Глава 4 (Учебник в электронном виде), страница 3
Описание файла
Файл "Глава 4" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 4"
Текст 3 страницы из документа "Глава 4"
П ромышленностью выпускаются различные пьезокерамические материалы, позволяющие конструировать высокочувствительные датчики. Так, серийные пьезокерамические диски из материала ЦТС-19 имеют крутизну ku 1 ... 5 В/Н.
Существенный недостаток простых конструкций связан с эффектом стекания заряда, вызывающим постепенное уменьшение сигнала при статических измерениях. Этот эффект приводит к невозможности использования таких схем при длительных измерениях. (Как уже отмечалось, постоянная времени ПДДВ = 103 сек, при типичной емкости датчика Cд 100 пФ и суммарном сопротивлении изоляции Rиз 1013 Ом). Следовательно, нижняя частотная граница измеряемого сигнала составит fн = н /2 = 1,6 10-4 Гц. Поэтому, при статических измерениях уже через 10 с погрешность превысит 0,1%.
Для устранения эффекта стекания заряда ПДДВ строят по схеме пьезоэлектрического трансформатора переменного тока, работающие, в зависимости от резонансной частоты, в диапазонах от 20 Гц до 200 кГц. Одна из первых конструкций поперечно-продольного повышающего пьезотрансформатора, предложенная С.А. Розеном приведена на рис. 4.11б. Устройство состоит из двух секций -входной и выходной. Направления поляризации показаны стрелками. Коэффициент трансформации подобных систем, включенных в режиме Т-образного четырехполюсника, достигает 1000 единиц и более. На рис. 4.12 представлена схема использования трансформаторного ПДДВ в качестве датчика статической силы. Особенностью конструкции является использование трех обкладок, одной общей для входной и выходной цепи и двух изолированных. Переменное напряжение Uи подзаряжает датчик, при этом уровень выходного сигнала Uи пропорционален величине измеряемой силы.В последние годы в информационных системах все чаще применяются резонаторные ПДДВ, в том числе, основанные на эффекте возбуждения поверхностных акустических волн. Резонаторные датчики выполняются в виде двухполюсника, объединяющего систему электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала. Если частота приложенного напряжения совпадает с одной из собственных механических частот датчика, то возникнет резонанс, сопровождающийся резким уменьшением полного сопротивления Z и у величением тока через резонатор. Спектр колебаний определяется размером, конструкцией и упругими свойствами материала. Резонансные свойства ПДДВ зависят от его добротности Q = 2 fр Lэ/Rд, где fр - резонансная частота, Lэ и Rд - соответственно эквивалентная индуктивность резонатора и его динамическое активное сопротивление. Наивысшей добротностью Q = 107 обладают кварцевые резонаторы (для сравнения Q колебательного контура = 102, Q пьезокерамического резонатора = 103). Полное сопротивление принимает два экстремальных значения на частотах fр и fа, называемые частотами резонанса и антирезонанса.
Резонаторные ПДДВ обычно включаются в измерительные схемы, использующие частотную или временную модуляцию сигналов.
П ри расчете ПДДВ и выбора компонентов измерительной цепи широко используются эквивалентные схемы, учитывающие особенности работы прибора. Простая схема включения ПДДВ предполагает использование следующих электрических компонентов: собственно пьезоэлемента, обладающего некоторым импедансом, обкладок, подводящих проводов, а также последующего усилителя сигнала. Как отмечалось в разд. 1.1 ПДДВ относится к датчикам второго порядка, и, следовательно, его свойства зависят от рабочей частоты. Поэтому, и эквивалентная схема ПДДВ имеет разный вид на разных рабочих частотах. (Действительно, такие параметры, как сопротивление утечки, изоляции и т.д. зависят от используемого диапазона частот). Наибольшее распространение получила эквивалентная схема Тевенина (рис. 4.13б), и ее упрощенный вариант (рис.4.13в), составленный в предположении, что сопротивление изоляции пьезоматериала достаточно велико. Заметим, что импеданс ПДДВ на малых частотах в основном определяется активной составляющей сопротивления изоляции, в то время как на средних и высоких частотах проявляются реактивные составляющие. На рис. 4.13 обозначено: Rд - сопротивление изоляции (оно соответствует импедансу датчика на малых частотах), Cд - импеданс датчика на средних и высоких частотах, Rк, Cк - сопротивление и емкость коаксиального кабеля. Сопротивление и емкость изоляции Rи, Cи определяются зависимостями:
1/Rи = 1/Rд + 1/Rк и Cи = Cд + Cк
Н агрузкой для ППДВ обычно служит усилитель заряда или напряжения с высокоомным входным сопротивлением. Его эквивалентная схема также представляется параллельным соединением резистора Rн и конденсатора Cн. 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: , Cэкв = Си + Сн. 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 Сд = 1000 пФ снижается на 11% при подключении усилителя с Сн = 10 пФ коаксиальным кабелем длиной 1 м с Ск = 100 пФ/м). Кроме того, параметры всех элементов зависят от температуры, например, сопротивление изоляции Rд 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 = RиCу, 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: Uвых = (U2 – U4) (1+2R/R1) + Uсм.
В завершение приведем характеристики некоторых моделей ПДДВ (табл. 4.5).
Таблица 4.5. Примеры промышленных ПДДВ
Модель | Измеряемый параметр | Диапазон | S | , % | Размеры, мм | m, кг |
ДХП 096 | Звуковое давление | 0 ... 80 кГц | 4мкВ/Па | 2 | 425 | 0,005 |
ДПС 003 | Динамическое давление | 0 ... 5 106 Па (f до 25 кГц) | 1 10-4 мВ/Па | 10 | 2755 | 0,25 |
АЛО 034 | Ускорение | 0 ... 6 м/с2 | 1 В/м/с2 | 1 | 464647 | 0,4 |
Вибрации | 0 ... 1000 g | 10 мВ/g | 2025 | 0,005 | ||
K 9077 | Усилия (Fx, Fy, Fz) | 0 ... 88 кН (Fx, Fy) 0 ... 200 кН (Fz) | 3,7 пКл/Н (Fx,Fy) 2 пКл/Н (Fz) | 1 (1) 3* | 10025 | 0,9 |
FSG15N1 | Усилие | 15 Н | 0,24 мВ/г | 1,5 | 12,789 | 0,1 |
К 9233 | Деформация | 0 ... 300 мСт | 6 пКл/мСт | 1 (2) | 304054 | 0,21 |
Примечание.
-
Модели K 9077 и К9233 разработаны фирмой Kistler, Германия, FSG15N1 -фирмой Honeywell.
-
* Погрешности датчиков K 9077, К 9233: 1% - линейность, в скобках - гистерезис, 3% - перекрестные влияния.
-
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.