Измервателни преобразуватели. Параметрични измервателни преобразуватели. Какви са устройство, принцип на действие и приложение
IV. Класификация на преобразувателите.
(връщане към съдържанието)
Измервателната информация, получена от контролирания обект, се предава на измервателната система под формата на сигнали от всякакъв вид енергия и се преобразува от един вид енергия в друг. Необходимостта от такава трансформация се дължи на факта, че първичните сигнали не винаги са удобни за предаване, обработка, по-нататъшно преобразуване и възпроизвеждане. Следователно при измерване на неелектрични величини сигналите, възприемани от чувствителния елемент, се преобразуват в електрически сигнали, които са универсални.
Тази част от устройството, в която измерваният неелектрически сигнал се преобразува в електрически, се нарича конвертор
Има много електрически методи за измерване на неелектрически величини. За по-лесно изучаване въвеждаме класификация на тези методи според вида на връзката между електрически и неелектрически величини:
Параметрични преобразуватели, при което измерената неелектрическа величина се преобразува в съответното изменение на параметрите на електрическата верига, захранвана от външни източници на ЕДС. В този случай сигналите, получени от измервания обект, служат само за управление на енергията на външен източник, включен във веригата.
Генераторни преобразуватели, при който получените сигнали от измервания обект се преобразуват директно в електрически сигнали. В този случай желаният ефект на преобразуване може да се получи без използването на външни източници на ЕМП.
Параметричните методи включват методи, базирани на промени в съпротивлението, капацитета и индуктивността на електрическите вериги.
Генераторните методи включват електромагнитни, термоелектрични, пиезоелектрични и други методи.
Входът е определена стойност X, а изходът е електрически сигнал (Y).
(*)
x => ΔF => Δx => ΔR
Преобразуване на физична величина x в електрически сигнал. За визуализиране на параметрите R, L, C, M е необходимо към тях да се включи генератор за електрическа енергия
(*) За такива вериги се прилагат законите на изчисленията на електрическите вериги.
1.1 Метод на съпротивлението.
Този метод използва зависимостта на електрическото съпротивление на резисторите от различни неелектрически величини.
Например промяна в омичното съпротивление на тел реостат, когато плъзгащият контакт се движи под въздействието на механични сили.
Общи бележки.Параметричните преобразуватели, както е отбелязано в раздел 1, контролират параметрите на енергийния поток, идващ от външен източник и могат да работят в един от двата режима. В първия от тях преобразувателят е регулатор DCили напрежение.
Информацията за измерване се носи от закона за промените в нивото на електрическата величина. Въпреки че такъв преобразувател по принцип трябва да бъде нелинейна система, при определени условия неговият изходен сигнал може да се счита за линейно свързан с входния сигнал и дори може да се проследи аналогия с MEC на генератора. Например, в най-простия случай, преобразувател с електрически импеданс е свързан последователно с товара и се захранва от източник с вътрешно съпротивление. Външно влияние променя импеданса на преобразувателя, в резултат на което токът във веригата се променя със стойност Следователно имаме
Нелинейността на трансформацията въвежда произведението Но при
Ако импедансът е линейно свързан с входната стойност на MET (обикновено това е изместване, т.е. тогава можете да напишете
Ако в преобразувателя действа електрическа сила и където не зависи, тогава уравнението на баланса на силите приема формата
Последните две уравнения са подобни на системата от уравнения (1) и (2) и ако тогава такъв преобразувател е еквивалентен на генератор MET и може да се нарече квазиконвертируем. За него общите забележки от раздел 2 остават в сила Преобразувател, захранван с постоянен ток, може да бъде квазиобратим само при условие, че енергията на източника на енергия се изразходва главно за създаване на електрически или. магнитно полев конвертора. Ако напрежението е малко, тогава няма пондеромоторни сигнали. Почти същият резултат се получава при захранване с променлив ток поради разликата в спектралния състав на входните и изходните величини (конверторът, който е модулатор, извършва прехвърляне на спектъра). , вижте глава 10).
Изходният сигнал на преобразувателя може да бъде ток (при или напрежение при товара (в обратния случай).
В допълнение към режима на регулатор на тока, параметричният MEC може да работи в режим на възбудител, като е част от веригата за настройка на честотата на генератор със самовъзбуждане. Измерената величина модулира честотата на генерираното напрежение. Промяната на честотата може да се използва директно като изходен сигнал или да се преобразува в друга форма (дискретна или аналогова). В този режим преобразувателят винаги е необратим.
ориз. 10. Капацитивен преобразувател: o - с променлива междина (площ); 6 - с променлива пропускливост; в - диференциал
Изходният сигнал на параметричен MET, захранван от променлив ток, трябва да бъде обект на детекция (демодулация), обикновено извършвана в оборудване за преобразуване на усилване. Тъй като този сигнал действа на фона на друг, а не носещ полезна информация, но по-силен поради факта, че изолацията му се осъществява чрез диференциални или мостови вериги.
Капацитивен преобразувател.Принципът на действие на този преобразувател се основава на зависимостта на капацитета между проводниците от взаимното им разположение, размера и свойствата на средата между тях. В най-простия случай на плосък кондензатор, неговият капацитет
къде е площта на електродите; 6 - празнина между тях; ефективна (т.е. като се вземе предвид хетерогенността на свойствата) диелектрична константа на междуелектродното пространство. възможно електрически схемикапацитивен преобразувател са показани на фиг. 10. Има два вида зависимости на капацитета от изместването x на един от електродите:
Първият от тях съответства на промяна в площта или ефективната пропускливост, вторият на промяна в празнината.
За първия вид
и за второто
По този начин уравнение (30) може да бъде написано, както следва:
където или за типове 1 и 2, съответно.
Изразът за зависи значително от електрическия режим на преобразувателя. Поради сложността на анализа като цяло, ще се ограничим до два екстремни случая при захранване от източник на постоянно напрежение.
1 Промените в капацитета се случват толкова бавно, че източникът на енергия успява да зареди капацитета почти без забавяне, поддържайки същото напрежение върху него, равно на ако няма други капацитети, свързани последователно с преобразувателя. Тогава (32) приема следната форма:
От друга страна, и тъй като е равно на или -
Тъй като зарядът върху капацитета
където е променливата част от таксата, тогава за тип 2 можем да запишем:
2. Промените в капацитета се случват толкова бързо, че зарядът върху него няма време да се промени значително и остава равен на първоначалната стойност. Следователно, напрежението върху капацитета се променя според закона токът, преминаващ през капацитета, е нула и източник на енергия е необходим по същество само за първоначалното зареждане на капацитета (игнорирайки тока на утечка). Има обаче малък ток през товара, поддържан от работата на външна сила. За зависимостта на първия тип капацитет от изместването (вижте страница 197).
тоест в допълнение към постоянната сила има допълнителна електрическа еластичност. За втория вид зависимост
Уравнение (32) се записва, както следва
вторият термин се обяснява с факта, че в началото (при) импедансът е капацитивен? а не натоварването, определя характера на началния ток.
Уравненията на преобразувателя във всички режими и техните решения са обобщени в табл. 2.
2. Уравнения на капацитивен преобразувател
(виж сканиране)
От дадените в табл. 2 израза става ясно, че във всички случаи изходният ток пряко или косвено зависи от При работа в режим на постоянно напрежение и с еластичен характер преобразувателят е диференциатор. В режим на постоянно зареждане изходният сигнал зависи от вида на товара, по-специално, ако товарът е активен, токът е пропорционален на силата. Във всеки случай обаче е невъзможно да се измерят постоянни сили или премествания от таблицата. 2 се вижда, че в един от режимите преобразувателят е квазиреверсивен.
Когато преобразувателят се захранва от източник на променливо напрежение, през него протича ток, дори ако капацитетът не се променя, и токът може да служи като мярка за капацитет при всеки закон за неговата промяна. За изчислението трябва да се използва уравнение (32), като се има предвид каква е функцията. Например, когато се захранва от напрежение със синусоидална честота, формулите в табл. 2, можете да определите амплитудата на изходния ток, ако вместо израза, преди да вземете неговия модул при Честотата, наречена носеща, изберете значително по-голяма от най-високата честота в спектъра, в зависимост от съотношението, в което преобразувателят може да работи два екстремни режима на късо съединение и празен ходВ първия от тях уравнението е в сила
а във втория
Изразите за са разделени на две части, като първата не зависи от времето, а втората пулсира с честота, те почти винаги могат да бъдат пренебрегнати (виж по-долу), преобразувателят се счита за необратим
Изчислението показва, че при правилния избор във всеки режим амплитудата на изходното напрежение на преобразувателя може да бъде пропорционална на действащата сила. Например за режим на празен ход и променлив клирънс
Следователно е необходимо да се избере така, че знаменателят да е постоянен. С еластичния характер на импеданса, това съответства на активен товар: Мостовите вериги обикновено се използват за измерване.
Най-голямата специфична сила на привличане на електродите на преобразувателя се определя от напрегнатостта на пробивното поле и за въздуха е . Ако действащата сила във всички режими е значително по-голяма от силата на електрическо взаимодействие, тогава използването на преобразувателя само при стеснява възможния диапазон на промени във входната стойност. Увеличението води до бърз растежнелинейност на трансформацията, която може да бъде намалена чрез използване на различни методи за линеаризация. Един от тях е използването на диференциални преобразуватели (фиг. 10, c), в които капацитетът се променя едновременно в различни посоки. В този случай, наред с линеаризацията и повишената чувствителност, се постига добра компенсация на влиянието външни условия. Линейността се увеличава значително, ако изходът е параметър, обратен на AC, като например промяна в капацитета. Неговата линейна връзка с x се запазва до затваряне на електродите на преобразувателя. Директната линеаризация може да бъде постигната чрез преобразуване на изходния сигнал в допълнителен микропроцесорен модул, което вече е напълно възможно дори в устройства със собствено захранване.
Ако капацитетът е включен в задвижващата верига на генератора за променливо напрежение, тогава е възможно да се измерват не токове или напрежения, а времеви параметри - честота или продължителност. В класически генератор с индуктивност периодът на трептене е пропорционален, а в резистивно-капацитивен генератор зависи линейно от C. Този метод има голяма гъвкавост, тъй като винаги можете да изберете оптималния тип изходен сигнал. Например, когато преобразувателят е свързан с променлива междина във веригата на резистивно-капацитивен генератор, честотата на трептене
Промяната в честотата е пропорционална на x и е препоръчително да се използва като изходен сигнал. Ако преобразувателят има променлива площ, тогава периодът на трептене е линейно свързан с движението
Следователно и в двата случая е възможно да се работи без горното ограничение с висока устойчивост на претоварване. Когато преобразувателят е свързан към колебателен кръг, тези свойства се губят до голяма степен, но се постига много по-голяма стабилност на параметрите на генератора. Поради това последният метод се използва широко във високочувствителни и стабилни измервателни системи. Честотният изходен преобразувател е необратим във всички случаи.
Чувствителността на капацитивния преобразувател се определя от неговите геометрични отношения, захранващото напрежение и стабилността на структурните елементи. Най-високата чувствителност се постига с променлива междина, но в същото време намалява горна границаизмервания. Следователно приложенията на преобразувателите с променлива площ и променлива междина са различни. Трансдюсери с променлива пропускливост рядко се използват в технологията за механични измервания, въпреки че има кристални вещества с голяма зависимост на пропускливостта от механично напрежение. Такива диелектрици могат да бъдат ефективни в преобразуватели на сила и налягане.
Капацитивните преобразуватели се използват при измерване на сили и величини, намалени до тях, както и премествания, особено малки и свръхмалки.
