Глава 4 (Учебник - информационные системы), страница 4

1/R_и = 1/R_д + 1/R_к и C_и = C_д + C_к

Н агрузкой для ППДВ обычно служит усилитель заряда или напряжения с высокоомным входным сопротивлением. Его эквивалентная схема также представляется параллельным соединением резистора R_н и конденсатора C_н. Таким образом, суммарная эквивалентная измерительная схема, включающая все элементы цепи примет вид представленный на рис. 4.14а. Эквивалентные сопротивление и емкость измерительной схемы (рис. 4.14б) равны соответственно: , C_экв = С_и + С_н. Характеристики ПДДВ определяются стабильностью параметров элементов образующих схему. Поэтому, для точных измерений недопустимо заменять отдельные элементы, даже на функционально подобные. (Так, в [ ] приведен пример, показывающий, что чувст­ви­тельность датчика с С_д = 1000 пФ снижается на 11% при подключении уси­лителя с С_н = 10 пФ коаксиаль­ным кабелем длиной 1 м с С_к = 100 пФ/м). Кроме того, параметры всех элементов зависят от тем­пературы, например, сопротивление изо­ля­ции R_д уменьшается на порядок каждые 33 ^оС (рис. 4.14в).

В ПДДВ используются измерительные схе­мы как генераторного, так и параметрического типов. Наиболее известными генераторными схемами являются усилители с высокоомным входом или специальные зарядовые усилители. Параметрические измерительные цепи строятся на основе мостовых схем.

В датчиках сил и аксельрометрах чаще всего используются усилители перемен­ного тока с высоким входным сопротивлением (не менее 500 Мом) и относительно невысоким усилением  10 (рис. 4.15). Надежность схемы определяется стабильностью всех элементов, особенно конденсатора С₁. Благодаря нему все измене­ния заряда Q, вызванные действием ускорений пе­ре­даются на вход усилителя. Коэффициент преобра­зова­ния измерительной схемы равен:

,

Усилитель необходимо размещать вблизи датчика.

Зарядовый усилитель (рис. 4.16а) представ­ляет собой достаточно сложный функциональный преоб­разо­ватель «за­ряд - напряжение».

Первый блок (собственно преобразователь заряда) обычно устанавливается совместно (в одном корпусе) с ПДДВ. Последующие каскады, выполняющие функции согласования и фильтрации сигналов, могут быть отнесены от первого блока на некоторое расстояние. Эквивалентная схема зарядового усилителя представлена на рис. 4.16б. На практике для измерения квазистати­чес­ких сигналов стремятся максимально поднять постоянную вре­мени  = R_иC_у, однако при этом возрастают пироэлектри­ческие шумы датчика, а также шумы линии связи. Функция преобразования ПДДВ с зарядовым усилителем в области низких частот имеет вид:

.

Пьезоэлементы могут объединяться в измерительную схе­му не только генераторного, но и параметрического типа. За последние годы появились новые технологические приемы, позволяющие выращивать пьезоэлектрические структуры непосредственно на поверхности упругого элемента. Данные технологии, широко при­меняемые в тензометрических измерительных системах, теперь позволяют строить интегральные ПДДВ по схеме раздельного преобразования. В частности, подобные датчики силы, давления, ак­сельрометры раз­работаны фирмой «Honey­well», США (рис. 4.17). Во всех датчиках используются пьезорезистивные диффузионные ЧЭ, объединенные в мос­­товую измеритель­ную схему. Упругим элементом, на котором расположены четыре ЧЭ, служит кремниевая диафрагма. С целью с нижения погрешности предусмотрены меры по компенсации смещения нуля и изменения температурной чувствительности. Для этого используются внешние навесные элементы, а питание датчиков осуществляется от источника тока. На рис. 4.17 представлен пример включения датчика усилий серии FS с регулировкой смещения нуля и чувствительности. Интегральная измерительная цепь содержит усилитель с буферными каскадами (разд. 2.3). Выходной сигнал ПДДВ определяется выражением: U_вых = (U₂ – U₄) (1+2R/R₁) + U_см.

В завершение приведем характеристики некоторых моделей ПДДВ (табл. 4.5).

Таблица 4.5. Примеры промышленных ПДДВ

Примечание.

1. Модели K 9077 и К9233 разработаны фир­мой Kis­t­ler, Германия, FSG15N1 -фирмой Honey­well.

2. ^* Погрешности датчиков K 9077, К 9233: 1% - линейность, в скобках - гистерезис, 3% - перекрестные влияния.

3. 1 мСт (microstrain, ) единица применяемая фир­мой Kis­t­ler для обозначения относительного удлинения 1 = 10^-6 м/м.

ПДДВ в измерительных системах используются чрезвычайно широко. Их достоинства: высокая механическая жесткость, широкий диапазон измерения (для сил 10^-1 Н ... 10⁶ Н), малые габариты и вес, а также стабильность характеристик сделали их основой большинства силоизмерительных установок. Некоторые модели стали базовыми. Такой моделью, в частности, явился датчик силы фирмы Hellwett-Pac­kard с двумя пластинами толщиной 1 мм. При механическом напряжении   15 кг/мм² его деформация составляет всего  2 10^-3 мкм. Однако, ПДДВ не лишены и недостатков. В первую очередь, это зависимость точности измерения от частоты входного сигнала и чувствительность к загрязнению, температуре и влажности.

