Глава 4 (953478), страница 3
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:
-
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).
-
По физическому принципу преобразования: пьезоэлектрические, магнитоупругие, тензометрические (омические), электродинамические, емкостные и индуктивные.
-
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).
-
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: