Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Рис. 4.13. Пьезоэлектрический датчик давления Эта чувствительность зависит от материала кристалла и его ориентации, но не зависит от размеров кристалла. Чувствительность по напряжению S V , по определению, равна F V S V = и, поскольку для конденсатора справедливо равенство CV Q = , находим V q CS S = , (4.21) где С – электрическая емкость датчика. Очевидно, что чувствительность пьезоэлектрического датчика по напряжению зависит от его размеров. Некоторые типичные характеристики реального пьезоэлектрического датчика давления таковы: материал – кварц; диапазон измерения 0…5000 Н/см 2 ; нелинейность 1 %; чувствительность по заряду 3 пКл ⋅ см 2 /Н; температурный коэффициент чувствительности 10 –3 К –1 ; емкость 8 пФ; резонансная частота 20 кГц; сопротивление утечки 10 12 Ом. Характеристики пьезоэлемента, значения коэффициентов, связывающих электрические и механические параметры, зависят от типа кристалла, размеров пластины и ориентации ее граней относительно кристаллографических осей (от типа среза). Основные типы пьезодатчиков следующие [7]: 1. Пьезодатчик, выполненный из пластин, характеризующихся коэффициентами с одинаковыми индексами, т.е. векторы электрического поля и механического напряжения (сжатия или растяжения) совпадают. Преобразователи с такими пластинами приведены на рис. 4.14. 2. Датчик с продольной деформацией пластин (рис. 4.15). 3. Пьeзoдaтчики с биморфными системами, представляющими собой две склеенные и определенным образом ориентированные пластины. Рис. 4.14. Схемы пьезодатчиков с поперечным сжатием пьезопластин: 1 – кристалл; 2 – обкладка Рис. 4.17. Схема пьезоэлектрического датчика типа ДТ(П) Рис. 4.15. Пьезодатчик с продольным сжатием пластин Рис. 4.16. Схемы биморфных пьезодатчиков: а – с деформацией изгиба; б – с деформацией кручения; 1 – пластина; 2 – корпус; 3 – поворотный рычаг В зависимости от вида среза биморфные системы реагируют на изгиб или на кручение (рис. 4.16). Пьезоэлектрические элементы широко применяются как генераторы и приемники звуковых колебаний. Для этой цели используются, как правило, одиночные пластины, возбуждаемые по толщине. На рисунке 4.17 показана схема пьезокварцевого датчика силы типа ДТ(П). Действие датчика основано на преобразовании силы сжатия пьезокристалла в изменение электрических зарядов на его гранях. Кварцевые пьезокристаллы 1 помещены в упругом стальном корпусе 2. Датчик работает совместно с усилителями типов ПИ-5Б или УПИТ. Технические данные Диапазон изменения сил, кГ ………………………… 0…20 000 Нелинейность статической характеристики, % ……. 1…3 Допустимая рабочая температура, °С ………………. 100 Частота собственных колебаний, кГц ………………. до 30 Частотный диапазон, Гц ……………………………… 0,1…2500 Габаритные размеры, мм …………………………….. 0,80 × 120 Датчик предназначен для измерения сил между элементами конструкций или силы тяги авиадвигателей. 4.2.5. ДАТЧИКИ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ Механические колебательные системы, как правило, обладают очень высокой добротностью ( Q = 10 3 …10 4 ), что позволяет получить высокую точность преобразования. Частота собственных колебаний системы с сосредоточенными параметрами m K f π = 2 1 . (4.22) Воздействовать на величину частоты можно, изменяя жесткость K или массу т. Датчики с изменяющейся массой практически не используются. Жесткость характеризуется силой, пропорциональной отклонению массы от нейтрального положения и направленной в сторону, противоположную отклонению. Эта сила может быть создана упругими элементами, на которых закреплена масса, или же приложена к массе извне, как, например, в маятнике, где жесткость создается за счет силы тяжести. Для изменения жесткости в первом случае требуется изме- нить размеры, форму или свойства упругих элементов, во втором случае – величину внешних сил. На практике используются оба метода. На рисунке 4.18 приведены структурные схемы возбуждения колебаний в датчиках с механической колебательной системой. Схемы, показанные на рис. 4.18, а и б, предназначены для работы в режиме запрос – ответ. Первая схема содержит два преобразователя: преобразователь П 1 для сигнала запроса F = F (I 1 ) и выходной преобразователь П 2 V = V (v), где F – сила, прикладываемая к массе; v – скорость движения тела при колебаниях; V – выходная ЭДС. Вторая схема содержит один обратимый преобразователь, выполняющий обе функции. Схемы, приведенные на рис. 4.18, в и г, обеспечивают непрерывную генерацию колебаний. Широкое распространение в промышленности, особенно в последние годы, получили струйные датчики силы и перемещений. Собственная частота колебаний натянутой струны определяется выражением 1 2 3 F F F a) б) F 2 1 t t b l Рис. 4.18. Схемы электромеханических датчиков с колебательными системами: а и б – схемы датчиков, выдающих сигнал по запросу; в и г – датчики-генераторы s F l n l F l n f ρ = ρ = 2 2 , (4.23) где l – длина струны, м; F – сила натяжения, Н; ρ 1 – линейная плотность струны, кг/м; ρ 2 – объемная плотность материала струны, кг/м 3 ; п – номер гармоники (обычно n = 1); s – сечение струны. Формула выведена из предположения, что жесткость создается только за счет внешней растягивающей силы. Это имеет место при 300 ≥ d l . Изменение частоты колебаний струны может быть осуществлено за счет изменения ее длины l или, что более удобно, изменением силы ее натяга F. Таким образом, растягиваемый отрезок струны, снабженный электромеханическим преобразователем, представляет собой датчик усилий с частотным выходом. Удлинение струны при растяжении равно ЕS Fl l = ∆ , (4.24) где Е – модуль упругости, н/м 2 Это соотношение позволяет использовать струнный датчик для контроля малых перемещений в пределах величины ∆l. Струна делается круглого или плоского сечения. При малых натяжениях ( 20 15 / = = σ S f кг/мм 2 ) колебания струны становятся неустойчивыми. Энергия, затрачиваемая на изменение длины струны: ES l F l F W 2 2 2 = ∆ = . (4.25) Частота колебаний струны в зависимостиот приложенной энергии определяется по формуле 4 2 8 1 l S EW l f ρ = . (4.26) В зависимости от материала струны выбирают тот или иной метод возбуждения колебаний. Для немагнитных струн, например, используют магнитоэлектрический метод (рис. 4.19, а и б), при котором ток возбуждения подается в струну, расположенную между полюсами постоянного магнита. Выходная ЭДС снимается с той же струны. При необходимости получения незатухающих колебаний датчик включают в схему (рис. 4.18, г). Для магнитных струн применяют электромагнитный метод возбуждения колебаний (рис. 4.20). Непрерывные колебания получают по схеме, представленной на рис. 4.18, в. Рис. 4.19. Способы возбуждения колебаний немагнитных струн: а – на первой гармонике; б – на второй гармонике; 1 – струна; 2 – полюса постоянного магнита Рис. 4.20. Способы возбуждения колебаний стальных струн: а – со струей, втягивающейся в зазор; б, в – со струной, притягивающейся к полюсу электромагнита; 1 – струна; 2 – магнитная система Разработаны различные способы закрепления концов струны. Точность струнного датчика существенно зависит от режима его работы: при измерении усилий, когда жесткость струны значительно выше приведенной жесткости присоединенной к ней системы, погрешности минимальны. Так, температурная зависимость частоты колебаний численно равна температурному коэффициенту удлинения, т.е. (4…18) ⋅ 10 –4 % / °С. Все другие причины изменения длины струны (вытягивание из зажимов, ползучесть материала, упругое последействие) вызывают погрешность f f ∆ , равную l l ∆ − При измерении малых перемещений струна заделывается в жесткую конструкцию, а температурная погрешность определяется выражением ( ) 0 с с о l t l f f ∆ ∆ α − α ≅ ∆ , (4.27) где с о α и с α – температурные коэффициенты удлинения основания и струны; 0 l ∆ – максимальное рабочее удлинение струны, вызванное измеряемым усилием. Так, например, для вольфрамовой струны длиной 50 мм на стальном основании при 100 0 = ∆l мк температурная погрешность составляет 3,4 % на 10 °С. Все факторы, вызывающие изменение длины струны на ∆l, приводят к появлению погрешности, равной 0 l l f f ∆ ∆ = ∆ , поэтому струнные датчики перемещения должны быть снабжены особо надежными зажимами струны, а последние подвергнуты старению (выдержаны при 200 °С в течение 4 ч). Существенным недостатком струнных датчиков простейшего исполнения является нелинейность характеристики F k f = . Это создает трудности при изготовлении датчиков с унифицированными выходными сигналами, при проектировании вторичных устройств, рассчитанных на работу со струнными датчиками, усложняет операцию интегрирования величин путем счета числа периодов. Простым методом повышения точности является создание предварительного натяга струн с помощью высокостабильных пружин. Измеряемая сила, направленная перпендикулярно силе пружины, вызывает перераспределение натяжений струн [9]. Разностная частота 0 0 2 1 2 tg f F F f f f α = − = , (4.28) где f 0 – частота при F = 0. Струнный датчик изображен на рис. 4.21. Две струны датчика расположены под достаточно малым углом и натянуты пружиной. Входной величиной является перемещение x конца одной из струн, приводящее к перераспределению сил натяжения струн, уравновешивающих действие пружины. Преимуществом этой конструкции является практически полная независимость характеристики от температуры при измерении малых перемещений, а также простота съема сигнала (достаточно только одной магнитной системы). Рис. 4.21. Дифференциальные датчики с пружинным натягом струн Разработан дифференциальный струнный датчик, в котором частота колебаний струн изменяется за счет изменения поперечной жесткости струн [10]. В качестве последних использованы две скрученных вдоль продольной оси ленточки. Частота их колебаний зависит от угла закручивания. При использовании дифференциальной схемы разностная частота двух скрученных струн, одна из которых дополнительно закручивается, другая – раскручивается, изменяется по закону, близкому к линейному. Примером датчика, в котором входное перемещение изменяет конфигурацию колеблющейся системы, а следовательно, ее жесткость, является пластинчатый датчик перемещений, разработанный в Институте автоматики и телемеханики [11]. Схема такого датчика приведена на рис. 4.22. Колеблющимся элементом является ферромагнитный якорь, укрепленный на консоли, составленной из двух плоских пружин. Входное перемещение изменяет расстояние между точками закрепления пружин и этим меняет их жесткость. Электромагнитный преобразователь позволяет возбуждать колебания системы и снимать выходной сигнал (см. схемы на рис. 4.18). Приближенный расчет дает следующее соотношение между частотой f и расстоянием х между пластинами в месте их закрепления: δ δ + + ρ π = 2 3 пр 1 2 2 1 x L M Eb f , (4.29) где Е – модуль упругости, н/м 2 ; М пр – приведенная масса, кг; δ, b и L – размеры пластины, м. На рисунке 4.23 показан частотный датчик силы, разработанный НИКИМП [7]. Рис. 4.22. Пластинчатый датчик перемещений: 1 – основание; 2 – упругие пластины; 3 – рычаг; 4 – пружина (ось вращения); 5 – электромеханический преобразователь Колеблющимся элементом датчика является перемычка, составляющая одно целое с упругим стальным кольцом. При сжатии кольца пластина, расположенная по его диаметру, растягивается; это меняет частоту ее колебаний f 1 . Для возбуждения применяют два электромагнитных преобразователя и усилитель (см. рис. 4.18, в). Упругость перемычки (рис. 4.23) создается за счет поперечной жесткости и продольного растяжения. Оба эти фактора в данной конструкции определяются модулем упругости материала и поэтому зависят от температуры (температурный коэффициент E a ). Для компенсации температурного влияния применяют дополнительную консольную пластину, которую включают в схему самостоятельного генератора. Во вторичном приборе предусматривается логометрический преобразователь, выдающий отношение 2 1 f f . Частота f 1 определяется соотношением ( ) bh Nl EJ g l f γ − π = 2 2 2 1 12 504 2 1 , (4.30) где l – длина перемычки; J 2 – момент инерции перемычки = 12 3 2 bh J ; b – ширина перемычки; h – толщина перемычки; γ – удельный вес материала; N – усилие растяжения перемычки; + = s l J R J FR N 1 3 1 3 149 , 0 137 , 0 , (4.31) где R – средний радиус кольца; F – сила нагружения; J 1 – момент инерции сечения кольца; s – площадь поперечного сечения перемычки. Стабильность характеристики датчика достаточно высокая, что объясняется отсутствием разъемных соединений; сварки или клепки в деталях основной конструкции. Точность выполненных образцов составляет 0,1 %. Рис. 4.24. Принципиальная схема датчика ДВ-5 Рис. 4.23. Частотный датчик усилий: 1 – упругое кольцо; 2 и 3 – вибрирующие пластины (рабочая и компенсационная); 4 – электромеханические преобразователи Известны датчики силы, в которых колебательной системой является кварцевая пластина, включенная в схему генератора. При приложении силы в 3,2 кг кварцевая пластина размером 0,278 × 12,7 × 12,7 мм меняет свою частоту на 2 кГц при начальной частоте 6,3 МГц. Схема частотного датчика силы (вибрационный динамометр) ДВ-5 показана на рис. 4.24. Действие датчика основано на преобразовании силы F, приложенной к упругому кольцу 1, в изменение собственной частоты поперечных колебаний перемычки 2. Упругое кольцо 1 и перемычка 2 выполнены за одно целое. Для возбуждения и съема колебаний служит система, состоящая из двух электромагнитов 6 и 7, включенных на вход и на выход усилителя. Стержень 3 служит для температурной компенсации и имеет аналогичную систему возбуждения и съема сигнала (электромагниты 5 и 4). 4.2.6. ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ СМЕЩЕНИЯ Смещение можно обнаружить также оптически с помощью кодирующей ленты (при поступательном движении) или поворотного кодера (при вращении). На рисунке 4.25, а показан оптический датчик смещения, в котором применена кодирующая лента, на которой в несколько рядов чередуются прозрачные и непрозрачные участки [7]. Положение ленты преобразуется непосредственно в цифровой сигнал узким лучом света и рядом световых датчиков. Цифровой код определяется расположением прозрачных и непрозрачных полос на ленте. Необходимо отметить, что обычно код, используемый в оптическом преобразователе – не простой двоичный код, как показано на рис. 4.25, а. Основной недостаток простого двоичного кода состоит в том, что даже при совсем небольшом смещении могут измениться сразу несколько битов. Из-за конечной разрешающей способности системы оптического обнаружения может возникнуть ситуация, при которой только часть (но еще не все) биты изменились. Это (переходное) состояние может соответствовать совершенно другому положению кодирующей ленты. Поэтому обычно выбирается код, в котором одновременно изменяется не более одного бита, например, код Грея. Рис. 4.25. Оптический датчик смещения с кодирующей лентой: а – схема датчика; б – использование муарового изображения Датчики смещения, в которых применяются поворотный или ленточный кодеры, имеют фиксированное положение нуля, поэтому они относятся к абсолютным датчикам смещения. Особенно удобны эти датчики для цифрового управления перемещением при подключении к компьютеру. В качестве альтернативы методу кодирования абсолютного положения по отношению к ленте можно использовать также единственную дорожку чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Тогда изменение положения можно определить, подсчитывая число импульсов света. Этот метод не имеет фиксированного положения нуля и поэтому измеряет приращение смещения. В основе измерения лежит измерение интервала. Здесь разрешающая способность определяется наименьшим различимым расстоянием между двумя смежными линиями решетки. Это расстояние ограничено световым датчиком и составляет обычно только 1 мм. Если желательно более высокое разрешение, можно воспользоваться муаровым изображением, как это показано на рис. 4.25, б. Дополнительная решетка помещается перед основной измерительной решеткой под небольшим углом, что создает картину светлых и темных полос, передвигающихся вертикально, когда измерительная решетка перемещается горизонтально. Когда решетка перемещается на расстояние, равное расстоянию между двумя линиями решетки, лучи будут перемещаться на расстояние, точно равное их собственной ширине. Расстояние между лучами и ширина лучей определяются углом между передней решеткой и измерительной решеткой. Когда датчик света помещается позади этой конструкции, создается впечатление, будто расстояние между линиями решетки увеличилось. При использовании такого метода можно получить увеличение чувствительности к смещению в 10 3 раз. Разрешающая способность составляет величину порядка 1 мкм. При использовании призм и других оптических средств эту величину можно увеличить еще больше. Следующим шагом (по сравнению с одноэлементными приборами) в увеличении степени интеграции оптоэлектронных приборов являются оптроны, которые сочетают в себе 2 основных элемента оптоэлектроники – излучатель и фотоприемник, разделенные