Глава 4 (953478), страница 3

Файл №953478 Глава 4 (Учебник - информационные системы) 3 страницаГлава 4 (953478) страница 32013-09-22СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Датчики этого типа весьма распространены в различных системах контроля и диагностики. Практически нет такой области техники, где в процессе измерения не использовались бы методы пре­образования динамических параметров. Характерными задачами являются контроль параметров натяжения всевозможных лент и полос в бумажной промышленности и металлургии, измерение сил на валках клетей прокатных станов, предохранение от перегрузок в подъемных механизмах и транспортных средствах, наконец, контроль весовых и инерционных характеристик различных объектов. Использование ДДВ в системах управления и робототехнике позволяет регулировать момент на валу привода или ускорение выходного вала и реализовывать сложные законы управления звеньями исполнительного механизма.

ДДВ классифицируются по четырем основным признакам:

  1. По назначению: датчики систем управления (к ним относятся измерители момента/силы на валу, давления в магистрали и акселерометры) и датчики контроля (в основном контроля технологических параметров и параметров безопасности).

  2. По физическому принципу преобразования: пьезоэлектрические, магнитоупругие, тензометрические (омические), электродинамические, емкостные и индуктивные.

  3. По способу создания противодействующей силы: датчики совмещенного преобразования (содержат электрически активный упругий преобразователь, реакция которого создается упруго-чув­ствительным элемен­том), датчики раздельного преобразования (включают электрически неактивный упругий преобразователь) и датчики с силовым уравновешиванием (си­ла реакция создается электрическими способами).

  1. По виду выходной величины: генераторные («активные», выходной сиг­нал имеет форму заряда, напряжения или тока) и параметрические («пассивные», с выходным сигналом в виде изменения сопротивления, индуктивности и емкости).

Придерживаясь указанной классификации, рассмотрим способы построении ДДВ, основанных на наиболее известных принципах преобразования: пьезоэлектрических, магнитоупругих, емкостных и индуктивных.

4.2.1. Пьезоэлектрические датчики

П ьезоэлектрические датчики динамиче­ских величин (ПДДВ) представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую (и наоборот). Основу ПДДВ составляют один или несколько пьезоэлектрических ЧЭ - пьезоэлементов, электрически и механически связанных между собой в измерительную схему. Ка­ждый пьезоэлемент выполнен в виде кварцевой или керамиче­ской пла­стины и является генераторным упруго-чув­ст­вительным преобразователем, способным накапливать электрическую энергию. Поэтому, при построении измерительных цепей широко применяются схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэлементов. При последовательном соединении (рис. 4.9а) увеличивается напряжение в цепи, а суммарная емкость уменьшается соответственно числу ЧЭ, а при параллельном (рис. 4.9б) увеличиваются и накопленный заряд и емкость. Такая схема подобна зарядовой батарее. В электрическом смысле пьезоэлемент подобен конденсатору, и, следовательно, он измеряет переменные внешние воздействия. В то же время, применением специальных схем (зарядовых усилителей и др.) можно существенно снизить граничные частоты (до 10-3 Гц) и повысить тем самым постоянную времени до нескольких часов. Измерения в этом случае получили название квазистатических. Таким образом, функция преобразования ПДДВ примет вид: F = k i = k dQ/dt. В простых расчетах полагают F kU, где F - измеряемый параметр (например, сила), i и Q - ток через пьезоэлемент и его заряд.

О братимый характер пьезоэффекта позволяет конструировать не только электромеханические и механоэлектрические ПДДП, но и преобразователи, использующие оба типа пьезоэффекта. Так, ПДДВ прямого пьезоэффекта применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения; ПДДВ обратного пьезоэффекта, используются в качестве излучателей ульт­развуковых колебаний, преобразовате­лей напряжения в дефор­ма­цию (в пье­зо­элек­три­ческих реле, исполнительных эле­мен­тах автоматических систем и т.д.). ПДДВ, основанные одновременно на прямом и обратном пьезоэффекте (к ним относятся пьезорезонаторы, коэффициент преобразования которых мак­симален на резонансной частоте) применя­ются в качестве узкополос­ных и резонансных фильтров.

В большинстве случаев при пост­ро­ении ПДДВ используется несколько ЧЭ в виде кварцевых дисков, ори­ен­тированных вдоль одной или нескольких осей де­кар­товой системы координат и соединенных таким об­ра­зом, чтобы выходной сигнал каждого был максимальным (рис. 4.10). Так, для датчиков силы, верхняя граница измеряемого уси­­­лия определяется площадью нагружаемой поверхности и для промышленных образцов составляет (2 …. 200) кН. Чувствительность такого диска зависит от типа пьезоэффекта и определяется значениями пьезоэлектрических коэффициентов dij. В частности (как отмечалось в разд. 2.1.5), матрица п ьезомодулей кварца содержит только 5 коэффициентов и чувствительность пьезоэлемента Х-среза к растяжению-сжатию (при отсутствии паразитных боковых воздействий) проявляется через коэффи­­циент d11. Аналогично, пьезоэлемент Y-среза чувствителен к сдвигу (коэффициент d26). Следовательно, применяя ЧЭ разных срезов можно построить многокомпонентный датчик силы. Метрологические характеристики ПДДВ, как правило, очень высокие. Для них характерна высокая линейность (вследствие высокой жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.

Простейший ПДДВ представляет собой совокупность кварцевых или пье­зокерамических пластин (рис. 4.11а) или колец, установленных соосно. (Обычно вместо дисков используются кольца). Каждое кольцо ПДДВ, представляющее со­бой совме­щенный упруго-чувстви­тель­ный эле­мент X-среза, ра­ботает на продольном пьезо­эф­фекте (как известно, в этом случае плотность заряда не зависит от геометрических размеров кольца). Одна из на­иболее известных конструкций ПДДВ этого типа была разработана фирмой Hellwett-Pac­kard. Датчик состоял из двух колец, включенных последовательно относи­тель­но силы и параллельно электрически (такое соединение получило название кон­ден­са­торного). Верхний предел измерения составлял  1000 кН при диаметре датчика равном 10 см. Соединяя два таких датчика можно увеличить чувствительность конструкции, правда, с потерей жесткости.

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:

Характеристики

Тип файла
Документ
Размер
1,73 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6508
Авторов
на СтудИзбе
302
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее