластинку из пьезоэлектрического материала, на противоположных гранях которой имеются два электрода. На рис. 5.2 а схематично показано устройство преобразователя давления и его электрическая эквивалентная схема (рис. 5.2 б) [14].

Преобразователь состоит из двух пьезоэлектрических пластин 1, соединенных параллельно. Заряд q, возникающий на гранях пластин 1, пропорционален приложенной силе F. Сигнал с пластин снимается при помощи электродов 2, выполненных из фольги. Пластины помещаются в корпус 3. На эквивалентной схеме С_О - это электрическая емкость преобразователя (емкость между гранями пьезоэлектрика), R_О - сопротивление преобразователя (сопротивление утечки).

Выходной величиной преобразователя является напряжение. Функция преобразования преобразователя (рис. 5.2 а) имеет вид

U_ВЫХ = dF/C = dF/(Q_O) = dP/(2_O), (5.2)

где d - пьезомодуль; - расстояние межу электродами; Q - площадь электродов; - относительная диэлектрическая проницаемость пьезоэлектрика; Р - давление.

При измерении статических величин (сил, давлений и т.п.) на выходе пьезоэлектрического ИП появляется постоянное напряжение, которое из-за утечки заряда через конечное объемное сопротивление и по поверхности ИП быстро падает. Заряд, возникающий на гранях преобразователя, будет сохраняться только в том случае, если нет токов утечки. При действии переменной величины заряд постоянно восполняется. Поэтому пьезоэлектрические ИП применяются для измерения динамических величин.

Так как пьезоэлектрический преобразователь характеризуется большим внутренним сопротивлением и малой выходной мощностью, поэтому на выход преобразователя необходимо включать усилитель с возможно большим коэффициентом усиления. Учитывая, что пьезоэлектрические преобразователи обычно включаются в измерительную цепь с помощью кабеля, эквивалентная схема преобразователя может быть представлена в, виде, показанном на рис. 9.3 а.

На рисунке С_К и R_К - емкость и сопротивление утечки кабеля; С_ВХ и R_ВХ - входная емкость и входное сопротивление измерительной цепи.

Упрощенная эквивалентная схема показана на рис 9.3 б, где C_Э - эквивалентная емкость C_Э = C_О + C_К + C_ВХ; R_Э - эквивалентное сопротивление R_Э = R_О R_К R_ВХ /(R_О R_К + R_О R_ВХ + R_К R_ВХ).

а) б)

Рис. 5.3

При воздействии на преобразователь синусоидальной силы f_X мгновенное значение тока, протекающего в измерительной цепи, находится как



i = i_C + i_R = dq/dt = d (dF_X/dt), (5.3)

а уравнение преобразования пьезоэлектрического ИП имеет вид

d (dF_X/dt) = U_ВЫХ /R_Э + C_Э (dU_ВЫХ/dt). (5.4)

Выразив формулу 9.4 в операторной форме, получим

U_ВЫХ(1 + R_ЭC_Э Р) = d^.R_Э Р^.f_X. (5.5)

Откуда выражение для операторной чувствительности будет иметь вид

U_ВЫХ/F_X = d R_Э Р/(1 + R_Э C_Э Р) = (d/C_Э)^.Р/(1 + Р), (5.6)

где = R_Э C_Э - постоянная времени цепи.

При синусоидальной силе F_X = F_M sin t из (9.5) получим выражение для комплексной чувствительности

S (j) = d [jR_Э/(1 + jR_Э C_Э)]. (5.7)

Из 5.7 находим амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики преобразователя, включенного в измерительную цепь

S (j) = d /[C_Э (1 + )²]; = /2 + arc tg(R_Э C_Э). (5.8)

Из формулы 9.8 видно, что чувстительность преобразователя не будет зависеть от частоты при ()² 1. При = 0 чувствительность преобразователя равна нулю, то есть невозможно применение пьезоэлектрических ИП для измерения статических усилий.

При >>1 максимальное выходное напряжение зависит от емкости C_Э: U_ВЫХ.М = d^.F_М/C_Э. Поэтому если в характеристике ИП указывается его чувствительность по напряжению, то обязательно должна быть указана и емкость для этой чувствительности [10]. Иногда указывается чувствительность по заряду S_q = q/F и собственная емкость ИП С₀ или напряжение холостого хода Uxx = d₁₁ F/ C₀, а также собственная емкость ИП. Зная суммарную емкость С, можно рассчитать U_ВЫХ.

Для расширения частотного диапазона в сторону низких частот, при сохранении чувствительности преобразователя неизменной, следует увеличить = R_ЭC_Э. Увеличение можно достичь включением параллельного дополнительного конденсатора, но это приводит к уменьшению чувствительности. Увеличение сопротивления R_Э приводит к расширению частотного диапазона без уменьшения чувствительности. Увеличение R_Э достигается улучшения качества изоляции и повышением входного сопротивления R_ВХ измерительной цепи. Верхняя граница частотного диапазона определяется, в основном, механическими параметрами: частотой собственных колебаний, зависящей от массы и жесткости, степени успокоения. Таким образом, полная частотная характеристика преобразователя определяется как электрическими, так и механическими параметрами. Верхняя частота рабочего диапазона пьезоэлектрических преобразователей достигает десятков килогерц.

Из выражений (9.7) и (9.8) видно, что сигнал с выхода пьезо-электрического преобразователя ослабляется из-за емкости кабеля и входного устройства (усилителя). Нижняя граничная частота f_СР по уровню - 3 дБ равна f_СР = 1(2R_ЭC_Э). Ниже этой частоты коэффициент передачи уменьшается в 2 раза (на 6 дБ) при понижении частоты на октаву. Для получения малого значения f_СР и высокой чувствительности входной импеданс измерительной цепи должен быть очень большим. При использовании специальных измерительных усилителей (электромеханических усилителей) можно получить входное сопротивление порядка 10¹⁴ Ом и входную емкость около 1 пФ [14].

Чувствительность пьезоэлектрического ИП может быть также увеличена за счет выполнения чувствительного элемента из нескольких параллельно соединенных пластин.

Пьезоэлектрические преобразователи применяются для измерения сил до 10⁵ Н, давлений до 100 Н/мм², ускорений до 2 10⁴g в частотном диапазоне от единиц герц до 100 кГц.

5.3 Погрешности пьезоэлектрических ИП

Основными составляющими погрешности являются: 1) погрешность, обусловленная нестабильностью параметров измерительной цепи, в частности емкости С_ВХ; 2) температурная погрешность, обусловленная изменением чувствительности за счет температурного изменения пьезомодуля d, емкости С_Э и размеров пьезоэлемента; 3) погрешность, вызванная чувствительностью к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя; 4) частотная погрешность; 5) погрешность, обусловленная неправильной установкой пластин; 6) погрешность градуировки; 7) погрешность, обусловленная гистерезисом и нелинейностью характеристики пьзоэлектрического материала.

Кроме этого, при работе необходимо учитывать так называемый кабельный эффект. При вибрации кабель наводит на вход усилителя ЭДС, возникающую в результате трения изоляции при тряске об экран. Для уменьшения этой погрешности применяются специальные антивибрационные кабели.



5.4 Измерительные цепи пьезоэлектрических ИП

Как отмечалось ранее, выходное сопротивление пьезоэлектрического ИП большое, а мощность выходного сигнала мала. Поэтому в качестве измерительных цепей в основном используются различные усилители, отличающиеся высоким входным сопротивлением. На рис 9.4. приведены некоторые из таких схем.

Схемы с усилителем напряжения представлены на рис 9.4 а, б. Схема (рис. 9.4 а) обеспечивает постоянство нагрузки на пьезопреобразователь и усиливает напряжение на его обкладках. АЧХ равномерна в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц [15]. Недостатком схем с усилителями напряжения является зависимость выходного напряжения и чувствительности от емкости кабеля. Для уменьшения погрешности, вызванной изменением чувствительности, параллельно входу усилителя включается дополнительная стабильная емкость С₁ (на рис. 9.4 не показана). В этом случае погрешность чувствительности

_S = (С₀ + С_K) (С₀ + С_K + С₁).

Постоянная времени для измерительных цепей с усилителями напряжения обычно не превышает одной секунды 1 с.



а) б)

Рис. 5.4

Более высокое значение постоянной времени позволяют получить преобразователи заряда в напряжение (усилители заряда). Пример подобной схемы приведен на рис. 5.4 в. Преимуществом данной схемы является возможность существенного расширения АЧХ в область инфранизких частот.

Постоянная времени может достигать нескольких часов [15], что позволяет осуществлять «статическую» градуировку пьезодатчиков. Кроме того, в этой схеме влияние емкости линии С_Л, соединяющей пьезодатчик с усилителем, оказывается незначительным.

Для согласования большого выходного сопротивления пьезопреобразователя с малым входным сопротивлением последующих электронных цепей может использоваться измерительная цепь, приведенная на рис. 5.4 г.

Достоинствами пьезоэлектрических ИП являются: малые габариты, простота конструкции, высокая надежность, возможность измерять бысропеременные процессы, высокая точность преобразования механических напряжений в электрический заряд. Например, для ИП из кварца погрешность преобразования составляет 10^-4 - 10^-6.

К недостаткам следует отнести: невозможность измерять статические величины, наличие нелинейности и гистерезиса, трудность градуировки, сложность экранировки и защиты от помех и наводок, необходимость в качественных усилителях.

Размещено на Allbest.ru

...