Индуктивен преобразувател.Действието на индуктивните МЕК се основава на използването на зависимостта на индуктивността на тоководеща верига или взаимната индуктивност на две свързани вериги от техния размер, форма, взаимно положение и магнитна проницаемост на средата, в която се намират. По-специално, индуктивността на намотка с магнитна сърцевина, имаща междина, зависи от дължината на последната (фиг. I).
Да приемем, че пръстеновидната междина, през която са затворени силовите линии, минаващи извън бобината, е толкова малка, че може да бъде пренебрегната. Ако се обозначава с абсолютната магнитна проницаемост на сърцевината; аз - средна дължинаелектропровод в ядрото; индуктивността на намотка без сърцевина, след това индуктивността, показана на фиг. 11 намотки, където е ефективната магнитна проницаемост, като се вземе предвид празнината;
Тази формула е вярна, когато If в допълнение към това then
по този начин
къде е индуктивността
ориз. 11. Индуктивен преобразувател: 1 - неподвижно ядро; 2 - бобина; 3 - подвижно ядро
Енергия на магнитното поле в намотка
къде е токът при Ако се ограничим до термини от 2-ри ред на малкост и вземем предвид, че тогава
Замествайки тези количества в (30), (31) и като вземем предвид, че получаваме уравненията на преобразувателя
От тези уравнения става ясно, че преобразувателят е квази-обратим с коефициент (но не), равен на
Изходен ток
Както обикновено, в предрезонансната област преобразувателят диференцира, а зад резонанса мащабира. Захранването на индуктивен преобразувател с постоянно напрежение не се практикува, тъй като, за разлика от капацитивния преобразувател, той консумира енергия, която се губи за неговото активно съпротивление. При захранване с променливо напрежение консумацията на енергия намалява и става
Възможно измерване на постоянни величини. Изходните параметри се изчисляват по същия начин, както при капацитивен преобразувател. Изводите за възможността за използване на времеви или честотни измервания и методи за линеаризация остават валидни.
Преобразувателите имат много дизайнерски разновидности. В допълнение към преобразувателите с променлива дължина на междината, които се характеризират с най-голяма чувствителност към движение на сърцевината, са известни преобразуватели с променлива площ на междината; с отворена магнитна верига (без фиксирана сърцевина); с променлива взаимна индуктивност и др. Чувствителността им е достатъчна за измерване на премествания до
Индуктивните преобразуватели се използват за измерване на преместванията и преобразуваните в тях сили и налягания.
Магнитоеластичен преобразувателсе различава от индуктивния по механизма на изменение на индуктивността. Осъществява се чрез директно въздействие върху феромагнитната сърцевина (фиг. 12). Известно е, че пропускливостта на феромагнетика зависи от механичните напрежения в материала. Ако при липса на напрежение пропускливостта е равна, тогава създаването на напрежение a го променя на Чувствителността на феромагнетика към напрежение се характеризира с коефициент, който зависи от a и полето във феромагнетика В определен диапазон на промени може да се приеме Тогава индуктивността на бобината е където Тъй като за изобразения преобразувател където е модулът на еластичност на материала на сърцевината, неговото движение горен край, височина, тогава
ориз. 12. Магнитоеластичен преобразувател: 1 - ядро; 2 - бобина
Замествайки тази стойност в (30), получаваме уравнението за изходния ток на преобразувателя. Магнитоеластичният преобразувател винаги се захранва с променливо напрежение, поради което е практически необратим. Изходният сигнал се намира с помощта на формула, подобна на (35). Тъй като стойностите на коефициента могат да достигнат няколкостотин, преобразувателят е чувствителен към ниски напрежения. Въпреки това шумът във феромагнетика и хистерезисните явления ограничават минималните измерени напрежения до стойност от порядъка на
Естествена област на приложение на магнитоеластичен преобразувател е измерването на сили и налягания. Въпреки това, той се използва по-рядко от индуктивния, главно за измерване на бавно променящи се количества с един и същ знак.
Резистивни преобразуватели.Действието на резистивните МЕК се основава на използването на зависимостта на величините, включени във формулата за електрическо съпротивление - дължината на проводника на неговото напречно сечение и специфичната електропроводимост на материала y - от механични въздействия. В най-простия случай резистивният MET е прав или спираловидно навит проводник с променлива активна дължина, определена от положението на плъзгащия контакт (фиг. 13). Такъв преобразувател се нарича реостатичен. Изобразеният преобразувател със спирална намотка не е аналогов, а дискретен със стъпка, равна на разстоянието между навивките, когато контактът се премести с x, относителното изменение на съпротивлението е равно на където I е дължината на намотката. По този начин тя може да варира от до единица, но обикновено първоначалната контактна позиция се избира в средата на намотката. Друг пример е тензодатчик - токопроводим елемент, подложен на деформация, често едноосна (фиг. 14). В този случай се променят всички величини, от които зависи съпротивлението.
За да се оценят свойствата на материала на тензодатчика, се въвежда коефициент на чувствителност към деформация, равен на Изчисляване на промените в размерите на проводника по време на деформация
дава стойността за където съотношението на Поасон е равно на Но тъй като в допълнение към това се променя плътността на материала и следователно концентрацията на носители на заряд и кристалната решетка се деформира, то се оказва значително по-голямо за металите). В полупроводниците, където има носители на заряд от два вида и механичните напрежения променят структурата на енергийните ленти и подвижността на носителите, коефициентът на чувствителност към деформация е с порядък по-висок, но зависи от вида на проводимостта, нейната стойност и ориентацията на оста на резистора спрямо кристалографските оси на материала.
ориз. 13. Реостатен преобразувател
ориз. 14. Резистивен тензодатчик
В резистивните преобразуватели влиянието на електрическата страна върху механичната страна може да бъде напълно пренебрегнато и двете могат да се считат за независими. Механичният импеданс на тензодатчика е сравнително малък и еластичен по природа; в реостатния преобразувател плъзгащият контакт е нелинеен елемент (като триене без смазване). Чувствителността на резистивните преобразуватели от двата типа, например за ток, се определя от формулите
където е коефициентът на преобразуване на деформацията на обекта в деформацията на тензодатчика. Прехвърлянето на деформация се извършва или по цялата дължина на тензодатчика, или в отделни точки. Конструкциите на тензодатчиците MEP са разнообразни. Те са направени различни формиот тел, фолио, пулверизиран филм или парче монокристал.
Чувствителността на устойчивите на деформация MEP прави възможно измерването на динамични деформации до
Реостатните преобразуватели се използват за измерване на относително големи относителни премествания, а тензорно-съпротивителните преобразуватели се използват за измерване на деформации и преобразуваните в тях величини: сили, налягания, моменти.
Преобразуватели с променливи характеристики.Специален тип параметрични MEC са преобразуватели с нелинейна характеристика на тока и напрежението, която се променя при механично въздействие върху преобразувателя. Типичен пример е мехатронен преобразувател - електрическо вакуумно устройство с подвижен електрод. На фиг. Фигура 15 схематично показва диоден мехатрон с подвижен анод. Когато анодът се движи спрямо катода, което се случва под въздействието на сила върху еластичната мембрана на диода, зависимостта на анодния ток от напрежението между електродите се променя. Това се вижда от формулата за анодния ток
където B е коефициент в зависимост от материала и температурата на катода и площта на електродите; анодно напрежение. Промяната е показана на фиг. 16, в десния квадрант на който е изобразена фамилия от характеристики при различни междуелектродни разстояния. Представянето на зависимостите под формата на графики често е единственият възможен вариант, ако няма аналитични изрази с достатъчна точност. Тъй като в диодната верига е включен товарен резистор, е изпълнено равенство, в резултат на което токът се променя в съответствие с динамичната характеристика, чиято конструкция е показана в левия квадрант на фиг. 16. Въпреки изразената нелинейност на първоначалните характеристики на тока и напрежението, динамичната характеристика е близка до правата.
ориз. 15. Диоден мехатронен преобразувател: 1 - мембрана, 2 - подвижен йод
ориз. 16. Схема за построяване на динамичните характеристики на преобразувателя
Преброявайки преместването на анода x от първоначалното разстояние 60 и го обозначавайки, можем да запишем уравненията на преобразувателя:
Следователно и двете уравнения са независими. Изходен ток на преобразувателя
Механичният импеданс на мехатрона е значителен. В областта преди резонанса, която обикновено работи за този тип MET, преобразувателят ще бъде широкомащабен.
Диодният мехатрон е най-простият сред преобразувателите с подвижни електроди. Разработени са дизайни с два анода и диференциална превключваща верига, направени както в диодни, така и в триодни вериги, с чувствителност до няколкостотин микроампера на микрометър. Поради високата си твърдост механотроните са по-подходящи за измерване на сили и налягания.
Наред с вакуумните преобразуватели са известни преобразуватели от твърдотелно състояние - полупроводникови диоди и триоди (транзистори), при които тя е функция на механичното напрежение, приложено към активната област на кристала: - преход, канал. За тези цели могат да се използват почти всички известни видове полупроводникови устройства. Ефектът тук се постига поради факта, че когато размерът на активната област се промени, концентрацията и мобилността на носителите на заряд се променят, а в полевия транзистор с изолиран затвор се появява и пиезоелектрична поляризация в изолационния слой. Полупроводниковите МЕТ от този тип имат значително по-нисък механичен импеданс от мехатрон и могат да измерват малки сили, тъй като тяхната чувствителност е висока; обаче
стабилността не е достатъчно добра. Те все още не са получили широко разпространение.
Резонаторни преобразуватели.Преобразувателите от този тип са генератори с електромеханична обратна връзка чрез честотно селективен елемент, чиито параметри зависят от въздействащото върху него въздействие (фиг. 17). Генератор с пиезоелектричен резонатор във веригата обратна връзкасе възбужда с честота, равна на къде е скоростта на разпространение на използваните звукови вълни; цяло число; I е дължината на пътя на вълната в резонатора. Ако върху резонатор действа сила, неговите размери и механични свойства, а с тях и честотата на генериране, се променят до първо приближение пропорционално на силата. По този начин преобразувателят е управляван от сила генератор с честотна модулация и е близък до капацитивните или индуктивните MEC с честотен изход, но последните използват електрически, а не механичен резонанс. Но
къде е масата на резонатора; дебелина; модул на срязване по посока
Стабилността се определя от стабилността на комбинацията от геометрични и еластични параметри в скоби. В този случай е важно да се премахнат изтичанията на енергия, генерирани в резонатора, което се постига чрез рационален избор на вида на възбудените вълни, конструкцията на резонатора и свързващите елементи.
Не е подходящо да се опишат резонаторните MEP чрез система от уравнения (1) и (2), тъй като те имат честотен изход и обратното влияние на електрическата страна върху механичната страна се определя от слаби ефекти от втория ред на малкия , и може да се пренебрегне.
Най-разпространени са резонаторните МЕП от друг вид - т. нар. вибрационно-честотни (струнни). Тяхното действие се основава на използването на факта, че естествената честота на опъната със сила струна е пропорционална на Следователно, ако отклонението на честотата от
първоначалната стойност е пропорционална на Въпреки това, твърдотелните резонатори имат добри перспективи, тъй като те имат редица предимства, по-специално по отношение на скоростта. Тяхната чувствителност позволява да се измерват сили, които причиняват напрежения от порядъка на големината, също са известни преобразуватели с чисто електрически резонатори от типа на клистрона, които обаче не надхвърлят лабораторните изследвания поради значителни оперативни неудобства. Резонаторните МЕТ се използват за измерване на сили и количества, които могат да бъдат намалени до тях.
ориз. 18. Вихровотоков преобразувател
Вихровотоков преобразувател.Действието на преобразувателите на вихров ток (или вихров ток) се основава на използването на явлението електромагнитна индукция. Ако в магнитното поле на тока има проводящо тяло, тогава при промяна на полето в него се възбуждат късосъединени (вихрови) токове, изсмукващи енергията на полето)