прозрачной диэлектрической средой. Оптроны открывают широкие возможности для схемного проектирования, недостижимые с использованием обычных микроэлектронных средств. В простейшем случае в качестве излучателя может использоваться лампочка накаливания или неоновая лампочка, а в качестве диэлектрической среды – воздух, стекло, пластмасса, волоконно-оптический световод. Однако в силу ряда причин наибольший интерес представляют оптроны с использованием светоизлучающих кристаллов и различных типов фотоприемников. Анализ выпускаемой крупнейшими зарубежными оптоэлектронными фирмами продукции [12] показывает, что в настоящее время предложен достаточно широкий класс сенсорных устройств, построенных в оптронной геометрии с открытым каналом, для систем экологического контроля, медицины, измерительной техники, торговли и учета продукции. Другая серия датчиков перемещения и угла поворота разработана фирмой RSF-Electronics (Германия): DG116-DG 182. Эти приборы обеспечивают измерение скорости вращения до 1200 об/мин, при этом точность измерения угла поворота составляет ± 360/8 N, где N – число штрихов на вращающемся диске. Широкий выпуск серии датчиков угла поворота заявлен также фирмой Hewlett Packard: HEDS 5500, HEDS 2500, HEDS 6000, HEDS 7500. Прецизионные датчики положения и перемещения выпускает фирма National (Matsushita, Япония). В данном случае используется трехлучевая оптическая схема с излучающим диодом ИК-диапазона спектра и двумя позиционно-чувствительными фотоприемниками. Приборы MQ-W3A, MQ-W20A, MQ-70A, MQ-W30A обеспечивают прецизионное измерение расстояний в диапазоне 1…1000 см. Среди весовых дозаторов непрерывного действия широкое применение получила конструкция, принцип действия которой основан на измерении перемещения пластины грузоприемного рычага при воздействии на нее потока сыпучего материала [13]. Конструктивные достоинства таких устройств очевидны, однако на практике наименьшие пределы производительности таких дозаторов ограничены сотнями килограммов в час. Это обусловлено тем, что при производительности порядка единиц килограммов в час необходим датчик малых линейных перемещений (0…1 мм), иначе конструкция усложняется, что ведет к ее удорожанию и неконкурентоспособности. Основой датчика перемещения является преобразователь перемещения. Большинство конструкций преобразователей перемещения, такие как потенциометрические, емкостные, индуктивные, магнитные предназначены для измерения перемещения от единиц до сотен миллиметров [14]. Применение конструкций на основе этих методов в необходимом диапазоне измерения перемещения ведет к усложнению конструкции и опять-таки к удорожанию изделия, так, например, датчик емкостного типа ДЛП-0,2 (ЗАО НПЦ "Микропроцессорные технологии", г. С.-Петербург) стоит 110 $, а прецизионный прибор для измерения линейных перемещений на базе лазерного интерферометра производства СКБ "Индикатор" (г. С.- Петербург) стоит 2500 $. Для решения этой задачи нами было предложено устройство, основой которого является оптический измерительный преобразователь, где в качестве фотопроводящего переходного датчика применяется PIN- фотодиод из монокристаллического кремния [15]. Базовая структурная схема прибора [16] приведена на рис. 4.26. Такая схема практически реализуема на базе современных микроконтроллеров или компьютерных систем. Например, компания National Instruments является мировым лидером в производстве компьютерных систем сбора данных и предлагает семейство модульных систем согласования практически любого типа сигналов. Системы согласования сигналов National Instruments обеспечивают подключение различных датчиков и позволяют на порядки увеличить точность проводимых измерений, однако стоимость самых простых таких устройств (измерителей и регистраторов) не менее 300 $, а для проведения экспериментов потребуются более сложные (так как потребуются вычисления в реальном масштабе времени) и, следовательно, более дорогие. Но основной проблемой данной конструкции будет ее высокая температурная зависимость, так как пик чувствительности PIN-фотодиода находится в инфракрасной области спектра, что приводит к проблеме физической реализации данного датчика вследствие возникающей высокой температурной погрешности измерения. |