4.2.2. Магнитоупругие датчики

Магнитоупругие ДДВ (МДДВ) пред­на­значены для измерения динамических факторов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и энергии механических колебаний. МДДВ используются в тех же задачах, что и ПДДВ, и также включаются в генераторные и параметрические измерительные схемы.

В основе работы МДДВ лежит явление магнитоупругости (обнаружено в 1865 году Э. Виллари), основанное на изменении намагниченности сер­дечника из ферро- и ферримагнетика при деформации. Обрат­ный по отношению к магнитоупругости эффект - магнитострикция, заключаю­щий­ся в изменении размеров и формы сердечника при намагничивании был открыт Дж. П. Джоулем в 1842 году.

Магнитоупругий эффект по своему проявлению во многом подобен пьезоэффекту (эти системы рас­смат­рива­ют­ся как дуальные цепи). В то же вре­мя, использование МДДВ позволяет получить существенно большую номинальную измерительную мощность (на несколько поряд­ков). В отличии от пьезоэлектрических ДДВ (типа кварца), обладающих линейными электрическими свойствами, магнитоупругие матери­алы ферромагнитны, т.е. являются нелиней­ными и по сво­им характеристикам сравнимыми с сегнетоэлектриками. Поэто­му, изменение электрических и магнитных свойств этих материалов при механическом воздействии наиболее просто описывается кривой гистерезиса (D и В - вектора поляризации и индукции, соответственно, рис. 4.18). Действие механических напряжений  в ферромагнетике деформирует его кривую намаг­ничен­нос­ти (за счет изменения магнитной про­ницаемости  и взаимной или остаточной индук­ции В_ост). Различают линейную и объемную магнитоупругость (рис. 4.19б, в). В первом случае, величина относите­льной линейной деформации составляет 10^-2... 10^-6, во втором - величина относительной объемной деформации V/V достигает 10^-5 (для инварных сплавов).

В качестве материала для упруго-чув­стви­тель­ных элементов МДДВ пригоден любой ферромагнитный материал, со значительной магнитострикцией насыщения. Чаще всего используются тран­сфор­маторные стали (железо-кремние­вые сплавы), отличающиеся низкой стои­мос­тью, но и невысокой чувствительностью, пермаллои (тер­мо­обрабо­тан­ные железо-нике­ле­вые спла­вы), наоборот, обладающие высокой чувствительностью, но и высокой стои­мос­тью; а также специальные магнитоупругие материалы. К ним относятся железо-алюминиевые сплавы, имею­щие такую же чувствительность, но в пять раз большее удельное сопротивление, чем пермаллой. (Это обеспечивает гораздо более глубокое проникновение магнитного поля, и лучшие характеристики датчика).

Рассмотрим сущность магнитоупругого эффекта. Ферромагнитные (в технических устрой­с­твах обы­чно поликристаллические) мате­ри­алы состоят из боль­шого числа доменов размером 0,1 ... 10 мкм, внутри кото­рых из-за обменных сил происходит упоря­дочение элементарных магнитов. Решающее влияние на магнитную характеристику оказывают направления векторов самопроизвольного намагничивания в отдельных доменах. При отсутствии упругих напряжений и внешних магнитных полей, эти векторы ориентируются параллельно или антипараллельно осям легкого намагничивания (рис. 4.19а). Такими осями, например, у железа являются ребра кубической ячейки кристаллической решетки, т.е. кристаллографические направления 100, у никеля - диагонали кубической ячейки - направления 111. Состояние равновесия домена нарушается, при возникновении внешнего магнитного поля H, внутренних или внешних напряжений . Однако, через некоторое время в материале будет достигнуто новое состояние равновесия самопроизвольной намагниченности. Это состояние характеризуется минимумом магнитная энергия в каждом элемен­те объема. Таким образом, магнитоупругий эффект удовлетворяет условию: E_H + E_ + E_m  min, где E_H, E_, E_m - энергия внешнего магнитного поля, механическая энергия деформации и энергия магнитоупругой анизотропии, соответственно.

Данное условие выполняется благодаря смещению границ доменов и повороту их векторов намагниченности: неблагоприятные с энергетиче­ской точки зре­ния зоны умень­шаются, а зоны, имеющие минимальную энергию, увеличиваются. (Незначи­тель­ные смещения границ доменов обратимы, а сравнительно большие - необратимы).

Основой МДДВ является совмещенный упруго-чувствительный элемент в виде катушки с сердечником (из никеля или пермаллоя).

По принципу преобразования различают МДДВ двух типов: генераторные и параметрические.

Г енераторный МДДВ (рис.4.20) подобен ПДДВ с сегнетоэле­ктриком. Под действием измеряемого механического напряжения (например, сжатия d < 0) индукция B_ост, наведенная в сердечнике - постоянном магните, изменяется. Величина этого изменения dB_ост/d характеризует чувствительность материала и составляет  1,5 10^-9 (Вб м²)/(Н м²).

В свою очередь, вариации потока индукции наводят в выходной обмотке ЭДС, пропорциональную dB_ост/dt. Таким образом, функцию преобразования МДДВ можно представить приближенным выражением: